CN111404317A - 一种磁悬浮电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮电机，包括外壳、定子组件和转子组件，定子组件内置于外壳中，转子组件转动穿连在定子组件内，本磁悬浮电机还包括磁轴承组，磁轴承组套接在转子组件上，磁轴承组包括轴向磁轴承和所述磁轴承组包括径向磁轴承，轴向磁轴承成对设置，转子组件上设有轴向推力盘，轴向推力盘位于配对的轴向磁轴承之间，径向磁轴承套接在转子组件近两端处。本发明采用了磁轴承组支承转子组件，机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长等优点，可提高电机转速，增加使用寿命，还可以显著减少部件更换频次，提高维护便利度。

Description

一种磁悬浮电机

技术领域

本发明涉及一种动力装置，更具体地说，它涉及一种磁悬浮电机。

背景技术

传统的电动机采用机械轴承支承转子，在转子转动过程中机械轴承自身仍存在机械振动及摩擦，不仅会影响转子的转速，还会产生噪声、热量，影响电机使用寿命，为此，人们发明了磁悬浮电机，采用非接触式支撑方式支承转子，可以消除机械摩擦，大大提高转速及使用寿命。但现有的磁悬浮电机常会因外力干扰、负载变化、控制失稳等原因而出现转子失稳现象，转子失稳后会在电机内部姿态失控，产生轴向窜动、离轴偏转等运动，与壳体、定子发生摩擦、撞击进而导致电机损坏。磁悬浮电机的主轴与磁力轴承间的配合对主轴运行的稳定性影响极大，磁悬浮电机运行时，磁悬浮电机的主轴与磁力轴承间存在很强的相互作用，磁力轴承必须均衡设置，可靠固定，才能确保磁悬浮电机的主轴的稳定运行。现有的轴向磁力轴承在结构设计、安装布局方面仍存在一些不合理之处。如公开号为CN106979225B的发明专利于2018年12月18日公开了一种锥形轴向磁轴承，属于磁悬浮轴承领域。其由两个锥形磁轴承构成，二者之间存有间隙，且锥形角方向相反；定子为8极结构，定子轭上嵌有4个环向充磁的永磁体，相互间隔90°，且两定子处于同一圆周位置角的永磁体充磁方向相反；两定子齿与齿对齐，处于同一空间位置的两定子齿上共同绕有一个绕组，共8个，且串联构成一套悬浮绕组；永磁体提供偏置磁通，通过控制悬浮绕组电流的大小和方向以产生所需的轴向悬浮力。该发明两磁轴承间磁路相互隔离，且仅存在径向磁通，无轴向磁路，定、转子均可由硅钢片叠压而成，加工简单，铁心损耗小，效率高。但该发明只能提供单向的轴向磁力，不利于控制轴的轴向窜动以及由此引发的机械碰撞、摩擦。

发明内容

现有的磁悬浮电机中轴向磁力轴承在结构设计、安装布局方面仍存在一些不合理之处，不利于控制轴的轴向窜动以及由此引发的机械碰撞、摩擦，为克服这一缺陷，本发明提供了一种优化轴向磁力轴承结构，可提供双向磁斥力有效防止电机轴发生轴向窜动以及机械碰撞、摩擦的磁悬浮电机。

本发明的技术方案是：一种磁悬浮电机，包括外壳、定子组件和转子组件，定子组件内置于外壳中，转子组件转动穿连在定子组件内，本磁悬浮电机还包括磁轴承组，磁轴承组套在转子组件外，磁轴承组包括轴向磁轴承和所述磁轴承组包括径向磁轴承，轴向磁轴承成对设置，转子组件上设有轴向推力盘，轴向推力盘位于配对的轴向磁轴承之间，径向磁轴承套接在转子组件近两端处。磁轴承组利用磁铁同极相斥的原理而制造的非接触式轴承，与传统滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以达到很高的运转速度，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用高速、真空、超净等特殊环境。轴向磁轴承通电时成为电磁铁，轴向推力盘相对轴向磁轴承运动，轴向推力盘被磁化，也产生了本身的磁场且与轴向磁轴承同极性相对，因此会对轴向磁轴承产生斥力，配对的轴向磁轴承分别从轴向推力盘两端推斥，这样轴向磁轴承就可防止轴向推力盘，乃至转子组件发生轴向窜动。同理径向磁轴承通电时成为电磁铁，转子组件上对应径向磁轴承的部段被磁化，也产生了本身的磁场且与径向磁轴承同极性相对，对径向磁轴承产生斥力，使得转子组件悬浮起来。

作为优选，转子组件包括芯轴、转子永磁体、定位套、转子铁芯和定位环，定位环固定在芯轴两端，转子铁芯固定在芯轴上并与定位环内端相抵，定位套套接在芯轴上并与转子铁芯内端相抵，芯轴上设有径向凸台，转子永磁体、轴向推力盘分别位于径向凸台两侧，转子永磁体分别与定位套和径向凸台相抵，轴向推力盘两端分别与定位套和径向凸台相抵。转子永磁体与定子组件配合，二者间间可产生电磁力为芯轴提供转动驱动力；转子铁芯与径向磁轴承配合，二者间可产生电磁力为芯轴提供径向推斥力，实现芯轴在径向磁轴承内的悬浮。定位套、定位环则为定位件，配合径向凸台，使转子永磁体、转子铁芯在芯轴上进行可靠的轴向定位。

作为优选，轴向磁轴承包括轴向轴承外导磁环和轴向轴承线圈，轴向轴承线圈围绕轴向轴承外导磁环的轴线均布在轴向轴承外导磁环上，轴向轴承外导磁环内端面设有环形嵌槽，轴向轴承线圈嵌置于环形嵌槽内。轴向轴承线圈通电时产生磁力，并通过轴向轴承外导磁环均匀分布磁场，转子组件转动时，与轴向轴承线圈相对运动的轴向推力盘被磁化，与轴向磁轴承间产生斥力，转子组件从而获得轴向阻力，避免发生轴向窜动。

作为优选，轴向轴承外导磁环外端设有法兰结构，配对的两个轴向磁轴承的轴向轴承外导磁环内端面相对，配对的两个轴向磁轴承的法兰结构之间设有轴向轴承支座，轴向轴承支座与法兰结构之间通过螺栓连接。通过这样的结构设置，配对的轴向磁轴承间形成可靠连接，保持相对位置固定，两个配对的轴向磁轴承将轴向推力盘夹在中间，实现对转子组件的双向防窜动。

作为优选，径向磁轴承包括径向轴承环体、径向轴承定子铁芯和径向轴承定子铁芯压环，径向轴承定子铁芯嵌置于径向轴承环体内壁上的铁芯槽中，径向轴承定子铁芯压环嵌在铁芯槽中并压在径向轴承定子铁芯外端面上。通过这样的结构设置，径向磁轴承可以紧凑且可靠地安装配置径向轴承定子铁芯这一必要的电磁部件，确保径向磁轴承能提供使转子组件悬浮的磁力。

作为优选，径向轴承定子铁芯内壁上固定有径向轴承控制线圈。径向轴承控制线圈通电后，产生的磁力线集中到径向轴承定子铁芯上，强化径向磁轴承的磁场强度。

作为优选，外壳两端设有保护轴承组件，转子组件穿连在保护轴承组件上。径向磁轴承的径向轴承环体内壁的铁芯支持面与转子组件之间必须存在一定间隙才能使转子组件悬浮，当本磁悬浮电机断电停用时，径向磁轴承对转子组件的径向磁性支持力消失，转子组件在自重作用下会下坠，如无其它径向支撑结构，转子组件就会与径向轴承环体内壁的铁芯支持面接触，在下次启动时会产生摩擦造成转子组件及径向磁轴承的损坏。为此，设置保护轴承组件，可在停机时支承转子组件，确保转子组件即使停机也不会触及径向轴承环体内壁的铁芯支持面。

作为优选，保护轴承组件包括轴承、轴承支座、封堵轴承的轴承压盖，以及负载转接法兰，轴承嵌置于轴承支座内，轴承压盖固定在轴承支座上，轴承支座固定在负载转接法兰上，负载转接法兰固定在外壳端口上。保护轴承组件通过轴承支座容纳、安装轴承，通过负载转接法兰连接到外壳上，确保保护轴承组件能在停机时可靠发挥保护作用。

本发明的有益效果是：

受力结构更为均衡。本发明中两个轴向磁轴承单体通过轴向轴承支座连接成一体，这样，两个轴向磁轴承单体互相支持，使本磁力轴承的受力结构更为均衡，与轴向推力盘配合时能更好地平衡来自轴向推力盘的反作用力。

减少机械振动及摩擦，提高电机转速，增加使用寿命。本发明采用了磁轴承组支承转子组件，机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长等优点，可提高电机转速，增加使用寿命。

提高维护便利度。本发明的由于大大减少了机械振动及摩擦，使得主要部件寿命大大增加，从而显著减少部件更换频次，提高维护便利度。

附图说明

图1为本发明的一种纵剖面结构示意图；

图2为本发明的一种结构示意图；

图3为本发明中转子组件的一种结构示意图；

图4为本发明中轴向磁轴承的一种端面结构示意图；

图5为本发明中轴向磁轴承的一种纵剖面结构示意图；

图6为本发明中配对的轴向磁轴承的连接结构示意图；

图7为本发明中径向磁轴承的一个端面的结构示意图；

图8为本发明中径向磁轴承的一种纵剖面面结构示意图；

图9为本发明中径向磁轴承的另一个端面的结构示意图；

图10为本发明中保护轴承组件的一种端面结构示意图；

图11为本发明中保护轴承组件的一种纵剖面结构示意图；

图12为本发明的另一种纵剖面结构示意图；

图13为本发明的另一种结构示意图。

图中，1-外壳，2-定子组件，3-转子组件，4-径向磁轴承，5-后端保护轴承组件，6-轴向磁轴承，7-前端保护轴承组件，8-芯轴，9-转子永磁体，10-轴向推力盘，11-定位套，12-转子铁芯，13-定位环，14-轴向轴承外导磁环，15-外导磁环中心孔，16-轴向轴承线圈，17-环形嵌槽，18-轴向轴承支座，19-径向轴承环体，20-径向轴承定子铁芯，21-径向轴承定子铁芯压环，22-径向轴承控制线圈，23-轴承，24-轴承支座，25-轴承压盖，26-负载转接法兰，27-径向传感器，28-蜗壳，29-叶轮，30-永磁体护套。

具体实施方式

下面结合附图具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1至图11所示，一种磁悬浮电机，包括外壳1、定子组件2和转子组件3，定子组件2内置于外壳1中，转子组件3转动穿连在定子组件2内，还包括磁轴承组，磁轴承组套在转子组件3外。外壳1的输出端连接一鼓风机的蜗壳28。转子组件3包括芯轴8、转子永磁体9、轴向推力盘10、定位套11、转子铁芯12和定位环13，定位环13通过螺纹固定在芯轴8两端，转子铁芯12固定在芯轴8上并与定位环13内端相抵，定位套11套接在芯轴8上并与转子铁芯12内端相抵，芯轴8中前端一体设有径向凸台，转子永磁体9、轴向推力盘10分别位于径向凸台两侧，转子永磁体9分别与定位套11和径向凸台相抵，轴向推力盘10两端分别与定位套11和径向凸台相抵。转子永磁体9呈瓦状，共两块，每个转子永磁体9又由二十块扇环状磁块拼合粘接而成，转子永磁体9整体贴合粘接在芯轴8周面上，两转子永磁体9之间设有转子永磁体隔板，使两转子永磁体9保持相对位置不变。转子永磁体9外套接有永磁体护套30。所述磁轴承组包括两个轴向磁轴承6和两个径向磁轴承4，轴向磁轴承6和径向磁轴承4均固定在外壳1内，芯轴8贯穿轴向磁轴承6和径向磁轴承4的中心孔。轴向磁轴承6成对设置，轴向推力盘10位于配对的轴向磁轴承6之间。两径向磁轴承4分别套接在转子组件3近两端处，并与转子铁芯12位置重合。轴向推力盘10包括推力盘环套和径向凸起的盘体，盘体位于推力盘环套外周面上，推力盘环套、盘体用40CrNiMoA钢一体成型，推力盘环套过盈套接在芯轴8上。轴向磁轴承6包括轴向轴承外导磁环14和轴向轴承线圈16，轴向轴承外导磁环14上设有可容芯轴8穿过的外导磁环中心孔15，轴向轴承外导磁环14内端面设有环形嵌槽17，环形嵌槽17与轴向轴承外导磁环14同轴，外导磁环中心孔15嵌置于环形嵌槽17内，使得轴向轴承线圈16围绕轴向轴承外导磁环14的轴线均布在轴向轴承外导磁环14上。轴向轴承外导磁环14外端设有法兰结构，配对的两个轴向磁轴承6的轴向轴承外导磁环14内端面相对，配对的两个轴向磁轴承6的法兰结构之间设有轴向轴承支座18，轴向轴承支座18与法兰结构之间通过螺栓连接。径向磁轴承4包括径向轴承环体19、径向轴承定子铁芯20和径向轴承定子铁芯压环21，径向轴承定子铁芯20嵌置于径向轴承环体19内壁上的铁芯槽中，径向轴承定子铁芯压环21嵌在铁芯槽中并压在径向轴承定子铁芯20后端面上。径向轴承定子铁芯20内壁上固定有径向轴承控制线圈22，径向轴承控制线圈22与径向轴承定子铁芯20之间隔有绝缘纸。径向轴承环体19前端面上通过螺钉固定有传感器安装环，传感器安装环上固定有径向传感器27，径向传感器27为四个且围绕径向轴承环体19的轴线呈辐射状均布。外壳1两端设有保护轴承组件，分别为前端保护轴承组件7和后端保护轴承组件5，转子组件3穿连在保护轴承组件上。保护轴承组件包括轴承23、轴承支座24、封堵轴承23的轴承压盖25，以及负载转接法兰26，轴承支座24上设有轴承安装窝孔，轴承23嵌置于轴承支座24的轴承安装窝孔内，轴承压盖25通过螺钉固定在轴承支座24轴承安装窝孔入口端上，轴承支座24通过螺钉固定在负载转接法兰26上，负载转接法兰26通过螺钉固定在外壳1端口上。

本磁悬浮电机具有测速装置和控制器，电机启动后的低速运转期间，转子组件3由前端保护轴承组件7和后端保护轴承组件5支承。转速增大并超过在控制器上设置的设定值后，径向轴承控制线圈22、轴向轴承线圈16通电，使径向磁轴承4成为电磁铁，由于转子铁芯12与径向磁轴承4位置重合，随芯轴8转动的转子铁芯12与径向磁轴承4间发生相对运动，从而被磁化，也产生了本身的磁场且与径向磁轴承4同极性相对，对径向磁轴承4产生斥力，使得芯轴8在径向磁轴承4内悬浮起来。同理，轴向磁轴承6通电时成为电磁铁，随芯轴8转动的轴向推力盘10相对轴向磁轴承6运动，轴向推力盘10被磁化，也产生了本身的磁场且与轴向磁轴承6同极性相对，因此会对轴向磁轴承6产生斥力，这样轴向磁轴承6就可防止轴向推力盘10，乃至转子组件3发生轴向窜动。转子轴失稳时，所述轴向磁轴承通入控制电流控制所述转子轴，让转子快速降速，以降低高速转子撞击造成的破坏。

实施例2：

如图12至图13所示，转子组件3的输出端键连接鼓风机的叶轮29。所述径向凸台位于芯轴8后端，轴向推力盘10位于径向凸台后端面且与芯轴8一体成型。两径向磁轴承4一个套接在转子组件3近前端处，另一个紧靠在径向凸台前端面。

电机启动后，叶轮29随转子组件3同步转动。低速运转，转子组件3由前端保护轴承组件7和后端保护轴承组件5支承，叶轮29也低速转动，使鼓风机低速吹风。电机转速增大并超过在控制器上设置的设定值后，径向轴承控制线圈22、轴向轴承线圈16通电，使径向磁轴承4、轴向磁轴承6成为电磁铁，随芯轴8转动的转子铁芯12与径向磁轴承4间发生相对运动，对径向磁轴承4产生斥力，使得芯轴8在径向磁轴承4内悬浮起来。随芯轴8转动的轴向推力盘10相对轴向磁轴承6转动，对轴向磁轴承6产生斥力，这样轴向磁轴承6就可防止轴向推力盘10，乃至转子组件3发生轴向窜动。从而确保转子组件3可以高速、低噪的转动，使叶轮29高速转动，鼓风机高速吹风。

其余同实施例1。

Claims (8)

1.一种磁悬浮电机，包括外壳（1）、定子组件（2）和转子组件（3），定子组件（2）内置于外壳（1）中，转子组件（3）转动穿连在定子组件（2）内，其特征是还包括磁轴承组，磁轴承组套在转子组件（3）外，磁轴承组包括轴向磁轴承（6）和径向磁轴承（4），轴向磁轴承（6）成对设置，转子组件（3）上设有轴向推力盘（10），轴向推力盘（10）位于配对的轴向磁轴承（6）之间，径向磁轴承（4）套接在转子组件（3）近两端处。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮电机，其特征是转子组件（3）包括芯轴（8）、转子永磁体（9）、定位套（11）、转子铁芯（12）和定位环（13），定位环（13）固定在芯轴（8）两端，转子铁芯（12）固定在芯轴（8）上并与定位环（13）内端相抵，定位套（11）套接在芯轴（8）上并与转子铁芯（12）内端相抵，芯轴（8）上设有径向凸台，转子永磁体（9）、轴向推力盘（10）分别位于径向凸台两侧，转子永磁体（9）分别与定位套（11）和径向凸台相抵，轴向推力盘（10）两端分别与定位套（11）和径向凸台相抵。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮电机，其特征是轴向磁轴承（6）包括轴向轴承外导磁环（14）和轴向轴承线圈（16），轴向轴承线圈（16）围绕轴向轴承外导磁环（14）的轴线均布在轴向轴承外导磁环（14）上，轴向轴承外导磁环（14）内端面设有环形嵌槽（17），轴向轴承线圈（16）嵌置于环形嵌槽（17）内。

4.根据权利要求3所述的磁悬浮电机，其特征是轴向轴承外导磁环（14）外端设有法兰结构，配对的两个轴向磁轴承（6）的轴向轴承外导磁环（14）内端面相对，配对的两个轴向磁轴承（6）的法兰结构之间设有轴向轴承支座（18），轴向轴承支座（18）与法兰结构之间通过螺栓连接。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮电机，其特征是径向磁轴承（4）包括径向轴承环体（19）、径向轴承定子铁芯（20）和径向轴承定子铁芯压环（21），径向轴承定子铁芯（20）嵌置于径向轴承环体（19）内壁上的铁芯槽中，径向轴承定子铁芯压环（21）嵌在铁芯槽中并压在径向轴承定子铁芯（20）外端面上。

6.根据权利要求5所述的磁悬浮电机，其特征是径向轴承定子铁芯（20）内壁上固定有径向轴承控制线圈（22）。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的磁悬浮电机，其特征是外壳（1）两端设有保护轴承组件，转子组件（3）穿连在保护轴承组件上。

8.根据权利要求7所述的磁悬浮电机，其特征是所述保护轴承组件包括轴承（23）、轴承支座（24）、封堵轴承（23）的轴承压盖（25），以及负载转接法兰（26），轴承（23）嵌置于轴承支座（24）内，轴承压盖（25）固定在轴承支座（24）上，轴承支座（24）固定在负载转接法兰（26）上，负载转接法兰（26）固定在外壳（1）端口上。

Images