CN112242778A - 一种大功率高速磁悬浮永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大功率高速电机，具体为一种大功率高速磁悬浮永磁电机。本发明采用主动式磁悬浮轴承，由两个径向轴承、一个轴向轴承、两个位置传感器组成。同时分别在传动端和非传动端安装有辅助轴承，可实现主动控制，可以在整个转速范围内调节轴系的动态性能，完全无接触，不需要润滑，使用寿命长。本发明采用主动式磁悬浮轴承可以减小整机损耗、省却冷却装置、提高整体寿命、维护方便。大功率高速磁悬浮永磁电机具有转速高、功率大、省却减速箱等特点，在使用寿命、可靠性、噪声及振动方面都得到很大的改善，电气及机械结构可靠。

Description

一种大功率高速磁悬浮永磁电机

技术领域

本发明涉及大功率高速电机，具体为一种大功率高速磁悬浮永磁电机。

背景技术

与传统的非直驱系统相比，采用高速电机直驱之后，传动系统的体积和重量明显降低，在使用寿命、可靠性、噪声及振动方面都得到很大的改善，因此高速电机在储能飞轮、压缩机、高速鼓风机、高速水泵以及分布式发电系统等各工业领域有广泛的应用空间。但随着功率的增大和转速的升高，采用传统的滚珠轴承越来越难以满足，其转子受其刚度系数的影响也越来越靠近临界转速，甚至不负刚性转子，同时其损耗和散热问题也越来越突出。与传统的滚珠轴承相比，磁悬浮轴承具有无接触、不需要润滑和密封、振动小、使用寿命长、维护费用低等一系列优良品质。

目前在高速电机中应用的轴承主要有：滚珠轴承、充油轴承、空气轴承和磁悬浮轴承，但大多都只适用于中小功率的高速电机。现有的大功率高速永磁电机普遍采用滑动轴承（主要转速范围为10000～20000r/min，功率范围为500kW～1000kW），但其损耗大，发热严重，需要配置单独的冷却设备，现有的中小功率高速电机已部分采用磁悬浮轴承，但都规模较小，且装配简单易实现。随着功率的增大，高速电机不可避免的采用多零件装配结构，如果不对零部件加工精度提高，其累计的公差也越来越大，已难以满足磁悬浮轴承提出的高精密要求；如果提高零部件的加工精度，其成本也随之升高，且累计的公差不可避免的缩小磁悬浮轴承所对应的公差工作范围。因此采用传统的电机结构已难以满足大功率高转速磁悬浮轴承的要求。

发明内容

本发明为了解决大功率高速永磁电机在高速运行下转子结构的设计、高速大功率磁悬浮轴承的结构布局及实现、高效冷却风路的设计等问题，提供了一种大功率高速磁悬浮永磁电机。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种大功率高速磁悬浮永磁电机，包括机座、定子装配和转子装配，还包括由前辅助轴承、传动端传感器和传动端径向磁悬浮轴承构成的前端盖系统，由非传动端端盖、后辅助轴承、非传动端径向磁悬浮轴承、轴向磁悬浮轴承、非传动端传感器构成的后端盖系统；机座前端与前端盖系统进行装配，转轴传动端部位热套传动端径向磁悬浮轴承铁心和传动端传感器铁心，机座前端与传动端径向磁悬浮轴承定子部分进行装配，前辅助轴承位于前径向磁悬浮轴承前端并与前径向磁悬浮轴承定子部分装配，传动端传感器定子部分与前径向磁悬浮轴承定子部分装配，机座后端与后端盖系统进行装配，转轴非传动端热套非传动端径向磁悬浮轴承铁心、非传动端传感器铁心和轴向磁悬浮轴承的推力盘，机座后端与非传动端端盖装配，非传动端端盖与非传动端径向磁悬浮轴承定子部分装配，轴向磁悬浮轴承位于非传动端径向磁悬浮轴承右端且定子部分与非传动端径向磁悬浮轴承定子部分装配，后辅助轴承位于轴向磁悬浮轴承右端且与轴向磁悬浮轴承定子部分装配；磁悬浮轴承处于未悬浮状态时，转轴由前辅助轴承、后辅助轴承支撑。本发明采用主动式磁悬浮轴承，由两个径向轴承、一个轴向轴承、两个位置传感器组成。同时分别在传动端和非传动端安装有辅助轴承，可实现主动控制，可以在整个转速范围内调节轴系的动态性能，完全无接触，不需要润滑，使用寿命长。本发明采用主动式磁悬浮轴承可以减小整机损耗、省却冷却装置、提高整体寿命、维护方便。

上述的一种大功率高速磁悬浮永磁电机，为保证传感器定子部分与转子部分上的铁心部位对中，在传动端传感器定子部分右侧装配有传动端位置传感器调整垫，在非传动端传感器定子部分左侧装配有非传动端位置传感器调整垫；为保证轴向磁悬浮轴承和推力盘的间隙，在轴向磁悬浮轴承压圈左侧装配有第一调整垫圈，为保证后辅助轴承与推力盘的间隙，在轴向磁悬浮轴承压圈右侧装配有第二调整垫圈。

上述的一种大功率高速磁悬浮永磁电机，后端盖系统还包括旋转变压器和旋变端盖，旋转变压器装配于后辅助轴承右侧，旋转变压器铁心热套在转轴非传动端，旋转变压器的定子部分和后辅助轴承装配，外部由旋变外盖保护。

上述的一种大功率高速磁悬浮永磁电机，转子装配上装配有转子压圈并热套于转轴上，转轴上热套电机转子铁心，并在铁心留有轴向通风孔，在电机转子铁心左侧装配永磁体挡板和压圈，完成后在电机转子铁心外部表面贴永磁体，在转子铁心表面留有空隙以填充密封胶进行固定，装配完永磁体后，在电机转子铁心右侧装配永磁体挡板和压圈，在其最外侧利用止动垫片锁死，装配完成后利用圆螺母进行紧固，为防止永磁体因无法承受转子高速旋转时产生的巨大离心力而被破坏，在永磁体外部缠绕有高强度碳纤维丝，通过调质胶凝固成一层碳纤维保护套。

上述的一种大功率高速磁悬浮永磁电机，机座采用钢板筒体焊接结构，筒体部分采用钢板卷制焊接而成，筒体内圆周和轴向均分布有加强筋，轴向筋内径小于圆周方向加强筋内径，形成轴向通风通道，轴向筋与定子铁心外圆过盈装配为一体，定子铁心和定子绕组构成定子装配，在铁心中嵌入线圈后真空压力浸漆并进行旋转烘焙。

上述的一种大功率高速磁悬浮永磁电机，为满足电机在高速下稳定功率的输出，采用的措施是以运行转速最高点为基频点，优化电磁方案，平衡电机反电势、电压及电流的关系，同时兼顾反电势影响，平衡优化永磁体磁通、漏磁、机械强度方面要求，为了更有效地利用有限的空间结构，提高气隙磁密，同时考虑到稀土永磁体的矫顽力高，永磁体磁化方向长度可以较小，采用径向瓦片形永磁体转子磁路结构。

上述的一种大功率高速磁悬浮永磁电机，机座上安装主接线盒和控制线接线盒，定子绕组引出线从绕组接线头引出与主接线盒中的铜排连接，传动端径向磁悬浮轴承控制线和传动端传感器信号线沿机座内壁由蚂蟥钉固定，沿着定子铁心外圆通风通道进入控制线接线盒上部位，非传动端径向磁悬浮轴承控制线、非传动端传感器控制线和旋转变压器信号线进入控制线接线盒下部位，整体实现电机强、弱电接线分离，提高安全性和可靠性，同时便于磁悬浮轴承控制器和变频器联线。

上述的一种大功率高速磁悬浮永磁电机，定子铁心采用冷轧、高频电工钢片叠压而成，采用斜槽结构，两端设有端板以限制齿涨，并采用斜角拉板焊接的方式与两端的压圈固定为坚固的整体；定子绕组为斜槽成型硬绕组；采用斜槽结构可以有效的改善电动势波形和减小磁极表面的损耗。

上述的一种大功率高速磁悬浮永磁电机，永磁体选取了对温度敏感性不高、剩磁相对较高的钐钴材料，可以实现在一定运行温度范围内其输出功率波动小，同时也减小电机由温度高导致的失磁风险。

上述的一种大功率高速磁悬浮永磁电机，机座外部装配有防尘罩。

本发明实现了大功率高速永磁电机整体结构布局；大功率高速永磁电机冷却结构的设计；高速直驱永磁转子的设计；磁悬浮轴承在大功率高速永磁电机上的具体应用。因其转速高、功率大、省却减速箱等特点，在使用寿命、可靠性、噪声及振动方面都得到很大的改善，电气及机械结构可靠。

附图说明

图1为本发明所述的大功率高速磁悬浮永磁电机内部结构图。

图中：1-前辅助轴承，2-传动端径向磁悬浮轴承，3-机座，4-定子装配，5-转子装配，6-后传动端端盖，7-非传动端径向磁悬浮轴承，8-第一调整垫圈，9-轴向磁悬浮轴承压圈，10-第二调整垫圈，11-后辅助轴承，12-旋转变压器，13-旋变端盖，14-传动端传感器，15-非传动端传感器，19-推力盘，20-轴向磁悬浮轴承，21-传动端位置传感器调整垫，22-非传动端位置传感器调整垫。

图2为本发明所述的大功率高速磁悬浮永磁电机正视图。

图中：16-主接线盒，17-控制线接线盒，18-防尘罩。

具体实施方式

大功率高速磁悬浮永磁电机主要由定子铁心和定子线圈组成的定子装配4，含有转轴、永磁体、电机转子铁心、碳纤维护套、传动端径向磁悬浮轴承铁心、非传动端径向磁悬浮轴承铁心、传动端传感器铁心、非传动端传感器铁心、推力盘19和旋转变压器转子铁心构成的转子装配5，由前辅助轴承1、传动端传感器14和传动端径向磁悬浮轴承2构成的前端盖系统，由后辅助轴承11、非传动端端盖6、非传动端径向磁悬浮轴承7、轴向磁悬浮轴承20、旋转变压器12和旋变端盖13构成的后端盖系统，主接线盒16与控制线接线盒17组成。

机座3采用钢板筒体焊接结构，筒体部分采用钢板卷制焊接而成，筒体内圆周和轴向均分布有加强筋，轴向筋内径小于圆周方向加强筋内径，形成轴向通风通道，轴向筋与定子铁心外圆过盈装配为一体。定子铁心和定子绕组构成定子装配4，在铁心中嵌入线圈后真空压力浸漆并进行旋转烘焙。

主接线盒16与机座筒体拼接焊接成一体，位于电机的非传动端。定子绕组引出线从绕组接线头左边部分引出与主接线盒16中的铜排连接，前径向磁悬浮轴承2控制线和传动端传感器14信号线沿机座内壁由蚂蟥钉固定，沿着定子铁心外圆通风通道进入控制线接线盒17上部位，后径向磁悬浮轴承7控制线、非传动端传感器15控制线和旋转变压器12信号线进入控制线接线盒17下部位，整体实现电机强、弱电接线分离，提高安全性和可靠性，同时便于磁悬浮轴承控制器和变频器联线。

机座前端与前端盖系统进行装配，磁悬浮轴承处于未悬浮状态时，转轴前端由前辅助轴承1支撑，前辅助轴承1位于传动端径向磁悬浮轴承2前端。同样，机座后端与后端盖系统进行装配，机座3与后传动端盖6装配，后传动端盖6与非传动端径向磁悬浮轴承7装配，磁悬浮轴承处于未悬浮状态时，转轴后端由后辅助轴承11支撑，后辅助轴承11位于轴向磁悬浮轴承20右端，轴向磁悬浮轴承20位于非传动端径向磁悬浮轴承7右端。

为保证传感器定子与转子上的铁心部位对中，在传动端传感器14右侧装配有传动端位置传感器调整垫21，在非传动端传感器15左侧装配有非传动端位置传感器调整垫22。为保证轴向磁悬浮轴承20和推力盘19的间隙，在轴向磁悬浮轴承压圈9左侧装配有第一调整垫圈8。为保证后辅助轴承11与推力盘20的间隙，在轴向磁悬浮轴承压圈9右侧装配有第二调整垫圈10。

本发明装配有高速旋转变压器12，其装配于轴向磁悬浮轴承20右侧，外部由旋变外盖13保护。高速旋转变压器12信号线经轴向磁悬浮轴承压圈9外侧和非传动端径向磁悬浮轴承7进入控制线接线盒17内，在外侧采用尼龙软管进行保护，并利用金属固定夹紧固于轴向磁悬浮轴承压圈9上。

转子装配5上装配有转子压圈并热套于转轴上，转轴上热套电机转子铁心，并在铁心留有轴向通风孔。在转轴传动端部位热套传动端径向磁悬浮轴承铁心和传动端传感器铁心，在转轴非传动端热套非传动端径向磁悬浮轴承铁心、非传动端传感器铁心和推力盘19。在电机转子铁心左侧装配永磁体挡板和压圈，完成后在电机转子铁心外部表面贴永磁体，在转子铁心表面留有空隙以填充密封胶进行固定，装配完永磁体后，在电机转子铁心右侧装配永磁体挡板和压圈，在其最外侧利用止动垫片锁死。装配完成后利用圆螺母进行紧固。为防止永磁体因无法承受转子高速旋转时产生的巨大离心力而被破坏，在永磁体外部缠绕有高强度碳纤维丝，通过调质胶形成一层碳纤维护套。

在电机的设计过程中，针对高速的少极结构，定子采用整数矩形槽斜槽结构，定子绕组采用双层斜槽成型绕组，定子整体真空压力浸漆。为便于隔磁，永磁体极间填充不锈钢护板，其余永磁体压圈和挡板均采用不锈钢材料。电机定转子铁心、磁悬浮轴承转子铁心、传感器转子铁心均采用耐高频低损耗的各项异性冷轧硅钢片。为防止外部灰尘及其他有害物质进入电机内部，在机座3外部装配有防尘罩18。

高频电磁参数的选取，为满足电机在高速下稳定功率的输出，采用的措施是以运行转速最高点为基频点，优化电磁方案，平衡电机反电势、电压及电流的关系，同时兼顾反电势影响；平衡优化永磁体磁通、漏磁、机械强度等方面要求，为了更有效地利用有限的空间结构，提高气隙磁密，同时考虑到稀土永磁体的矫顽力高，永磁体磁化方向长度可以较小，采用径向瓦片形永磁体转子磁路结构。易于调节厚度和宽度，也就是易于调节极弧系数；采用磁路计算与有限元分析相互校验并调整优化确定电磁方案。

永磁体方面，经过比较及结合运行的实际工况，选取了对温度敏感性不高、剩磁相对较高的钐钴材料，可以实现在一定运行温度范围内其输出功率波动小，同时也减小电机由温度高导致的失磁风险。由于永磁体能够承受很大的压应力而不能承受较大的拉应力，如果没有保护措施，永磁体将无法承受转子高速旋转时产生的巨大离心力而被破坏，永磁体和碳纤维护套之间需要采用过盈配合，使永磁体静态承受一定的压应力，以补偿高速旋转时离心力产生的拉应力。采用高强度碳纤维丝进行绑扎，其厚度较合金护套要小，而且不产生高频涡流损耗。

齿槽转矩和转矩波动的削弱，本发明通过定子斜槽来削弱其不利因素。定子铁心采用冷轧、高频电工钢片叠压而成，采用斜槽结构，两端设有端板以限制齿涨，并采用斜角拉板焊接的方式与两端的压圈固定为坚固的整体；定子绕组为斜槽成型硬绕组；采用斜槽结构可以有效的改善电动势波形和减小磁极表面的损耗。

高速电机体积重量小，是其突出优点，但体积的减小必然带来散热面积的减小，而电机的效率差异不会太大，这意味着同等功率电机的损耗（即发热量）差异不大，而散热面积差异很大，因此高速电机的冷却散热问题就显得非常突出。本发明采用强迫风冷、轴向通风结构，定子铁心与机座间留有圆周方向均布的风道，同时在定子内圆表面加深了槽口高度，加大了气隙风路的接触面积；在转子圆周方向开有均布的腰行孔。

本发明采用耐高频的低压线圈绝缘：对地绝缘中直线部分、引线头和端部采用亚胺薄膜和云母带缠绕，外包绝缘采用无碱玻璃丝粘带绑扎；同时、采用耐电晕薄膜熔敷导线；铁心线圈烘焙后真空压力浸晾干型表面绝缘磁漆；采用零环结构设计，同时采用硅橡胶电机引出线。

高速电机的转子要承受很大的离心力和一定的热应力，主要由转子铁心、永磁体磁极、碳纤维护套等部件构成。为降低高频涡流损耗，永磁体采用分段结构；极间间隙由不导磁的不锈钢护板填充，从而降低碳纤维护套在极间间隙处的弯曲应力，提高转子可靠性；因永磁体磁性强，在电机转子铁心中留有空隙以填充固定胶进行定位，同时留有空间以便推进工装进行表贴式永磁体转配。为了保证转子有足够的强度，高速电机转子多为细长型，因此与常速电机相比，高速电机转子系统接近临界转速的可能性大大增加，为了避免发生弯曲共振，这就必须要对转子进行精确的动力学分析计算，采取相应的抑制措施。

本发明转子上配置有专设的高速旋转变压器，便于变频器进行闭环控制；同时本发明采用强、弱电分离结构，即电机主电缆为主接线盒，采用三相铜排结构；磁悬浮轴承控制线、旋转变压器信号线、位置传感器信号线等统合在控制接线盒内，配置有接地装置。

高速电机的安全稳定运行与轴承可靠性密不可分。本发明采用主动式磁悬浮轴承，可实现主动控制，可以在整个转速范围内调节轴系的动态性能，完全无接触，不需要润滑，使用寿命长。

磁悬浮轴承就是利用磁性原理使之没有机械接触的轴承，通过位置传感器检测转子的轴偏差信号，将该信号送入控制器，通过功率放大器控制电磁铁中的电流, 从而产生电磁力的变化使转子悬浮于规定的位置。一个转子要实现完全的悬浮需在其五个自由度上施加控制力，即需要两个径向轴承和一个推力轴承。

本发明磁悬浮轴承由两个径向轴承、一个轴向轴承、两个位置传感器组成。同时分别在传动端和非传动端安装有辅助轴承，传动端辅助轴承为深沟球轴承61919，非传动端辅助轴承为角接触球轴承71824C。

Claims (10)

1.一种大功率高速磁悬浮永磁电机，包括机座（3）、定子装配（4）和转子装配（5），其特征在于：还包括由前辅助轴承（1）、传动端传感器（14）和传动端径向磁悬浮轴承（2）构成的前端盖系统，由非传动端端盖（6）、后辅助轴承（11）、非传动端径向磁悬浮轴承（7）、轴向磁悬浮轴承（20）、非传动端传感器（15）构成的后端盖系统；机座前端与前端盖系统进行装配，转轴传动端部位热套传动端径向磁悬浮轴承铁心和传动端传感器铁心，机座前端与传动端径向磁悬浮轴承（2）定子部分进行装配，前辅助轴承（1）位于前径向磁悬浮轴承（2）前端并与前径向磁悬浮轴承（2）定子部分装配，传动端传感器（14）定子部分与前径向磁悬浮轴承（2）定子部分装配，机座后端与后端盖系统进行装配，转轴非传动端热套非传动端径向磁悬浮轴承铁心、非传动端传感器铁心和轴向磁悬浮轴承（20）的推力盘（19），机座后端与非传动端端盖（6）装配，非传动端端盖（6）与非传动端径向磁悬浮轴承（7）定子部分装配，轴向磁悬浮轴承（20）位于非传动端径向磁悬浮轴承（7）右端且定子部分与非传动端径向磁悬浮轴承（7）定子部分装配，后辅助轴承（11）位于轴向磁悬浮轴承（20）右端且与轴向磁悬浮轴承（20）定子部分装配；磁悬浮轴承处于未悬浮状态时，转轴由前辅助轴承（1）、后辅助轴承（11）支撑。

2.根据权利要求1所述的一种大功率高速磁悬浮永磁电机，其特征在于：为保证传感器定子部分与转子部分上的铁心部位对中，在传动端传感器（14）定子部分右侧装配有传动端位置传感器调整垫（21），在非传动端传感器（15）定子部分左侧装配有非传动端位置传感器调整垫（22）；为保证轴向磁悬浮轴承（20）和推力盘（19）的间隙，在轴向磁悬浮轴承压圈（9）左侧装配有第一调整垫圈（8），为保证后辅助轴承（11）与推力盘（19）的间隙，在轴向磁悬浮轴承压圈（9）右侧装配有第二调整垫圈（10）。

3.根据权利要求2所述的一种大功率高速磁悬浮永磁电机，其特征在于：后端盖系统还包括旋转变压器（12）和旋变端盖（13），旋转变压器（12）装配于后辅助轴承（11）右侧，旋转变压器（12）铁心热套在转轴非传动端，旋转变压器（12）的定子部分和后辅助轴承（11）装配，外部由旋变外盖（13）保护。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种大功率高速磁悬浮永磁电机，其特征在于：转子装配（5）上装配有转子压圈并热套于转轴上，转轴上热套电机转子铁心，并在铁心留有轴向通风孔，在电机转子铁心左侧装配永磁体挡板和压圈，完成后在电机转子铁心外部表面贴永磁体，在转子铁心表面留有空隙以填充密封胶进行固定，装配完永磁体后，在电机转子铁心右侧装配永磁体挡板和压圈，在其最外侧利用止动垫片锁死，装配完成后利用圆螺母进行紧固，为防止永磁体因无法承受转子高速旋转时产生的巨大离心力而被破坏，在永磁体外部缠绕有高强度碳纤维丝，通过调质胶凝固成一层碳纤维保护套。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种大功率高速磁悬浮永磁电机，其特征在于：机座采用钢板筒体焊接结构，筒体部分采用钢板卷制焊接而成，筒体内圆周和轴向均分布有加强筋，轴向筋内径小于圆周方向加强筋内径，形成轴向通风通道，轴向筋与定子铁心外圆过盈装配为一体，定子铁心和定子绕组构成定子装配（4），在铁心中嵌入线圈后真空压力浸漆并进行旋转烘焙。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种大功率高速磁悬浮永磁电机，其特征在于：为满足电机在高速下稳定功率的输出，采用的措施是以运行转速最高点为基频点，优化电磁方案，平衡电机反电势、电压及电流的关系，同时兼顾反电势影响，平衡优化永磁体磁通、漏磁、机械强度方面要求，为了更有效地利用有限的空间结构，提高气隙磁密，同时考虑到稀土永磁体的矫顽力高，永磁体磁化方向长度可以较小，采用径向瓦片形永磁体转子磁路结构。

7.根据权利要求3所述的一种大功率高速磁悬浮永磁电机，其特征在于：机座上安装主接线盒（16）和控制线接线盒（17），定子绕组引出线从绕组接线头引出与主接线盒（16）中的铜排连接，传动端径向磁悬浮轴承（2）控制线和传动端传感器（14）信号线沿机座内壁由蚂蟥钉固定，沿着定子铁心外圆通风通道进入控制线接线盒（17）上部位，非传动端径向磁悬浮轴承（7）控制线、非传动端传感器（15）控制线和旋转变压器（12）信号线进入控制线接线盒（17）下部位，整体实现电机强、弱电接线分离，提高安全性和可靠性，同时便于磁悬浮轴承控制器和变频器联线。

8.根据权利要求1或2或3所述的一种大功率高速磁悬浮永磁电机，其特征在于：定子铁心采用冷轧、高频电工钢片叠压而成，采用斜槽结构，两端设有端板以限制齿涨，并采用斜角拉板焊接的方式与两端的压圈固定为坚固的整体；定子绕组为斜槽成型硬绕组；采用斜槽结构可以有效的改善电动势波形和减小磁极表面的损耗。

9.根据权利要求1或2或3所述的一种大功率高速磁悬浮永磁电机，其特征在于：永磁体选取了对温度敏感性不高、剩磁相对较高的钐钴材料，可以实现在一定运行温度范围内其输出功率波动小，同时也减小电机由温度高导致的失磁风险。

10.根据权利要求1或2或3所述的一种大功率高速磁悬浮永磁电机，其特征在于：机座（3）外部装配有防尘罩（18）。

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