CN112366911B - 一种永磁轴向磁通磁悬浮电机及风机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种永磁轴向磁通磁悬浮电机及风机，所述电机包括内定子、外定子、内绕组、外绕组、永磁体、基座和转子铁芯。定子铁芯包括内定子和外定子，为采用硅钢片卷绕单边开槽的盘状结构，内定子与外定子之间嵌入永磁体。内定子和外定子的开槽里分别嵌放有内绕组和外绕组。转子铁芯为整块实心钢加工而成，整体为圆盘结构，朝向定子一侧加工有凸起，受到永磁体磁化后形成磁极。本发明通过利用永磁体和轴向磁通的磁路结构的产生稳定的轴向悬浮力，利用两套绕组的独立控制产生稳定的径向悬浮力，克服风机旋转体在旋转过程中的摆动问题及重力影响，利用悬浮力取代轴承；其采用永磁同步电机取代传统异步电机，具有较高的功率因数和良好的调速范围。

Description

一种永磁轴向磁通磁悬浮电机及风机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种永磁轴向磁通磁悬浮电机及风机。
背景技术
随着电机悬浮技术的发展与新型拓扑结构的研究，越来越多的新型工艺与技术被应用于传统风机当中。对于传统吊式安装的风机，叶片偏心、侧向扰动力等因素都会导致电机轴线发生偏转。这种微小的不平衡偏转长期以往对轴承造成了压迫与损伤，使得轴承阻力增大、发生异响、严重时可导致无法使用。电机中的磁悬浮技术很好地解决了轴承易损的问题，通过永磁体与绕组的配合，通过无接触的电磁力将转子悬浮，进而省去轴承部件，避免了轴承易损问题。另一方面，在一些特殊的工业场合中，留给风机的安装空间较为狭小，传统电机结构细长，与扁平状的风扇集成度较差，浪费了安装空间。盘式电机则具有特殊的盘状外形，与风扇本身能够较好地集成在一起，更能适应复杂的安装环境。因此，需要提供一种具有扁平结构且能够实现悬浮的永磁轴向磁通磁悬浮电机及风机来解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种永磁轴向磁通磁悬浮电机，体积小，采用轴向磁通，两套绕组的拓扑结构，利用了轴向磁通电机的单边磁拉力和定转子铁芯间磁阻最小原理，实现磁悬浮，同时使电机结构更加扁平化，解决了轴承易磨损的问题，具有较高的功率因数和较宽的调速范围。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种永磁轴向磁通磁悬浮电机，包括：定子铁芯、绕组、永磁体、基座和转子铁芯，所述定子铁芯包括内定子和外定子，所述绕组包括内绕组和外绕组，所述永磁体设于所述内定子和所述外定子之间，所述内定子、所述外定子和所述永磁体均与所述基座固定连接，所述内定子和所述外定子的同侧面上分别设有内绕组安装槽和外绕组安装槽，所述内绕组与所述外绕组分别设于所述内绕组安装槽和所述外绕组安装槽内，所述基座设有连接轴，所述转子铁芯通过轴承与所述基座的所述连接轴转动连接，所述定子铁芯及转子铁芯均为盘状结构，所述转子铁芯上设有多个凸起组。
可选的，所述转子铁芯为圆盘型，所述多个凸起组均为扇环形结构，所述多个凸起组设于所述转子铁芯朝向定子侧，所述多个凸起组包括内凸起组和外凸起组，所述内凸起组和所述外凸起组的个数相等，且所述内凸起组和所述外凸起组的级数相等，所述内凸起组与所述外凸起组为交错设置，所述转子铁芯凸起对应的圆心角的范围为30°～90°，所述转子铁芯设有连接孔，所述连接孔的内径大于所述连接轴的半径，所述连接轴通过轴承与所述连接孔转动匹配。
可选的，所述永磁体的充磁方向为径向充磁。
可选的，还包括电机控制器，所述电机控制器分别与所述内绕组和所述外绕组电连接。
可选的，所述内绕组和所述外绕组均为三相绕组。
可选的，所述电机控制器的输出端设有6个输出端子，所述电机控制器输出端的其中三个输出端子与所述内绕组电连接，所述电机控制器输出端的另外三个输出端子与所述外绕组电连接。
可选的，所述内定子与所述外定子均为硅钢片卷绕单侧开槽的盘状结构，且所述内定子的半径小于所述外定子的半径。
可选的，所述外定子和所述内定子的截面为L型。
可选的，所述永磁体为环形永磁体或多个瓦片型永磁体拼接组成。
另一方面，本申请还提供一种风机，所述风机包括叶轮和上述的一种永磁轴向磁通磁悬浮电机，所述叶轮与所述转子铁芯同轴固定连接，所述叶轮与所述基座同轴匹配，所述叶轮包括多个弧形叶片和圆盘，所述多个弧形叶片等距圆周设于所述圆盘的外周，所述转子铁芯与所述叶轮均通过轴承与所述基座的所述连接轴转动匹配。
根据本发明提供的具体实施例，本发明具有以下技术效果：
1)本发明提供了一种永磁轴向磁通磁悬浮电机，采用永磁轴向磁通、永磁体励磁和两套绕组的电机结构，利用其单边磁拉力和定转子铁芯间磁阻最小原理，为转子提供悬浮力，取代传统轴承，抑制工作过程中扰动带来的转子偏振摆动，延长了设备的使用寿命；
2)采用永磁同步电机进行驱动，使电机具有较高的功率因数和良好的调速特性，且永磁体在提供轴向悬浮力的同时，还能增大气隙磁密，进而增大电机功率密度；
3)通过对电机中的两套绕组单独控制，可以在调节悬浮力的同时保持电机转矩不变，将悬浮力与转矩解耦；
4)本发明中的结构设计，内定子和外定子设置在同一水平面上，且转子铁芯和基座等均采用盘状结构，最大化地将电机的厚度减小，使电机更加扁平化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还能够根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明提供的一种永磁轴向磁通磁悬浮电机装配叶轮后的结构剖面图。
图2是本发明提供的一种永磁轴向磁通磁悬浮电机装配叶轮后的结构爆炸视图。
图3是本发明提供的一种永磁轴向磁通磁悬浮电机中定子结构剖面图。
图4是本发明提供的一种永磁轴向磁通磁悬浮电机中转子及叶轮结构示意图。
其中，图中附图标记对应为：
1-内定子，2-外定子，3-内绕组，4-外绕组，5-永磁体，6-基座，61-连接轴，7-叶轮，8-转子铁芯，81-连接孔，9-外凸起，10-内凸起。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种永磁轴向磁通磁悬浮电机，体积小，采用轴向磁通，两套绕组的拓扑结构，利用了轴向磁通电机的单边磁拉力和定转子铁芯间磁阻最小原理，实现磁悬浮，同时使电机结构更加扁平化，解决了轴承易磨损的问题，具有较高的功率因数和较宽的调速范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
一种永磁轴向磁通磁悬浮电机，包括定子铁芯、绕组、永磁体5、基座6和转子铁芯8，定子铁芯包括内定子1和外定子2，绕组包括内绕组3和外绕组4，永磁体5设于内定子1和外定子2之间，内定子1、外定子2和永磁体5均与基座6固定连接，内定子1和外定子2的同侧面上分别设有内绕组3安装槽和外绕组4安装槽，内绕组3与外绕组4分别设于内绕组3安装槽和外绕组4安装槽内，基座6设有连接轴61，转子铁芯8通过轴承与基座6的连接轴61转动连接，定子铁芯及转子铁芯8均为盘状结构，转子铁芯8上设有多个凸起组。
进一步地，转子铁芯8为圆盘型，铁芯由整块实心钢加工而成，多个凸起组均为扇环形结构，多个凸起组设于转子铁芯8朝向定子侧，多个凸起组包括内凸起10组和外凸起9组，内凸起10组和外凸起9组的个数相等，且内凸起10组和外凸起9组的级数相等，内凸起10组与外凸起9组为交错设置，转子铁芯8凸起对应的圆心角的范围为30°～90°。其中，凸起处为某一极性磁极，N或S极，非凸起处为另一极性磁极，磁极凸起与内、外定子铁芯有相同的半径；内、外定子铁芯对应的凸起相互交错设置，具体指的是，同一角度位置下，转子铁芯内侧为凸起时，外侧无凸起，反之，外侧存在凸起。转子外部的凸起受永磁体磁化，形成S极性磁极，内部凸起形成N极性磁极。转子凸起在永磁体5励磁影响下，作为磁极与电枢绕组作用，产生转矩，驱动电机。其本质为定子永磁励磁的同步电动机。永磁体5在提供励磁的同时，也会产生对转子的吸引力，结合轴向磁通的磁路结构，该吸引力垂直向上，为轴向上的悬浮力。其可以使转子在轴向方向实现稳定的悬浮。
进一步地，转子铁芯8设有连接孔81，连接孔81的内径大于连接轴61的半径，连接轴61通过轴承与连接孔81转动匹配。工作时，转子受到稳定的悬浮力悬浮，轴承起到保护作用，防止扰动力过大发生破坏。不工作时，绕组不通电，不能产生稳定的悬浮，依靠轴承起到固定作用。
进一步地，永磁体5的充磁方向为径向充磁。永磁体5为环形永磁体5或多个瓦片型永磁体5拼接组成。永磁体由于采用径向充磁的充磁方式，其磁通依次经过外定子铁芯、转子铁芯与内定子铁芯，构成闭合回路。整个回路的磁阻主要存在于转子铁芯与内、外定子间的气隙中，根据磁阻最小原理，气隙长度有减小的趋势，使得定子铁芯与转子铁芯之间存在吸引力。通过合理地设计磁路结构与转子重量，该吸引力可以实现转子在平衡位置沿轴向方向上的稳定悬浮。
进一步地，还包括电机控制器，电机控制器分别与内绕组3和外绕组4电连接。其中，内绕组3和外绕组4均为三相绕组。电机控制器的输出端设有6个输出端子，电机控制器输出端的其中三个输出端子与内绕组3电连接，电机控制器输出端的另外三个输出端子与外绕组4电连接。转子铁芯8上的凸起与定子铁芯相对，当转子铁芯8沿径向偏离平衡位置的时候，电枢绕组的电流除了产生工作用的额定转矩外，还会产生径向的悬浮力，将转子拉回到平衡位置。内绕组3和外绕组4都可以产生转矩和径向悬浮力，由于径向悬浮力与转矩相互耦合，单套绕组增大悬浮力的同时必然会影响转矩，当采用两套绕组的时候，可以通过配合两套绕组的电流大小，实现稳定悬浮的同时不对转矩产生影响。两者产生的转矩与悬浮力方向相同，大小与各自通入电流大小相关，互不影响。独立控制两套绕组通入电流的大小，可以实现调节径向悬浮力的同时，保持稳定的转矩。
内定子1与外定子2均为硅钢片卷绕单侧开槽的盘状结构，且内定子1的半径小于外定子2的半径。外定子2和内定子1的截面为L型。
实施例2：
参阅图1-图4，本申请还提供了一种风机，包括叶轮7和上述的一种永磁轴向磁通磁悬浮电机，叶轮7与转子铁芯8同轴固定连接，叶轮7与基座6同轴匹配，叶轮7包括多个弧形叶片和圆盘，多个弧形叶片等距圆周设于圆盘的外周，转子铁芯8与叶轮7均通过轴承与基座6的连接轴61转动匹配。
本发明具有以下技术效果：
1)本发明提供了一种永磁轴向磁通磁悬浮电机，采用永磁轴向磁通、永磁体励磁和两套绕组的电机结构，利用其单边磁拉力和定转子铁芯间磁阻最小原理，为转子提供悬浮力，取代传统轴承，抑制工作过程中扰动带来的转子偏振摆动，延长了设备的使用寿命；
2)采用永磁同步电机进行驱动，使电机具有较高的功率因数和良好的调速特性，且永磁体在提供轴向悬浮力的同时，还能增大气隙磁密，进而增大电机功率密度；
3)通过对电机中的两套绕组单独控制，可以在调节悬浮力的同时保持电机转矩不变，将悬浮力与转矩解耦；
4)本发明中的结构设计，内定子和外定子设置在同一水平面上，且转子铁芯和基座等均采用盘状结构，最大化地将电机的厚度减小，使电机更加扁平化。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种永磁轴向磁通磁悬浮电机，其特征在于，包括定子铁芯、绕组、永磁体（5）、基座（6）和转子铁芯（8），所述定子铁芯包括内定子（1）和外定子（2），所述绕组包括内绕组（3）和外绕组（4），所述永磁体（5）设于所述内定子（1）和所述外定子（2）之间，所述内定子（1）、所述外定子（2）和所述永磁体（5）均与所述基座（6）固定连接，所述内定子（1）和所述外定子（2）的同侧面上分别设有内绕组（3）安装槽和外绕组（4）安装槽，所述内绕组（3）与所述外绕组（4）分别设于所述内绕组（3）安装槽和所述外绕组（4）安装槽内，所述基座（6）设有连接轴（61），所述转子铁芯（8）通过轴承与所述基座（6）的所述连接轴（61）转动连接，所述定子铁芯及转子铁芯（8）均为盘状结构，所述转子铁芯（8）上设有多个凸起组,所述多个凸起组设于所述转子铁芯（8）朝向定子侧，所述多个凸起组包括内凸起（10）组和外凸起（9）组，所述内凸起（10）组和所述外凸起（9）组的个数相等，且所述内凸起（10）组和所述外凸起（9）组的级数相等，所述内凸起（10）组与所述外凸起（9）组为交错设置，凸起在永磁体励磁影响下，作为磁极与电枢绕组作用，产生转矩。
2.根据权利要求1所述的一种永磁轴向磁通磁悬浮电机，其特征在于，所述转子铁芯（8）为圆盘型，所述多个凸起组均为扇环形结构，所述转子铁芯（8）凸起对应的圆心角的范围为30°~90°，所述转子铁芯（8）设有连接孔（81），所述连接孔（81）的内径大于所述连接轴（61）的半径，所述连接轴（61）通过轴承与所述连接孔（81）转动匹配。
3.根据权利要求1所述的一种永磁轴向磁通磁悬浮电机，其特征在于，所述永磁体（5）的充磁方向为径向充磁。
4.根据权利要求1所述的一种永磁轴向磁通磁悬浮电机，其特征在于，还包括电机控制器，所述电机控制器分别与所述内绕组（3）和所述外绕组（4）电连接。
5.根据权利要求4所述的一种永磁轴向磁通磁悬浮电机，其特征在于，所述内绕组（3）和所述外绕组（4）均为三相绕组。
6.根据权利要求5所述的一种永磁轴向磁通磁悬浮电机，其特征在于，所述电机控制器的输出端设有6个输出端子，所述电机控制器输出端的其中三个输出端子与所述内绕组（3）电连接，所述电机控制器输出端的另外三个输出端子与所述外绕组（4）电连接。
7.根据权利要求1所述的一种永磁轴向磁通磁悬浮电机，其特征在于，所述内定子（1）与所述外定子（2）均为硅钢片卷绕单侧开槽的盘状结构，且所述内定子（1）的半径小于所述外定子（2）的半径。
8.根据权利要求7所述的一种永磁轴向磁通磁悬浮电机，其特征在于，所述外定子（2）和所述内定子（1）的截面为L型。
9.根据权利要求1所述的一种永磁轴向磁通磁悬浮电机，其特征在于，所述永磁体（5）为环形永磁体（5）或多个瓦片型永磁体（5）拼接组成。
10.一种风机，其特征在于，包括叶轮（7）和如权利要求1-9任一项所述的一种永磁轴向磁通磁悬浮电机，所述叶轮（7）与所述转子铁芯（8）同轴固定连接，所述叶轮（7）与所述基座（6）同轴匹配，所述叶轮（7）包括多个弧形叶片和圆盘，所述多个弧形叶片等距圆周设于所述圆盘的外周，所述转子铁芯（8）与所述叶轮（7）均通过轴承与所述基座（6）的所述连接轴（61）转动匹配。
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