CN112648289A - 一种用于超导爪极电机的径向磁悬浮式转子轴承 - Google Patents

一种用于超导爪极电机的径向磁悬浮式转子轴承 Download PDF

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Abstract

本发明属于电机技术领域，是一种用于超导爪极电机的径向磁悬浮式转子轴承，包括机壳部分(1)和转子部分(2)，机壳部分(1)包括定子背铁(3)、支承定子(4)、支承定子磁极(5)和支承控制绕组(6)；转子部分(2)包括空心转轴(7)、转子磁轭(8)和磁轭爪极(9)。支承定子(4)上加工出支承定子磁极(5)，并缠绕支承控制绕组(6)，与转子磁轭(8)间形成磁悬浮气隙。此结构利用超导爪极电机主磁通(12)经过磁悬浮气隙的特性，将其作为径向磁悬浮轴承的偏置磁通，利用控制绕组(6)实现径向悬浮控制，实现了超导爪极电机与径向磁悬浮轴承的磁路和结构耦合设计，有效缩短了轴向尺寸，提高了超导爪极电机的紧凑性。

Description

一种用于超导爪极电机的径向磁悬浮式转子轴承
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体是一种用于超导爪极电机的径向磁悬浮式转子轴承。
背景技术
随着清洁能源利用技术的不断提高，机载电力系统对电机的要求也日益严苛，特别是对效率、功率及功率密度的需求。超导爪极电机是目前机载电机方案中最具有潜力的形式之一，爪极电机本身具有较高的磁通利用效率，再利用超导材料代替常规爪极电机的铜励磁绕组与电枢绕组，极大地提高了电机的励磁能力与效率，并且其体积和重量将大大缩小。
现有的超导爪极电机的轴承多为常规高速轴承，这极大的限制了超导爪极电机转速的提高，当改用磁悬浮轴承作为径向支承方式时，虽然可以提高超导爪极电机的极限转速，但磁悬浮轴承较大的结构会导致电机有效重量占比降低，并在电机主磁结构上额外增加轴向尺寸。
因此本发明专利针对以上大功率超导爪极电机面临的轴承问题，提出一种用于超导爪极电机的径向磁悬浮式转子轴承，该结构利用超导爪极电机主磁通作为径向磁悬浮轴承的偏置磁通，通过支承控制绕组产生控制磁通，实现转子的径向悬浮，实现了超导爪极电机和径向磁悬浮支承的磁路与结构耦合设计，有效缩短了径向磁悬浮支承转子的轴向尺寸，提高了超导爪极电机的紧凑性。
发明内容
本发明的目的在于：解决现有超导爪极电机的径向磁悬浮轴承与电机主磁结构相互独立，导致电机有效重量占比降低，并额外增加轴向尺寸的问题，本发明提供一种用于超导爪极电机的径向磁悬浮式转子轴承，利用超导爪极电机主磁通经过磁悬浮气隙的特性，将其作为径向磁悬浮轴承的偏置磁通，通过电磁拓扑结构特殊设计，实现电机主磁路与径向磁悬浮磁路的耦合，实现磁悬浮支承方式，并有效缩短径向磁悬浮支承转子的轴向尺寸，降低电机体积与质量。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：包括机壳部分(1)和转子部分(2)，其机壳部分(1)包括定子背铁(3)、支承定子(4)、支承定子磁极(5)、支承控制绕组(6)；其转子部分(2)包括空心转轴(7)、转子磁轭(8)和磁轭爪极(9)。支承定子(4)位于定子背铁上(3)与转子磁轭(8)相接的部分，加工出支承定子磁极(5)结构，缠绕支承控制绕组(6)，并与转子磁轭(8)间形成磁悬浮气隙；转子磁轭(8)与空心转轴(7)相装配，两只磁轭上的磁轭爪极(9)在空间交错分布，配合固定的超导励磁绕组(11)形成旋转磁场，并且利用超导爪极电机主磁通(12)经过磁悬浮气隙的特性，将其作为径向磁悬浮轴承的偏置磁通，利用支承控制绕组(6)产生控制磁通(13)，实现转子的径向悬浮，实现超导爪极电机转子的悬浮轴承与电机主体结构的统一。
所述定子背铁(3)、支承定子(4)、支承定子磁极(5)采用高饱和导磁材料，作为超导爪极电机主磁通(12)和控制磁通(13)的主要载体，将转子内部的爪极电机主磁通经径向的磁悬浮气隙和支承定子磁极(5)磁路导流入支承定子(4)，再经支承定子(4)导流入定子背铁(3)，与转子磁路形成轴向环绕闭合磁路。
所述支承定子磁极(5)部分包括4×P个磁极(P≥1)，支承定子磁极(5)作为超导爪极电机定子背铁(3)与转子磁轭(8)相接处的结构，是主磁通(12)的重要载体，也是形成磁悬浮气隙的关键，为保证支承定子磁极(5)产生的磁拉力对称平衡并尽量减少各转子磁轭爪极(9)磁密差异，需保证支承定子磁极(5)个数为4×P(P≥1)。
所述转子磁轭(8)和磁轭爪极(9)采用高饱和导磁材料，作为超导爪极电机转子磁路的载体，将超导励磁绕组产生磁通沿一端转子磁轭(8)、磁轭爪极(9)到定子电枢绕组(10)，再到另一端磁轭爪极(9)和转子磁轭(8)，形成转子内部磁通，再通过径向的磁悬浮气隙和支承定子磁极(5)磁路导流入支承定子(4)，与定子背铁(3)磁路形成完整主磁路(12)。
所述磁轭爪极部分(10)包括4×Z个爪极(Z≥1),磁轭爪极(9)作为超导爪极电机转子部分主磁通(12)的主要载体，为减少各磁轭爪极(9)磁密差异并保证支承定子磁极(5)产生的磁拉力对称平衡，需保证磁轭爪极(9)个数为4×Z(Z≥1)。
所述一对支承定子(4)，每个支承定子(4)上相对的支承磁极所缠绕的控制绕组(6)应为串联相接，产生方向一致的控制磁通(13)，以便与偏置磁通形成差动的悬浮磁通控制模式，减小控制绕组(6)的功率需求。
所述转子部分(2)的转轴(8)为空心结构，空心转轴(7)作为转子磁轭(8)的连接结构与传动结构，采用空心设计可以减少转子质量，降低径向磁悬浮所需的磁拉力，从而减小控制磁通(13)，降低控制磁通(13)对主磁通(12)的干扰。
优选的是，机壳(1)和转子(2)的导磁部分，包括定子背铁(3)、支承定子(4)、支承定子磁极(5)、转子磁轭(8)和磁轭爪极(9)采用高饱和导磁材料，定向导磁形成电机主磁通(12)和控制磁通(13)，利用超导爪极电机主磁通(12)经过磁悬浮气隙的特性，将其作为径向磁悬浮轴承的偏置磁通，再通过支承控制绕组产生控制磁通(13)，能够实现超导爪极电机和径向磁悬浮支承的磁路与结构耦合设计，能够有效缩短径向磁悬浮支承转子的轴向尺寸，从而提高超导爪极电机结构的紧凑性。
优选的是，机壳部分(1)的支承定子磁极(5)数量为4×P个(P≥1)，转子部分的磁轭爪极(9)数量为4×Z个(Z≥1)，能够保证支承定子磁极(5)产生的磁拉力对称平衡，保持径向磁悬浮偏置磁场有效，并且减少转子各磁轭爪极(9)的磁密差异，确保电机输出稳定与悬浮稳定。
优选的是，每个支承定子(4)上相对的支承定子磁极(5)所缠绕的控制绕组(6)为串联相接，产生方向一致的控制磁通(13)，与偏置磁通形成差动的磁通控制模式，降低支承控制绕组功率需求，降低控制难度。
优选的是，转轴部分(8)采用空心结构，有效降低了转子结构质量，降低了径向磁悬浮所需的磁拉力，进而减小控制磁通(13)需求，降低控制磁通(13)对主磁通(12)的干扰。
总体而言，本发明提供一种用于超导爪极电机的径向磁悬浮式转子轴承，能够取得下列有效增益：
1、本发明提供一种用于超导爪极电机的径向磁悬浮式转子轴承，机壳(1)和转子(2)的导磁部分采用高饱和导磁材料，定向导磁形成电机主磁通(12)和控制磁通(13)，利用超导爪极电机主磁通(12)经过磁悬浮气隙的特性，将其作为径向磁悬浮轴承的偏置磁通，与支承控制绕组(6)产生的控制磁通(13)耦合，实现径向悬浮，实现了超导爪极电机转子的径向悬浮轴承与电机主体结构的统一和磁路的耦合设计，能够有效缩短径向磁悬浮支承转子的轴向尺寸，提高电机有效重量占比。
2、本发明提供一种用于超导爪极电机的径向磁悬浮式转子轴承，磁轭爪极(9)个数与支承定子磁极(5)个数能够保证支承定子磁极(5)产生的磁拉力对称平衡并减少各磁轭爪极(9)的磁密差异，进而确保电机悬浮稳定与输出稳定。
3、本发明提供一种用于超导爪极电机的径向磁悬浮式转子轴承，相对布置的支承定子磁极(5)所缠绕的控制绕组(6)为串联相接，与偏置磁通形成差动的磁通控制模式，有效降低了支承控制绕组(6)功率需求，并且转轴部分(8)采用空心结构，有效降低了转子结构质量，进一步降低了对磁悬浮拉力的需求，从而减小控制磁通(13)，降低了控制磁通(13)对主磁通(12)的干扰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面对实施例中的附图作简要介绍，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是实施例提供的用于超导爪极电机的径向磁悬浮式转子轴承方案示意图；
图2是实施例提供的用于超导爪极电机的径向磁悬浮式转子轴承方案结构示意图；
图3是实施例提供的用于超导爪极电机的径向磁悬浮式转子轴承支承定子处电机横截面示意图；
图4是实施例提供的用于超导爪极电机的径向磁悬浮式转子轴承支承定子局部结构示意图(略去超导励磁绕组)。
图中，1、机壳部分；2、转子部分；3、定子背铁；4、支承定子；5、支承定子磁极；6、支承控制绕组；7、空心转轴；8、转子磁轭；9、磁轭爪极；10、超导电枢绕组；11、超导励磁绕组；12、主磁通；13、控制磁通。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用以限制本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1和图2分别是实施例提供的一种用于超导爪极电机的径向磁悬浮式转子轴承的方案示意图和结构示意图，包括机壳部分(1)和转子部分(2)，其中：机壳部分(1)包括定子背铁(3)、支承定子(4)、支承定子磁极(5)、支承控制绕组(6)；转子部分(2)包括空心转轴(7)、转子磁轭(8)和磁轭爪极(9)。支承定子(4)位于定子背铁上(3)与转子磁轭(8)相接的部分，加工出支承定子磁极(5)结构，缠绕支承控制绕组(6)，并与转子磁轭(8)间形成磁悬浮气隙；转子磁轭(8)与空心转轴(7)相装配，两只磁轭上的磁轭爪极(9)在空间交错分布，配合固定的超导励磁绕组(11)形成旋转磁场。
所述机壳(1)和转子(2)的导磁部分，包括定子背铁(3)、支承定子(4)、支承定子磁极(5)、转子磁轭(8)和磁轭爪极(9)采用高饱和导磁材料，定向导磁形成电机主磁通(12)和控制磁通(13)，利用超导爪极电机主磁通(12)经过磁悬浮气隙的特性，将其作为径向磁悬浮轴承的偏置磁通，再通过支承控制绕组产生控制磁通(13)，实现径向悬浮，从而实现超导爪极电机和径向磁悬浮支承的磁路与结构耦合设计。
所述机壳部分(1)的支承定子磁极(5)数量为4×P个(P≥1)，转子部分的磁轭爪极(9)数量为4×Z个(Z≥1)，能够保证支承定子磁极(5)产生的磁拉力对称平衡，保持径向磁悬浮偏置磁场有效，并且减小转子各磁轭爪极(9)的磁密差异，确保电机悬浮稳定与输出稳定。
所述每个支承定子(4)上相对布置的支承定子磁极(5)所缠绕的控制绕组(6)为串联相接，产生方向一致的控制磁通(13)，与偏置磁通形成差动的磁通控制模式，降低支承控制绕组功率需求，降低控制难度。
所述转轴部分(8)采用空心结构，能够降低转子结构质量，降低径向磁悬浮所需的磁拉力，从而减小控制磁通(13)，降低控制磁通(13)对主磁通(12)的干扰。
图3和图4分别是实施例提供的用于超导爪极电机的径向磁悬浮式转子轴承支承定子处电机横截面示意图和轴承局部示意图(略去超导励磁绕组)。利用超导爪极电机主磁通(12)经过磁悬浮气隙的特性，将其作为径向磁悬浮轴承的偏置磁通，再通过支承控制绕组(6)产生控制磁通(13)，实现转子的径向悬浮，完成超导爪极电机和径向磁悬浮支承的磁路与结构耦合设计。
以上实施例仅用以清楚说明本发明的技术特点，以便所属领域的普通技术人员容易理解并加以实施，并不用以限制本发明，凡是未脱离本发明精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.本发明是一种用于超导爪极电机的径向磁悬浮式转子轴承，包括机壳部分(1)和转子部分(2)，其特征在于，所述机壳部分(1)包括定子背铁(3)、支承定子(4)、支承定子磁极(5)和支承控制绕组(6)；所述转子部分(2)包括空心转轴(7)、转子磁轭(8)和磁轭爪极(9)；支承定子(4)位于定子背铁上(3)与转子磁轭(8)相接的部分，加工出支承定子磁极(5)结构，缠绕支承控制绕组(6)，并与转子磁轭(8)间形成磁悬浮气隙；此结构利用超导爪极电机主磁通(12)经过磁悬浮气隙的特性，将其作为径向磁悬浮轴承的偏置磁通，并利用支承控制绕组产生控制磁通(13)，实现转子的径向悬浮，实现超导爪极电机与径向磁悬浮轴承的磁路和结构耦合设计。
2.如权利要求1所述的一种用于超导爪极电机的径向磁悬浮式转子轴承，其特征在于，所述支承定子磁极(5)部分包括4×P个磁极(P≥1)且磁轭爪极部分(9)包括4×Z个爪极(Z≥1)，支承定子磁极(5)与磁轭爪极(9)是主磁通(12)的主要载体，为保证支承定子磁极(5)产生的磁拉力对称平衡并减小转子上各磁轭爪极(9)的磁密差异，需保证支承定子磁极(5)个数为4×P(P≥1)且磁轭爪极个数为4×Z(Z≥1)。
3.如权利要求1所述的一种用于超导爪极电机的径向磁悬浮式转子轴承，其特征在于，所述定子背铁(3)、支承定子(4)、支承定子磁极(5)、转子磁轭(8)和磁轭爪极(9)采用高饱和导磁材料以作为超导爪极电机主磁通(12)的主要载体，尤其支承定子(4)和支承定子磁极(5)不仅需要利用电机主磁通(12)作为径向磁悬浮支承的偏置磁通，还需要承载磁悬浮控制磁通(13)：在将转子内部的爪极电机主磁通经径向的磁悬浮气隙和支承定子磁极(5)磁路导流入支承定子(4)，再经支承定子(4)导流入定子背铁(3)，形成环绕闭合主磁路的同时，还需要承载磁悬浮支承控制绕组(6)产生的控制磁通(13)，并且该控制磁通(13)主要流经于支承定子(4)、支承定子磁极(5)和转子磁轭(8)所在横截面内。
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