CN116131563B - 一种抵抗单边轴推力的超高速永磁磁悬浮电机及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抵抗单边轴推力的超高速永磁磁悬浮电机，本发明还公开了一种抵抗单边轴推力的超高速永磁磁悬浮电机的设计方法，主要应用领域包含但不限于风筒、吸尘器等需要使用超高速电机的场合，旨在解决超高速风筒电机固有存在的单边轴推力和高频激振两大弊端。该电机包括壳体、定子组件、同心圆环状永磁体电机转子、具有导磁性的电机转轴、普通的轴承和永磁磁悬浮轴承，独特性在于电机采用永磁磁悬浮设计，电机转子在超高速旋转过程中产生的陀螺效应可使电机形成单自由度进动，永磁磁悬浮轴承巧妙结合该进动形成单自由度轴向拉力，以抵消超高速旋转叶片产生的固有轴推力，消除超高速电机转子激振，延长电机寿命，提高效率，提升运行品质。
Description
技术领域
本发明属于电机领域，具体涉及一种抵抗单边轴推力的超高速永磁磁悬浮电机，还涉及一种抵抗单边轴推力的超高速永磁磁悬浮电机的设计方法，应用于包含但不限于风筒、吸尘器、压缩机和无人机驱动等需要使用高速和超高速驱动电机的场景。
背景技术
超高速电机一般是指旋转转速超过10,000rpm的无刷电机，而应用于风筒和吸尘器等领域的超高速永磁驱动电机，其旋转转速一般超过100,000rpm。常规转速(例如0～3000rpm)电机在运行中的诸多问题在超高速运行状态下会被数十倍甚至数百倍放大，这不仅会极大影响电机的运行品质，更严峻的会给电机稳定可靠运行带来巨大挑战，甚至是烧毁整个电机驱动系统。因此，电机的结构稳定性成为保障超高速电机稳定运行的重要因素。
在风筒、吸尘器等超高速电机应用场合，电机作为硬件系统组件中的核心部件，不仅要考虑电机本体的运行特征，还要考虑其作为核心部件整合到风筒系统中的多物理场耦合关系，如流体—力、电磁—力、电磁—力—热等耦合关系。更要考虑电机在超高速旋转中产生的陀螺进动效应。根据应用场合的具体特征来综合考虑超高速电机的多物理场耦合关系并形成设计与实施方案，是保障电机稳定可靠运行的关键因素。
传统的超高速电机均采用双侧双轴承支撑结构，即在电机转子两侧放置轴承。该结构需要电机转子两侧定位，或者是两侧轴承处均设有电机端盖或是类似于电机端盖的机械结构。该类型电机有几大弊端：一、电机转子定位零件多，硬件成本高；二、电机须装配完成后集成到风筒中做二次定位装配，重复定位精度变差且导致安装成本偏高；三、一般高速电机转子运行的机械摩擦产生大量热量，但电机本体设置前后端盖后，不利于电机散热，而超高速电机的散热问题是电机保证运行性能的关键核心问题之一，不利于散热的结构显然会降低电机功率的输出，使电机难以做到小型化、超高速和高功率密度；四、转轴连接风叶之后，在风叶的超高速旋转中会形成与出风方向相反的固有轴推力，该轴推力与风叶的选旋转速度直接正相关，即电机转速越高，轴承所受的单边轴推力越大，轴承越容易磨损失效，轴承的使用寿命呈指数衰减。申请号为201880066229.1的专利，提出了一种应用于风筒的超高速电机，以风道内壁固定轴承外圈，省去传统方案中的前后端盖，克服了上述弊端中的一、二、三点，但无法克服第四点。该专利采用双侧双轴承支撑结构的组装工艺比较复杂，由于其利用风道内壁固定轴承外圈，即轴承与定子外径同尺寸，这使得转子双侧轴承必须从定子两侧压入并定位，且须保障与定子线圈的有效绝缘距离，这无疑提升了工艺复杂度。
申请号为202010964462.0的专利提出了一种应用于风筒的超高速电机，同样以风道内壁固定轴承外圈，所不同的是该专利采用了单侧双轴承支撑结构，轴承均在转子一侧并靠近风叶，相比于上述专利，该结构显然能实现轴承的单边压入定位，大大简化组装工艺，且轴承的散热效果要优于上述专利。该专利也能克服上述弊端中的一、二、三点，同样无法克服第四点，同时，该专利的单侧双轴承支撑结构使得电机转子如同悬臂梁一样产生一定的挠度，挠度又会使得电机转子位置偏移中心位造成径向磁场拉力分布不均匀，从而形成叠加的偏心力，加之转子的高速旋转因素，这种叠加力的作用会越来越严重，造成转子未安装轴承的一侧沿圆周方向上作行波振动。该行波振动会与轴向上的单边轴推力叠加作用于电机转子，这不仅会明显增加电机的振动噪音，还会大大降低轴承寿命，严重影响电机使用效果和用户体验。图1是单侧双轴承支撑结构产生单边轴推力和产生行波振动叠加力的示意图。
综上，克服上述诸多弊端并提出有效解决方案，成为本领域亟待解决的重要问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述问题，提供一种抵抗单边轴推力的超高速永磁磁悬浮电机，还提供一种抵抗单边轴推力的超高速永磁磁悬浮电机的设计方法，稳定可靠，易于生产。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种抵抗单边轴推力的超高速永磁磁悬浮电机，包括壳体，壳体包括内套筒和套设于内套筒外的外套筒，内套筒的外壁通过连接壁与外套筒的内壁固定连接，所述内套筒和外套筒之间形成有风道，内套筒包括安装筒部、轴套、以及限位挡环，安装筒部一端与永磁磁悬浮轴承套连接，永磁磁悬浮轴承套内壁设置有永磁磁悬浮轴承固定部分，安装筒部另一端与轴套一端连接，限位挡环设置在轴套另一端内壁，电机定子的外壁与安装筒部的内壁连接，电机定子套设于电机转子外部，电机转子套设固定于电机转轴中部，电机转轴贯穿安装筒部、轴套、以及限位挡环且一端与风叶连接，电机转轴另一端套设固定有与永磁磁悬浮轴承固定部分相对设置的永磁磁悬浮轴承活动部分。
如上所述一种抵抗单边轴推力的超高速永磁磁悬浮电机，还包括轴承，轴承内圈套设固定在电机转轴上，轴承外圈与轴套内壁固定。
如上所述一种抵抗单边轴推力的超高速永磁磁悬浮电机，还包括弹簧，弹簧位于轴套内，弹簧套设在电机转轴上，且弹簧两端分别与轴承和限位挡环相抵。
如上所述轴套的外径小于安装筒部的外径，轴套的外壁与外套筒内壁之间为容置腔，容置腔的外径大于风叶的外径。
如上所述风叶包括叶片基轮和周向设于叶片基轮径向方向上的叶片，所述叶片基轮呈罩设在轴套端部的筒状，叶片完全嵌入到容置腔中。
如上所述电机转子为同心圆环状永磁体。
如上所述叶片基轮的外端面设置倒角。
如上所述轴承的外圈在轴套中设置了轴向停止位。
一种所述抵抗单边轴推力的超高速永磁磁悬浮电机的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据电机转轴的转速、风叶和风道的模型数据，通过仿真计算得出风道的风速，计算出风道内风压数值以及风叶作用于电机转轴上的单边轴推力Fs，单边轴推力Fs与风叶的出风方向相反；
步骤二、通过仿真计算电机转轴、电机转子、风叶的转动惯量I，计算电机转子在设定转速转动时的角动量A和水平翻转力矩M；
步骤三、设置定转子同心偏差，由多物理场耦合方式，通过对电磁场-力的耦合仿真计算，求出电机转子偏心形成的非平衡单边磁场拉力Fr，结合上述转动惯量I、电机转子的角动量A和电机转子的水平翻转力矩M，通过多物理场耦合仿真的方式，计算电机转子在设定转速转动时的振动基频fr和振动幅度S；
步骤四、根据非平衡单边磁场拉力Fr、单边轴推力Fs、电机转子重力的计算值G、以及电机转轴的与水平面的角度，计算永磁磁悬浮轴承活动部分所需承载的轴向力和径向力；
步骤五、设计永磁磁悬浮轴承固定部分和永磁磁悬浮轴承活动部分为相同两片圆环永磁体，永磁磁悬浮轴承固定部分与永磁磁悬浮轴承活动部分的充磁方向一致；
步骤六、设计永磁磁悬浮轴承固定部分和永磁磁悬浮轴承活动部分的内外径、厚度和轴向间距，使得永磁磁悬浮轴承固定部分和永磁磁悬浮轴承活动部分的吸力抵消电机转轴所需承受的轴向力，永磁磁悬浮轴承径向微偏差带来的回归同心点的力的最大值大于永磁磁悬浮轴承活动部分所需承载的径向力的3倍；
步骤七、轴承的外圈在轴套中设置轴向停止位；
步骤八、计算和测量永磁磁悬浮轴承固定部分和永磁磁悬浮轴承活动部分的温升与散热情况。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1.本发明永磁磁悬浮轴承固定部分和永磁磁悬浮轴承活动部分通过磁力连接，轴承的外圈在轴套中设置了轴向停止位，高速电机的单边轴推力可以被有效消除，带来的直接好处就是消除高速电机轴承单边推力，使其使用寿命大幅提升；
2.本发明永磁磁悬浮轴承固定部分和永磁磁悬浮轴承活动部分通过磁力连接，轴承的外圈在轴套中设置了轴向停止位，高速电机转子由刚性的双轴承支撑变为刚性加柔性的支撑，带来的直接好处就是高速电机转子的固有偏心可以根据转速和角动量自适应调整，高速电机的运行噪音和振动将会大幅降低，无需重复定位使精度得到保证，同时降低了安装成本；
3.本发明永磁磁悬浮轴承固定部分和永磁磁悬浮轴承活动部分通过磁力连接，轴承的外圈在轴套中设置了轴向停止位，高速电机转子由刚性的双轴承支撑变为刚性加柔性的支撑，带来的直接好处就是高速电机转子运行的机械摩擦会大幅降低，电机运行效率会有显著提升，发热会有显著降低，从源头解决高速电机的散热问题，同时高速电机的极限运行速度也将会提升；
4.组件少，结构简单，硬件成本低，工艺流程简化，实施结果简单可靠。
附图说明
图1是单侧双轴承支撑结构产生单边轴推力和激振力的示意图，其中F为单边轴推力，f为偏心力；
图2是本发明的结构剖视图；
图3是本发明中单边永磁磁悬浮轴承的结构及安装的放大示意图；
图4是本发明的具体实施例分解示意图；
其中：1—永磁磁悬浮轴承套；2—壳体；201—内套筒；202—外套筒；201a—安装筒部、201b—轴套、201c—限位挡环；3—电机定子；4—电机转子；5—轴承；6—弹簧；7—风叶；8—永磁磁悬浮轴承固定部分；9—永磁磁悬浮轴承活动部分；10—电机转轴；11—容置腔。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例并参照附图，对本发明作进一步的详细描述，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并非是对本发明的限制。
实施例1
一种抵抗单边轴推力的超高速永磁磁悬浮电机，包括壳体2、转子组件和定子组件，转子组件和定子组件设置于壳体2内。
壳体2包括内套筒201和套设于内套筒201外的外套筒202，内套筒201的外壁通过连接壁与外套筒202的内壁固定连接，所述内套筒201和外套筒202之间形成有风道，内套筒201包括安装筒部201a、轴套201b、以及限位挡环201c，安装筒部201a一端与永磁磁悬浮轴承套1连接，永磁磁悬浮轴承套1内壁设置有永磁磁悬浮轴承固定部分8，安装筒部201a另一端与轴套201b一端连接，限位挡环201c设置在轴套201b另一端内壁。
转子组件包括电机转子4和电机转轴10，电机转子4可以为同心圆环状永磁体，电机转子4套设固定于电机转轴10中部，电机转轴10贯穿安装筒部201a、轴套201b、以及限位挡环201c且一端与风叶7连接，电机转轴10另一端套设固定有与永磁磁悬浮轴承固定部分8相对设置的永磁磁悬浮轴承活动部分9，永磁磁悬浮轴承固定部分8和永磁磁悬浮轴承活动部分9通过磁力吸引，但是不接触，使得电机转轴10设置有永磁磁悬浮轴承活动部分9的端部悬浮，永磁磁悬浮轴承固定部分8和永磁磁悬浮轴承活动部分9均为圆环永磁体。设置在安装筒部201a内的电机转子4套设固定在电机转轴10中部，轴承5内圈套设固定在电机转轴10上，轴承5外圈与轴套201b内壁固定，轴承5对电机转轴10进行支撑，在永磁磁悬浮轴承固定部分8和永磁磁悬浮轴承活动部分9的支撑作用，以及轴承5的支撑作用下，电机转轴10可被支撑转动。本发明中电机转子4在超高速旋转过程中产生的陀螺效应可使电机形成单自由度进动，永磁磁悬浮轴承巧妙结合该进动形成单自由度轴向拉力，以抵消超高速旋转叶片产生的固有轴推力，消除超高速电机转子4激振，从而延长电机寿命。弹簧6位于轴套201b内，弹簧6套设在电机转轴10上，且弹簧6两端分别与轴承5和限位挡环201c相抵。弹簧6起限位保持作用，保持轴承5在轴套201b中的相对位置，防止长期运行时轴承出现位移。
轴套201b的外径小于安装筒部201a的外径，轴套201b的外壁与外套筒202内壁之间为容置腔11，容置腔11的外径略大于风叶7的外径，本实施例中，容置腔的外径大于风叶7的外径0.2～0.3mm，风叶7包括叶片基轮和周向设于叶片基轮径向方向上的叶片，所述叶片基轮呈罩设在轴套201b端部的筒状。叶片完全嵌入到容置腔11中。
定子组件包括电机定子3和绕制在电机定子3上的绕组线圈，电机定子3的外壁与安装筒部201a的内壁连接，电机定子3套设于电机转子4外部。电机转子4在电机定子3内可随电机转轴10转动。电机定子3沿径向包括两层壁，两层壁之间区域由多个径向隔板分隔的子空间作为绕组线圈的容纳腔，绕组线圈沿电机定子3的周向均匀间隔设于电机定子3各容纳腔的内部。导线采用如铜线或者铝线。
电机转子4内壁与电机转轴10外壁存在一定的尺寸间隙，一般设置为0.01～0.05mm，该尺寸间隙以胶水进行填充，且电机转轴10采取机械加工方法打防滑条或滚防滑纹以保证其表面粗糙，有效防止电机转子4滑动或滑脱。
轴套201b的核心作用是在轴向方向上固定电机转轴10右端的轴承5的外圈，防止永磁磁悬浮轴承活动部分9向左端滑动，轴套201b内壁与电机转轴10右端的轴承5的外圈采取滑动配合的方式连接，滑动公差控制在0.02mm以内。轴套201b内壁与轴承5滑动配合安装后，通过胶水进行固定。
为了提高进风效率，用于安装风叶7的叶片的容置腔11的外径与风叶7的外径十分接近，两者间隙差控制在0.3mm以内，在轴向尺寸上，风叶7的叶片的旋转截面要内置于容置腔11内，内置深度范围为1～4mm。
叶片基轮有导风曲面设计(即在叶片基轮的外端面设置倒角，朝向电机外部的端面为外端面，相当于在通风涵道上进行了一个扩大入口设计)，该导风曲面的轴向切面有明显的圆弧面、倒角面或者有利于减小风阻的其他曲面结构。
本发明的实施例可作为风筒和吸尘器驱动电机使用，旋转转速超过100000rpm，本实施例超高速电机转速为130000rpm。
在克服现有超高速风筒电机固有的单边轴推力和行波振动两大弊端上，本发明创造性提出了电机转轴10左端为柔性永磁磁悬浮，轴承5的外圈在轴套201b中设置了轴向停止位。
实施例2
一种实施例1所述抵抗单边轴推力的超高速永磁磁悬浮电机的设计方法，包括以下步骤：
步骤一、根据电机转轴10的转速n＝130,000rpm、风叶7和风道的模型数据，通过仿真计算得出风道的风速为Vf＝70.4m/s，从而计算出风道内风压数值以及风叶7作用于电机转轴10上的单边轴推力Fs＝13.4N，单边轴推力Fs与风叶7的出风方向相反；本实施例在图2中，单边轴推力向右，风叶7的出风方向向左。
步骤二、通过仿真计算电机转轴10、电机转子4、风叶7的转动惯量I，计算电机转子4在超高转速n＝130,000rpm时的角动量A和水平翻转力矩M，以便后续步骤结合电机转子4产生的非平衡单边磁场拉力Fr用以计算电机转子4产生的振动情况；
步骤三、设置由组装工艺偏差造成的定转子同心偏差(如0.02mm)，由多物理场耦合方式，通过对电磁场—力的耦合仿真计算，求出电机转子4偏心形成的非平衡单边磁场拉力Fr＝4.54N，结合上述转动惯量I、电机转子4的角动量A和电机转子4的水平翻转力矩M，通过多物理场耦合仿真的方式计算其在电机转子4转速为n＝130,000rpm时的振动基频fr＝2167Hz和振动幅度S＝0.114mm；
步骤四、根据非平衡单边磁场拉力Fr、单边轴推力Fs、电机转子4重力的计算值G、以及电机转轴10的与水平面的角度，计算永磁磁悬浮轴承活动部分9所需承载的轴向力和径向力。
当电机工作方向为水平方向时，其中，单边轴推力为上述计算结果Fs＝13.4N，电机转子4重力的计算值为G＝1.44N，从而可以得出永磁磁悬浮轴承活动部分9须承载的径向力Ft＝Fr+G＝5.98N，以及在电机转轴10上需要克服的轴向力即等于单边轴推力Fs＝13.4N；
步骤五、设计永磁磁悬浮轴承，设计方法是：永磁磁悬浮轴承固定部分8和永磁磁悬浮轴承活动部分9为相同两片圆环永磁体，在本实施例中两片相同的圆环永磁体均外径为12mm，内径为6mm，厚度为2mm，图2中，左侧片即永磁磁悬浮轴承固定部分8，右侧片即永磁磁悬浮轴承活动部分9，永磁磁悬浮轴承固定部分8与永磁磁悬浮轴承活动部分9的充磁方向一致，均沿电机转轴10的方向；磁场的回路结构为：由永磁磁悬浮轴承固定部分8出发，经由永磁磁悬浮轴承活动部分9，通过电机转轴10，最后闭合回复到永磁磁悬浮轴承固定部分8。图3的箭头仅仅表示永磁磁悬浮轴承固定部分8和永磁磁悬浮轴承活动部分9具有相同的充磁方向，然后它们会产生相吸作用力。
步骤六、设计永磁磁悬浮轴承固定部分8和永磁磁悬浮轴承活动部分9的内外径、厚度和轴向间距，以永磁磁悬浮轴承固定部分8和永磁磁悬浮轴承活动部分9允许安装的最大空间为约束条件进行迭代优化求得，优化目标为：永磁磁悬浮轴承固定部分8和永磁磁悬浮轴承活动部分9的吸力足以抵消电机转轴10所需承受的轴向力，永磁磁悬浮轴承5径向微偏差带来的回归同心点的力与永磁磁悬浮轴承活动部分9须承载的径向力Ft相同且方向相反，永磁磁悬浮轴承5径向微偏差带来的回归同心点的力在径向上要足以覆盖永磁磁悬浮轴承固定部分8和永磁磁悬浮轴承活动部分9所需承受的径向力的安全限，且永磁磁悬浮轴承5径向微偏差带来的回归同心点的力的最大值大于永磁磁悬浮轴承活动部分9所需承载的径向力的3倍，使连接于电机转子4上的永磁磁悬浮轴承活动部分9的行波振动振幅减少80％以上。本实施例中永磁磁悬浮轴承固定部分8和永磁磁悬浮轴承活动部分9的轴向间距为0.8mm至1.0mm之间，永磁磁悬浮轴承活动部分9的行波振动振幅由原来的0.114mm减小至优化迭代后的0.008mm，下降幅度高达93％。
步骤七、轴承5的外圈在轴套201b中设置了轴向停止位，从而避免长期运转中可能出现振动位移的失效模式，保证永磁磁悬浮轴承固定部分8和永磁磁悬浮轴承活动部分9之间的轴向间距始终保持在安全范围之内。
步骤八、计算和测量永磁磁悬浮轴承固定部分8和永磁磁悬浮轴承活动部分9的温升与散热情况，选用耐热性较好的永磁体材料，防止因永磁体温升过高而导致永磁体失磁，从而造成永磁磁悬浮轴承5失效。
进一步的，电机转轴10采用刚度较好的导磁材料制成，本实施例采用42号马氏体不锈钢。
进一步的，电机定子3可用硅钢片冲压叠压而成，也可以用铁基非晶合金材料(Fe-based amorphous alloys，Fe-Si-B结构)粘接或烧结加工成型，若电机定子3冲片采用高导磁硅钢片冲压，则优选使用0.25mm及以下厚度尺寸，本实施例采用0.15mm厚度的硅钢片。
进一步的，永磁磁悬浮轴承固定部分8和永磁磁悬浮轴承活动部分9的永磁体优先选用钕铁硼永磁材料制成，本实施例采用牌号为N38SH的钕铁硼永磁材料。
进一步的，永磁磁悬浮轴承固定部分8的外径和永磁磁悬浮轴承活动部分9的外径尺寸比值范围为：0.5～2.5；永磁磁悬浮轴承固定部分8的轴向厚度和永磁磁悬浮轴承活动部分9的轴向厚度比值范围为：0.5～2。
本发明除了在风筒、吸尘器等领域应用外，还可应用于压缩机、无人机、电涵道、曝气机驱动等领域。本发明主要针对各类高速风机或者类似于高速旋桨方面的超高速电机应用领域，其实施效果显著。
本发明并不限于上述实施方式，上述实施例仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思进行限定，上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，本领域技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种抵抗单边轴推力的超高速永磁磁悬浮电机的设计方法，上述电机包括壳体(2)，壳体(2)包括内套筒(201)和套设于内套筒(201)外的外套筒(202)，内套筒(201)的外壁通过连接壁与外套筒(202)的内壁固定连接，所述内套筒(201)和外套筒(202)之间形成有风道，内套筒(201)包括安装筒部(201a)、轴套(201b)、以及限位挡环(201c)，安装筒部(201a)一端与永磁磁悬浮轴承套(1)连接，永磁磁悬浮轴承套(1)内壁设置有永磁磁悬浮轴承固定部分(8)，安装筒部(201a)另一端与轴套(201b)一端连接，限位挡环(201c)设置在轴套(201b)另一端内壁，电机定子(3)的外壁与安装筒部(201a)的内壁连接，电机定子(3)套设于电机转子(4)外部，电机转子(4)套设固定于电机转轴(10)中部，电机转轴(10)贯穿安装筒部(201a)、轴套(201b)、以及限位挡环(201c)且一端与风叶(7)连接，电机转轴(10)另一端套设固定有与永磁磁悬浮轴承固定部分(8)相对设置的永磁磁悬浮轴承活动部分(9)，
还包括轴承(5)，轴承(5)内圈套设固定在电机转轴(10)上，轴承(5)外圈与轴套(201b)内壁固定，
还包括弹簧(6)，弹簧(6)位于轴套(201b)内，弹簧(6)套设在电机转轴(10)上，且弹簧(6)两端分别与轴承(5)和限位挡环(201c)相抵，
所述轴套(201b)的外径小于安装筒部(201a)的外径，轴套(201b)的外壁与外套筒(202)内壁之间为容置腔(11)，容置腔(11)的外径大于风叶(7)的外径，
所述风叶(7)包括叶片基轮和周向设于叶片基轮径向方向上的叶片，所述叶片基轮呈罩设在轴套(201b)端部的筒状，叶片完全嵌入到容置腔(11)中，
所述电机转子(4)为同心圆环状永磁体，
所述叶片基轮的外端面设置倒角，
所述轴承(5)的外圈在轴套(201b)中设置了轴向停止位，
其特征在于，
上述方法包括以下步骤：
步骤一、根据电机转轴(10)的转速、风叶(7)和风道的模型数据，通过仿真计算得出风道的风速，计算出风道内风压数值以及风叶(7)作用于电机转轴(10)上的单边轴推力Fs，单边轴推力Fs与风叶(7)的出风方向相反；
步骤二、通过仿真计算电机转轴(10)、电机转子(4)、风叶(7)的转动惯量I，计算电机转子(4)在设定转速转动时的角动量A和水平翻转力矩M；
步骤三、设置定转子同心偏差，由多物理场耦合方式，通过对电磁场-力的耦合仿真计算，求出电机转子(4)偏心形成的非平衡单边磁场拉力Fr，结合上述转动惯量I、电机转子(4)的角动量A和电机转子(4)的水平翻转力矩M，通过多物理场耦合仿真的方式，计算电机转子(4)在设定转速转动时的振动基频fr和振动幅度S；
步骤四、根据非平衡单边磁场拉力Fr、单边轴推力Fs、电机转子(4)重力的计算值G、以及电机转轴(10)的与水平面的角度，计算永磁磁悬浮轴承活动部分(9)所需承载的轴向力和径向力；
步骤五、设计永磁磁悬浮轴承固定部分(8)和永磁磁悬浮轴承活动部分(9)为相同两片圆环永磁体，永磁磁悬浮轴承固定部分(8)与永磁磁悬浮轴承活动部分(9)的充磁方向一致；
步骤六、设计永磁磁悬浮轴承固定部分(8)和永磁磁悬浮轴承活动部分(9)的内外径、厚度和轴向间距，使得永磁磁悬浮轴承固定部分(8)和永磁磁悬浮轴承活动部分(9)的吸力抵消电机转轴(10)所需承受的轴向力，永磁磁悬浮轴承活动部分(9)径向微偏差带来的回归同心点的力的最大值大于永磁磁悬浮轴承活动部分(9)所需承载的径向力的3倍；
步骤七、轴承(5)的外圈在轴套(201b)中设置轴向停止位；
步骤八、计算和测量永磁磁悬浮轴承固定部分(8)和永磁磁悬浮轴承活动部分(9)的温升与散热情况。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2492695Y (zh) * | 2001-07-31 | 2002-05-22 | 孙杜华 | 磁悬浮无刷直流风扇马达 |
| CN206035859U (zh) * | 2016-09-21 | 2017-03-22 | 重庆江增船舶重工有限公司 | 一种磁悬浮轴承高速异步电机直驱离心式压气机 |
| CN208935164U (zh) * | 2018-10-25 | 2019-06-04 | 至玥腾风科技投资集团有限公司 | 一种转子系统 |
| CN211351928U (zh) * | 2020-02-13 | 2020-08-25 | 深圳市旋力科技有限公司 | 一种高速电机 |
| CN112072854A (zh) * | 2020-09-15 | 2020-12-11 | 东莞市徕芬电子科技有限公司 | 一种电机 |
| CN113162271A (zh) * | 2021-04-06 | 2021-07-23 | 武汉万至达智能科技有限公司 | 一种可承受超高加速度冲击的永磁无刷电机 |
| CN217632972U (zh) * | 2022-07-14 | 2022-10-21 | 瑞希特(浙江)科技股份有限公司 | 一种低能耗全永磁悬浮轴承磁力泵 |
-
2023
- 2023-01-31 CN CN202310048410.2A patent/CN116131563B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2492695Y (zh) * | 2001-07-31 | 2002-05-22 | 孙杜华 | 磁悬浮无刷直流风扇马达 |
| CN206035859U (zh) * | 2016-09-21 | 2017-03-22 | 重庆江增船舶重工有限公司 | 一种磁悬浮轴承高速异步电机直驱离心式压气机 |
| CN208935164U (zh) * | 2018-10-25 | 2019-06-04 | 至玥腾风科技投资集团有限公司 | 一种转子系统 |
| CN211351928U (zh) * | 2020-02-13 | 2020-08-25 | 深圳市旋力科技有限公司 | 一种高速电机 |
| CN112072854A (zh) * | 2020-09-15 | 2020-12-11 | 东莞市徕芬电子科技有限公司 | 一种电机 |
| CN113162271A (zh) * | 2021-04-06 | 2021-07-23 | 武汉万至达智能科技有限公司 | 一种可承受超高加速度冲击的永磁无刷电机 |
| CN217632972U (zh) * | 2022-07-14 | 2022-10-21 | 瑞希特(浙江)科技股份有限公司 | 一种低能耗全永磁悬浮轴承磁力泵 |
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