CN116336078A - 一种自然电磁磁悬浮与气体动压悬浮组合悬浮轴系 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高速旋转机械技术领域，更具体的说是一种自然电磁磁悬浮与气体动压悬浮组合悬浮轴系，包括定子，所述定子包括分段设置的定子铁心，定子的绕组槽数与相数之比Z/m为偶数，定子上设置有三相绕组，每相绕组都可以形成沿圆周180°对称分布的绕组，产生180°对称的力偶力矩，每个绕组槽的外侧均设置有定子磁极，定子内设置有转子，转子上设置有气浮轴承，转子上设置有分段设置的磁力部件，定子和转子构成自然磁悬浮电机；采用自然电磁悬浮技术配合箔片空气动压轴承技术共同悬浮支承转子轴系，以补充箔片空气动压轴承在极端环境下的性能需求。
Description
技术领域
本发明涉及高速旋转机械技术领域，更具体地说是一种自然电磁磁悬浮与气体动压悬浮组合悬浮轴系。
背景技术
高速旋转机械是能源与动力工程以及精密制造领域的重要装备，主要负责不同类型能量之间的转化。比较有代表性的高速旋转机械如高速电主轴系统，将电能转化为机械能，在精密钻削、铣削加工领域有重要的应用前景。电机驱动的高速涡轮机械，如离心式空气压缩机，将电能转化为叶轮机械能进而转化为高压空气的内能，在高速鼓风机与燃料电池供气系统中起到了关键作用。此外，无电机电能输入的高速旋转机械如涡轮增压器，是将气体动能通过涡轮转化为转子动能进而通过叶轮转化为高压空气的内能。
这些高速旋转机械能够高效、稳定的运行最主要依赖其中轴承-转子系统的优异性能。传统轴承形式如滚动轴承、油脂润滑轴承受到DN值限制，通常不能长时间维持高转速或超高转速的运转，一定程度上影响了旋转机械的寿命与可靠性。而拥有弹性支承结构的箔片气体动压轴承具有低摩擦损耗、无DN值限制、库伦摩擦阻尼的特点，在支承高速、轻载转子轴系时具有显著优势。
近年来，国家为实现碳中和与碳达峰的“双碳”目标，开始着重发展氢能作为替代化石能源的新能源，开展氢燃料电池的研发与产业化。为提高氢燃料电池的燃烧效率，一般需要采用高速离心式空气压缩机为电池的电堆提供高压比的空气，因此空压机是氢燃料电池的“肺”。箔片气体动压轴承则是空压机中的核心零部件，支承转子-叶轮系统高速、稳定运转，一般运行转速也在10万转/分钟以下，一个重要原因是轴承阻尼随转速频率增加而下降。因此轴系在更高转速运行条件下有失稳的风险。另外，氢燃料电池应用场景通常为具有高机动特性的运输工具，在工作过程中箔片气体动压轴承会承受长时间不同程度的冲击与随机振动，同时在频繁启停过程中也面临表面涂层磨损失效的风险。这些重要需求为箔片空气轴承或轴承-转子-电机系统的性能提出了严峻挑战。
发明内容
本发明的目的是提供一种自然电磁磁悬浮与气体动压悬浮组合悬浮轴系，采用自然电磁悬浮技术配合箔片空气动压轴承技术共同悬浮支承转子轴系，以补充箔片空气动压轴承在极端环境下的性能需求。电机绕组中的所有电流共同参与将电机转子自然悬浮起来，因此所能提供的自然电磁磁悬浮的力很大。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种自然电磁磁悬浮与气体动压悬浮组合悬浮轴系，包括定子，所述定子包括分段设置的定子铁心，定子的绕组槽数与相数之比Z/m为偶数，定子上设置有三相绕组，每相绕组都可以形成沿圆周180°对称分布的绕组，产生180°对称的力偶力矩，每个绕组槽的外侧均设置有定子磁极，定子内设置有转子，转子上设置有气浮轴承，转子上设置有分段设置的磁力部件，定子和转子构成自然磁悬浮电机；
所述定子磁极分布在两个相邻的定子磁极槽内；
所述绕组槽的数量为24，定子磁极的数量为24，定子磁极槽的数量为48，自然磁悬浮电机的相数为3，自然磁悬浮电机的极对数为2；
所述三相绕组中的每相均被分成沿圆周180°对称分布的4对绕组，4对绕组的绕组首端并联，绕组尾端并联，成为8条支路，每相绕组首端产生UVW三相绕组的端口，每相绕组尾端产生UVW三相绕组的中点O，构成三相绕组的U、V、W三相端口和一个三相绕组的中点，形成180°对称并联的并联支路三相绕组；
定子铁心分成三段或三段以上，磁力部件分成三段或三段以上；
所述定子铁心的分段间隙λd＝δ，其中δ为电机的电磁气隙，磁力部件的分段间隙λr＝λd；
所述磁力部件为贴合在转子表面的4极磁钢，4极磁钢的外部设置有非磁导金属套；
所述磁力部件为嵌入转子内部的4极磁钢，转子的外部设置有鼠笼绕组；
所述转子上设置有止推盘，气浮轴承包括径向轴承和止推轴承，径向轴承为设置在转子两端的径向箔片气体动压轴承，止推轴承为设置在止推盘两侧的止推箔片气体动压轴承；
所述径向箔片气体动压轴承包括顶箔片和波箔片，转子侧顶箔片内表面涂有耐磨涂层，顶箔片与转子表面配合形成气隙，波箔片安装于顶箔片与轴承座之间，止推箔片气体动压轴承包括顶箔片和波箔片，止推盘侧顶箔片内表面涂有耐磨涂层，顶箔片与止推盘表面配合形成气隙，波箔片安装于顶箔片与轴承座之间。
本发明的有益效果为：
径向主动自然磁悬浮技术和轴向被动磁悬浮技术，气浮轴承的气体动压悬浮技术，兼有优良的电机同步驱动的功能；不需要额外附件任何传感器和控制器，具有天然、自然的高可靠性和简单性，成本自然也比较低，由于拥有天然的高可靠性，可以提高本发明组合悬浮轴系的转速，由于不需要磁悬浮传感器，得到大幅度简化，强化控制性能和智能诊断等功能；
径向箔片气体动压轴承和止推箔片气体动压轴承为高速、超高速运行的转子轴系提供额外的径向自然悬浮回复力来稳定转子轴系的径向振动，同时也为高速、超高速运行转子轴系提供轴向被动磁悬浮回复力，帮助转子轴系维持在稳态位置；
当径向箔片气体动压轴承和止推箔片气体动压轴承支承的高速、超高速运行转子轴系承受随机与冲击振动时，径向箔片气体动压轴承和止推箔片气体动压轴承提供额外的径向与轴向自然磁悬浮回复力，已达到转子轴系抗冲击、低振动的性能；
径向主动自然磁悬浮和轴向被动磁悬浮作用力能够在转速较低时为转子轴系提供径向与轴向的悬浮力，有助于降低箔片空气动压轴承在启停阶段表面的涂层磨损，延长了径向箔片气体动压轴承和止推箔片气体动压轴承的寿命。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明的自然电磁磁悬浮与气体动压悬浮组合悬浮轴系结构示意图；
图2是本发明的转子表面贴磁钢结构示意图；
图3是本发明的转子内嵌磁钢结构示意图；
图4是本发明的绕组接线结构示意图；
图5是本发明的径向箔片气体动压轴承运行原理示意图；
图6是本发明的径向箔片气体动压轴承结构示意图；
图7是本发明的止推箔片气体动压轴承结构示意图；
图8是本发明的径向箔片气体动压轴承运行原理示意图。
图中：转子1；止推盘2；飞轮3；磁力部件4；定子5；绕组6；径向箔片气体动压轴承7；止推箔片气体动压轴承8；非导磁金属套9；鼠笼绕组10。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1至8所示，下面对一种自然电磁磁悬浮与气体动压悬浮组合悬浮轴系的结构和功能进行详细的说明；
如图1所示，一种自然电磁磁悬浮与气体动压悬浮组合悬浮轴系，包括定子5，所述定子5包括分段设置的定子铁心，定子5的绕组槽数与相数之比Z/m为偶数，定子5上设置有三相绕组，每相绕组都可以形成沿圆周180°对称分布的绕组6，产生180°对称的力偶力矩，每个绕组槽的外侧均设置有定子磁极，定子5内设置有转子1，转子1上设置有气浮轴承，转子1上设置有分段设置的磁力部件4，定子5和转子1构成自然磁悬浮电机；
气浮轴承具有保护定转子1系统及提高高速稳定性等作用，可以为波箔型气体动压轴承，也可以为悬臂型或多滑动梁型等不同类型的箔片气体动压轴承；气浮轴承既起到保护作用，也在正常运行时发挥作用，转速越高其作用越明显，且无机械接触与摩擦；
所述定子磁极分布在两个相邻的定子磁极槽内，所述绕组槽的数量为24，定子磁极的数量为24，定子磁极槽的数量为48，自然磁悬浮电机的相数为3，自然磁悬浮电机的极对数为2；
如图4所示，所述定子Z＝24个定子磁极都占有2个相邻的槽，因此，Z＝24个定子磁极需要占有48槽；为了表达清晰，槽号可以采用双数，例如1号定子磁极占有相邻的1-2号槽、2号定子磁极占有相邻的3-4号槽、3号定子磁极占有相邻的5-6号槽、4号定子磁极占有相邻的7-8以此类推，24号定子磁极占有相邻的47-48号槽；
所述三相绕组中的每相均被分成沿圆周180°对称分布的4对绕组，4对绕组的绕组首端并联，绕组尾端并联，成为8条支路，每相绕组首端产生UVW三相绕组的端口，每相绕组尾端产生UVW三相绕组的中点O，构成三相绕组的U、V、W三相端口和一个三相绕组的中点，形成180°对称并联的并联支路三相绕组；
本发明每相绕组，都有4对180°对称的并联支路，这些180°对称的并联支路中的电流，在转子1和定子5气隙无偏差时，是原理上相同的，定子铁心与转子1之间存在吸引力，在转子1不转动时，转子1和定子5之间的气隙相等，吸引力沿圆周处处相等；当转子1旋转时，180°两侧的气隙必然存在偏差，此时，转子1就会被吸向气隙小的一侧，而气隙小的一侧并联支路的反电势必然变大，电流变小；相反，气隙大的一侧并联支路的反电势变小，电流变大，于是气隙大的一侧径向拉力变大，气隙小的一侧径向拉力变小，必然导致气隙向偏差变小的方向变化，并且使气隙偏差稳定下来。所以转子1旋转起来后，本发明拥有径向自然磁悬浮恢复对中的能力。本发明槽数Z＝24，极对数P＝2，相数m＝3，每相有4对180°对称的并联支路绕组，三相有12对180°对称的并联支路绕组，显然可以从24个方向主动恢复转子1对中；由于当转子1未启动或者未旋转的初始状态时，因反电势为零，而没有径向自然磁悬浮恢复力，永磁转子会被随机吸向气隙小的一侧，因此，转子1未启动旋转时，永磁的转子1是径向不稳定的，因此，本发明中箔片气体动压轴承起到了保护轴承的作用。本发明在不附加任何传感器和控制器的情况下，采用传统电机驱动方法就拥有动态径向自然电磁磁悬浮和被动轴向磁悬浮功能。作为永磁电机本发明电动机自然兼有优良的电机四象限控制功能。
定子铁心分成三段或三段以上，以便获得轴向更大的被动磁悬浮能力，优选的分为9段，绕组4不必随定子铁心分段而分段，定子的绕组4无需配置位置传感器及控制电路，磁力部件分成三段或三段以上，优选为5段或者9段；
所述定子铁心的分段间隙λd＝1～2δ，其中δ为电机的电磁气隙，磁力部件的分段间隙λr＝λd；转子1轴向两端的磁力部件分段间隙为：λrd＝1.5～2λr＝1.5～2λd；这种分段方式使得转子1轴向具有被动悬浮效果；
当λ小于每段的轴向长度1/4至1/5倍时，轴向磁悬浮刚度与分段数n几乎成正比。分段后轴向被动磁悬浮的最大刚度近似为：0.95nK(N/mm)，其中K(N/mm)是单段轴向被动磁悬浮的刚度；但是，磁悬浮的轴向有效工作范围减小了，近似为：0.95λ；
所述磁力部件4为贴合在转子1表面的4极磁钢，4极磁钢的外部设置有非磁导金属套9；非磁导金属套9为导电层，导电层可以类似鼠笼绕组；
所述非磁导金属套9的材料可以是：铝、铜、不锈钢等不导磁金属材料，于是本发明变成了可以感应(异步)启动的同步电机，本发明电机能够异步启动，达到同步转速附近后，自动进入同步电机运行，并且成为真正具有：静态和动态自然电磁磁悬浮的电动机；
所述磁力部件为嵌入转子1内部的4极磁钢，转子1的外部设置有鼠笼绕组10；转子1外圆均匀分布有16根鼠笼导条，当然转子1轴向端部有鼠笼端环，成为有感应启动能力的电机；于是本发明变成了可以感应(异步)启动的同步电机，本发明电机能够异步启动，达到同步转速附近后，自动进入同步电机运行，并且成为真正具有：静态和动态自然电磁磁悬浮的电机；作为永磁电机本发明电动机自然兼有优良的电机四象限控制功能；
所述转子1上设置有止推盘2，气浮轴承包括径向轴承和止推轴承，径向轴承为设置在转子1两端的径向箔片气体动压轴承7，止推轴承为设置在止推盘2两侧的止推箔片气体动压轴承8；径向箔片气体动压轴承7和止推箔片气体动压轴承8受到载荷时能产生弹性变形，这种弹性变形使得径向箔片气体动压轴承7和止推箔片气体动压轴承8具有一定的抗冲击能力，波箔片变形过程还会与轴承座等发生摩擦，动态过程中提供了一定的阻尼；
转子1与径向箔片气体动压轴承7之间的名义间隙小于定子铁心与转子1的平均电磁气隙，转子1在转动或者停止的过程中，定子绕组对转子1不具有自然悬浮的效果，需由径向箔片气体动压轴承7支撑转子1；
所述径向箔片气体动压轴承7包括顶箔片和波箔片，转子侧顶箔片表面涂有耐磨涂层，顶箔片与转子1表面配合形成气隙，波箔片安装于顶箔片与轴承座之间，止推箔片气体动压轴承8包括顶箔片和波箔片，止推盘侧顶箔片表面涂有耐磨涂层，顶箔片与止推盘2表面配合形成气隙，波箔片安装于顶箔片与轴承座之间；
本发明同时适用于低转速与高转速。低速情况下由定子绕组提供主要悬浮力，降低箔片气体动压轴承表面涂层磨损，高速情况下由动压气浮轴承提供主要悬浮力与维持高速稳定性。气悬浮与自然悬浮同时作用使得承载能力与轴系对中性提升。
Claims (10)
1.一种自然电磁磁悬浮与气体动压悬浮组合悬浮轴系，包括定子(5)，其特征在于：所述定子(5)包括分段设置的定子铁心，定子(5)的绕组槽数与相数之比Z/m为偶数，定子(5)上设置有三相绕组，每相绕组都可以形成沿圆周180°对称分布的绕组(6)，产生180°对称的力偶力矩，每个绕组槽的外侧均设置有定子磁极，定子(5)内设置有转子(1)，转子(1)上设置有气浮轴承，转子(1)上设置有分段设置的磁力部件(4)，定子(5)和转子(1)构成自然磁悬浮电机。
2.根据权利要求1所述的一种自然电磁磁悬浮与气体动压悬浮组合悬浮轴系，其特征在于：所述定子磁极分布在两个相邻的定子磁极槽内。
3.根据权利要求2所述的一种自然电磁磁悬浮与气体动压悬浮组合悬浮轴系，其特征在于：所述绕组槽的数量为24，定子磁极的数量为24，定子磁极槽的数量为48，自然磁悬浮电机的相数为3，自然磁悬浮电机的极对数为2。
4.根据权利要求3所述的一种自然电磁磁悬浮与气体动压悬浮组合悬浮轴系，其特征在于：所述三相绕组中的每相均被分成沿圆周180°对称分布的4对绕组，4对绕组的绕组首端并联，绕组尾端并联，成为8条支路，每相绕组首端产生UVW三相绕组的端口，每相绕组尾端产生UVW三相绕组的中点O，构成三相绕组的U、V、W三相端口和一个三相绕组的中点，形成180°对称并联的并联支路三相绕组。
5.根据权利要求1所述的一种自然电磁磁悬浮与气体动压悬浮组合悬浮轴系，其特征在于：定子铁心分成三段或三段以上，磁力部件(4)分成三段或三段以上。
6.根据权利要求5所述的一种自然电磁磁悬浮与气体动压悬浮组合悬浮轴系，其特征在于：所述定子铁心的分段间隙λd＝(1～2)δ，其中δ为电机的电磁气隙，磁力部件的分段间隙λr＝λd。
7.根据权利要求1所述的一种自然电磁磁悬浮与气体动压悬浮组合悬浮轴系，其特征在于：所述磁力部件(4)为贴合在转子(1)表面的4极磁钢，4极磁钢的外部设置有非磁导金属套(9)。
8.根据权利要求1所述的一种自然电磁磁悬浮与气体动压悬浮组合悬浮轴系，其特征在于：所述磁力部件为嵌入转子(1)内部的4极磁钢，转子(1)的外部设置有鼠笼绕组(10)。
9.根据权利要求1所述的一种自然电磁磁悬浮与气体动压悬浮组合悬浮轴系，其特征在于：所述转子(1)上设置有止推盘(2)，气浮轴承包括径向轴承和止推轴承，径向轴承为设置在转子(1)两端的径向箔片气体动压轴承(7)，止推轴承为设置在止推盘(2)两侧的止推箔片气体动压轴承(8)。
10.根据权利要求9所述的一种自然电磁磁悬浮与气体动压悬浮组合悬浮轴系，其特征在于：所述径向箔片气体动压轴承(7)包括顶箔片和波箔片，转子(1)侧顶箔片表面涂有耐磨涂层，顶箔片与转子(1)表面配合形成气隙，波箔片安装于顶箔片与轴承座之间，止推箔片气体动压轴承(8)包括顶箔片和波箔片，止推盘(2)侧顶箔片内表面涂有耐磨涂层，顶箔片与止推盘(2)表面配合形成气隙，波箔片安装于顶箔片与轴承座之间。
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| CN202310256220.XA CN116336078A (zh) | 2023-03-16 | 2023-03-16 | 一种自然电磁磁悬浮与气体动压悬浮组合悬浮轴系 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117329157A (zh) * | 2023-10-07 | 2024-01-02 | 广东省安佳空调制冷有限公司 | 压缩机制造方法、直接双相变液冷、降温及自然冷却方法 |
-
2023
- 2023-03-16 CN CN202310256220.XA patent/CN116336078A/zh active Pending
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