CN117424414A - 一种带径向辅助励磁的五自由度集成化磁悬浮电机 - Google Patents

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CN117424414A CN202311215094.XA CN202311215094A CN117424414A CN 117424414 A CN117424414 A CN 117424414A CN 202311215094 A CN202311215094 A CN 202311215094A CN 117424414 A CN117424414 A CN 117424414A
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Abstract

本发明公开了一种带有径向辅助励磁的五自由度集成化磁悬浮电机，集成化定子包括位于端盖和圆筒形外壳内侧的轴向定子铁心，轴向定子铁心内侧两端通过两个主永磁环连接两个径向定子铁心，在两个径向定子铁心之间的轴向定子铁心位置通过隔磁环一连接电机定子，径向定子铁心内圆周间隔设置永磁极和悬浮极，永磁极上有辅助永磁体，悬浮极上绕有径向悬浮绕组，轴向定子铁心内侧绕制轴向悬浮绕组。集成化转子包括转轴、悬浮转子铁心、隔磁环二与电机转子铁心。本发明径向气隙偏置磁通由主永磁环和辅助永磁体共同提供，而轴向气隙偏置磁通仅由主永磁环提供，可以分别对五自由度集成化磁悬浮电机的径向和轴向悬浮系统参数进行精准设计，节约材料。

Description

一种带径向辅助励磁的五自由度集成化磁悬浮电机
技术领域
本发明涉及磁悬浮轴承技术领域，具体涉及一种带径向辅助励磁的五自由度集成化磁悬浮电机。
背景技术
磁悬浮轴承是采用电磁力实现转子稳定悬浮的电磁装置，其典型应用是代替机械轴承支承电机转子，实现电机高速高精运行。尤其是采用永磁体产生偏置磁通的混合磁轴承，只当转子偏离定子中心时，才需控制绕组通电产生可控悬浮力将转子拉回平衡位置，具有功耗低、体积小、悬浮力密度大的优点。因此混合磁轴承高速飞轮储能、航空航天发动机、电动汽车、高速电主轴等领域具有重要的应用前景。
采用混合磁轴承支承电机转子稳定悬浮，必须要在五个自由度上实现对转子的主动控制，因此，传统方案是采用多个单自由度轴向混合磁轴承、径向两自由度混合磁轴承、三自由度径向轴向混合磁轴承等组合支承电机转子，导致磁悬浮电机轴向长度太长，临界转速低，工业应用价值不明显。最新发展起来的是将上述的多个混合磁轴承实现集成化，将电机和五自由度悬浮功能集成在一起，即五自由度集成化磁悬浮电机。结构紧凑，大幅度提升悬浮力密度、转矩密度与临界转速，但是，其实现方案都是采用共同永磁体提供一个偏置磁通，这个偏置磁通即经过径向气隙，又经过轴向气隙。导致径向最大悬浮力和轴向最大悬浮力之间、径向磁极面积和轴向磁极面积之间存在固定的比例约束关系。当径向负载与轴向负载比例超过上述限制的时候，就按照满足径向悬浮力指标进行设计，而轴向磁极面积和绕组必然选择的较大，浪费材料，功耗大。
发明内容
本发明提出一种带径向辅助励磁的五自由度集成化磁悬浮电机，由位于径向和轴向定子之间的主永磁环提供的偏置磁通让轴向气隙偏置磁通密度达到饱和磁通密度的一半，而径向气隙偏置磁通密度由在左右永磁极上的辅助永磁体和主永磁环共同作用达到气隙饱和磁通密度的一半，可分别根据径向和轴向悬浮力需求精准设计径向和轴向参数，从整体上减小了磁悬浮电机体积和功耗，充分的利用材料，降低了成本、减小体积与重量。
本发明通过以下技术方案实现：
一种带径向辅助励磁的五自由度集成化磁悬浮电机，其特征在于：包括集成化定子、集成化转子；所述集成化定子沿轴向依次分布左端盖、轴向定子铁心、左侧径向定子铁心、电机定子、右侧径向定子铁心、右端盖；左侧径向定子铁心、右侧径向定子铁心通过左、右侧主永磁环与轴向定子铁心连接，电机定子通过隔磁环一与轴向定子铁心连接；轴向定子铁心与左侧径向定子、右侧径向定子之间绕有轴向悬浮绕组，左侧径向定子、右侧径向定子采用齿槽结构，在其内圆周上均布三个左悬浮极Al、Bl、Cl和三个右悬浮极Ar、Br、Cr和三个左永磁极al、bl、cl和三个右永磁极ar、br、cr，三个左悬浮极Al、Bl、Cl和三个右悬浮极Ar、Br、Cr上分别绕有左、右侧径向悬浮绕组，三个左永磁极al、bl、cl和三个右永磁极ar、br、cr上嵌入左、右侧辅助永磁体；
所述集成化转子由转轴、悬浮转子铁心、隔磁环二和电机转子铁心组成；悬浮转子铁心内侧套接转轴，且其外侧通过隔磁环二连接电机转子铁心。
进一步地，所述左、右主永磁环、左、右辅助永磁体均沿径向充磁。
进一步地，所述左、右侧主永磁环内侧极性与对应的左、右侧辅助永磁体外侧极性相同。
进一步地，所述悬浮转子铁心与轴向定子铁心、左、右侧径向定子之间存在左、右侧轴向气隙、左、右侧径向气隙。
进一步地，所述轴向定子铁心、悬浮转子铁心由实心导磁材料制成，左、右侧径向定子铁心、电机转子铁心由硅钢片叠压而成。
进一步地，左、右主永磁环为左、右侧径向气隙和左、右侧轴向气隙提供径向和轴向偏置磁通，让左、右侧轴向气隙处的气隙磁密达到饱和气隙磁密的一半，三个左悬浮极Al、Bl、Cl和三个右悬浮极Ar、Br、Cr下的左、右侧径向气隙磁密小于饱和气隙磁密的一半。
进一步地，所述左、右侧径向悬浮绕组产生的左、右侧径向悬浮控制磁通在左悬浮极Al、Bl、Cl和右悬浮极Ar、Br、Cr、悬浮转子铁心、左、右侧径向气隙间形成回路；轴向悬浮绕组产生的轴向悬浮控制磁通在轴向定子铁心、左、右侧轴向气隙、悬浮转子铁心间形成回路；左侧主永磁环产生的偏置磁通一从左侧主永磁环的N极出发，经过轴向定子铁心、左侧轴向气隙、悬浮转子铁心、左侧径向气隙、左侧径向定子铁心的左永磁极al、bl、cl回到左侧主永磁环的S极；右侧主永磁环产生的偏置磁通二从右侧主永磁环的N极出发，经过轴向定子铁心、右侧轴向气隙、悬浮转子铁心、右侧径向气隙、右侧径向定子铁心的右永磁极ar、br、cr回到右侧主永磁环的S极；左侧辅助永磁体产生的左径向辅助偏置磁通从左侧辅助永磁体的N极出发，在左永磁极al、bl、cl、左悬浮极Al、Bl、Cl、左侧径向气隙、悬浮转子铁心间形成闭合路径；右侧辅助永磁体产生的右径向辅助偏置磁通从右侧辅助永磁体的N极出发，在右永磁极ar、br、cr、右悬浮极Ar、Br、Cr、右侧径向气隙、悬浮转子铁心间形成闭合路径。
进一步地，参数设计方法步骤如下：
步骤1：选定左、右侧主永磁环、左右侧辅助永磁体的材料，确定气隙饱和磁密Bs，确定各气隙长度，g轴、g左、g右分别为左、右侧轴向气隙与左、右侧径向气隙长度，左、右侧轴向气隙长度相等；
步骤2：根据轴向最大悬浮力F轴、左、右侧径向最大悬浮力F左，F右，且1.5F轴＜F左＝F右，S轴为轴向定子铁心的磁极面积，S左、S右为左、右单个悬浮极的磁极面积，则μ0为真空磁导率，μ0＝4π×10-7H/m；
步骤3：确定左、右侧主永磁环的磁动势Fm左，Fm右：
步骤4：确定左、右侧辅助永磁体需提供的偏置磁通Φ辅左、Φ辅右：
Φ辅左＝0.5BS(S轴-S左)，Φ辅右＝0.5BS(S轴-S右)；
步骤5：确定左、右侧辅助永磁体磁动势F辅左、F辅右：
其中，SA为辅助永磁体所在磁极的单个磁极面积；
步骤6：再让左悬浮极Al、Bl、Cl和右悬浮极Ar、Br、Cr和左永磁极al、bl、cl和右永磁极ar、br、cr面积相等，且Al、Bl、Cl与al、bl、cl面积之和、Ar、Br、Cr与ar、br、cr小于定子内径面积之和设计左右侧辅助永磁体参数；
步骤7：确定轴、径向控制线圈的安匝数N径I径、N轴I轴：
本发明和现有技术相比有以下优点：
本发明在左、右侧主永磁环提供的偏置磁通让轴向气隙偏置磁密达到气隙饱和磁密的一半的前提下，使得径向气隙偏置磁密由辅助永磁体和主永磁环共同作用达到气隙饱和磁密的一半，兼具了交流混合磁悬浮轴承功耗低，悬浮力密度大、磁轴承结构简单，系统造价低，在设计上突破了传统五自由度混合磁轴承轴向和径向最大悬浮力之间的比例约束关系，为设计径向最大悬浮力大于轴向最大悬浮力的五自由度混合磁轴承提供了新的思路。
附图说明
图1为本发明一种带径向辅助励磁的五自由度集成化磁悬浮电机的结构图；
图2为本发明一种带径向辅助励磁的五自由度集成化磁悬浮电机的磁路图；
图3为本发明一种带径向辅助励磁的五自由度集成化磁悬浮电机的径向图；
图4为本发明一种带径向辅助励磁的五自由度集成化磁悬浮电机部分的截面图。
图中：
1、左端盖；2、右端盖；3、筒形外壳；4、轴向定子铁心；5、左侧径向定子铁心；6、右侧径向定子铁心；7、左侧主永磁环；8、右侧主永磁环；9、左侧径向悬浮绕组；10、右侧径向悬浮绕组；11、轴向悬浮绕组；12、隔磁环一；13、隔磁环二；14、电机转子铁心；15电机定子；16、悬浮转子铁心；17、转轴；18、左侧轴向气隙；19、右侧轴向气隙；20、偏置磁通一；21、偏置磁通二；22、轴向悬浮控制磁通；23、左侧径向气隙；24、右侧径向气隙；25、左侧辅助永磁体；26、右侧辅助永磁体；27、左径向辅助偏置磁通；28、右径向辅助偏置磁通；29、左侧径向悬浮控制磁通；30、右侧径向悬浮控制磁通；31、电机绕组。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明公开了一种带径向辅助励磁的五自由度集成化磁悬浮电机，包括集成化定子、集成化转子；集成化定子沿轴向依次分布左端盖1、轴向定子铁心4、左侧径向定子铁心5、电机定子15、右侧径向定子铁心6、右端盖2；左侧径向定子铁心5、右侧径向定子铁心6通过左右侧主永磁环7、8与轴向定子铁心4连接，电机定子15通过隔磁环一12与轴向定子铁心4连接，电机定子15内绕制电机绕组33。轴向定子铁心4与左侧径向定子5、右侧径向定子6之间绕有轴向悬浮绕组11，左侧径向定子5、右侧径向定子6采用齿槽结构，在其内圆周上均布三个左悬浮极Al、Bl、Cl和三个右悬浮极Ar、Br、Cr和三个左永磁极al、bl、cl和三个右永磁极ar、br、cr，Al、Bl、Cl和Ar、Br、Cr上分别绕有左、右侧径向悬浮绕组27、28，al、bl、cl和ar、br、cr上嵌入左、右侧辅助永磁体25、26。
集成化转子由转轴17、悬浮转子铁心16、隔磁环二13和电机转子铁心14组成；悬浮转子铁心16内侧套接转轴17，且其外侧通过隔磁环二13连接电机转子铁心14。
左、右侧主永磁环7、8、左、右侧辅助永磁体25、26均沿径向充磁；两个左右侧主永磁环7、8内侧极性与对应的左、右侧辅助永磁体25、26外侧极性相同。
悬浮转子铁心16与轴向定子铁心4、左、右侧径向定子5，6之间存在左、右侧轴向气隙18、19、左、右侧径向气隙23、24。
轴向定子铁心4、悬浮转子铁心16由实心导磁材料制成，左、右侧径向定子铁心5，6、电机转子铁心14由硅钢片叠压而成。
左、右侧主永磁环7、8为左、右侧径向气隙23、24和左、右侧轴向气隙18、19提供径向和轴向偏置磁通，让左、右侧轴向气隙18、19处的气隙磁密达到饱和气隙磁密的一半，左、右悬浮极Al、Bl、Cl和Ar、Br、Cr下的左、右侧径向气隙23、24磁密小于饱和气隙磁密的一半。
左、右侧径向悬浮绕组9、10产生的左、右侧径向悬浮控制磁通29、30在悬浮极Al、Bl、Cl和Ar、Br、Cr，悬浮转子铁心16、左、右侧径向气隙23、24间形成回路。
轴向悬浮绕组11产生的轴向悬浮控制磁通22在轴向定子铁心4、左、右侧轴向气隙18、19、悬浮转子铁心16间形成回路。
左侧主永磁环7产生的偏置磁通一20从左侧主永磁环7的N极出发，经过轴向定子铁心4、左侧轴向气隙18、悬浮转子铁心16、左侧径向气隙23、左侧径向定子铁心5的左永磁极al、bl、cl回到左侧主永磁环7的S极。右侧主永磁环8产生的偏置磁通二21从右侧主永磁环8的N极出发，经过轴向定子铁心4、右侧轴向气隙19、悬浮转子铁心16、右侧径向气隙24、右侧径向定子铁心6的右永磁极ar、br、cr回到右侧主永磁环8的S极。
左侧辅助永磁体25产生的左径向辅助偏置磁通27从左侧辅助永磁体25的N极出发，在左永磁极al、bl、cl、左悬浮极Al、Bl、Cl、左侧径向气隙23、悬浮转子铁心16间形成闭合路径。右侧辅助永磁体26产生的右径向辅助偏置磁通28从右侧辅助永磁体26的N极出发，在右永磁极ar、br、cr、右悬浮极Ar、Br、Cr、右侧径向气隙24、悬浮转子铁心16间形成闭合路径。
参数设计方法步骤如下：
步骤1：选定左、右侧主永磁环7、8、左右侧辅助永磁体25、26的材料，确定气隙饱和磁密Bs，确定各气隙长度，g轴、g左、g右分别为左、右侧轴向气隙18、19与左、右侧径向气隙23、24长度，左、右侧轴向气隙18、19长度相等。
步骤2：根据轴向最大悬浮力F轴、左、右侧径向最大悬浮力F左，F右，且1.5F轴＜F左＝F右，S轴为轴向定子铁心4的磁极面积，S左、S右为左、右单个悬浮极的磁极面积，则μ0为真空磁导率，μ0＝4π×10-7H/m；
步骤3：确定左、右侧主永磁环7、8的磁动势Fm左，Fm右：
步骤4：确定左、右侧辅助永磁体25、26需提供的偏置磁通Φ辅左、Φ辅右：
Φ辅左＝0.5BS(S轴-S左)，Φ辅右＝0.5BS(S轴-S右)；
步骤5：确定辅助永磁体25、26磁动势F辅左、F辅右：
其中，SA为辅助永磁体所在磁极的单个磁极面积；
步骤6：再让左悬浮极Al、Bl、Cl和右悬浮极Ar、Br、Cr和左永磁极al、bl、cl和右永磁极ar、br、cr面积相等，且Al、Bl、Cl与al、bl、cl面积之和、Ar、Br、Cr与ar、br、cr小于定子内径面积之和设计左右侧辅助永磁体25、26参数。
步骤7：确定轴、径向控制线圈的安匝数N径I径、N轴I轴：
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带径向辅助励磁的五自由度集成化磁悬浮电机，其特征在于：包括集成化定子、集成化转子；所述集成化定子沿轴向依次分布左端盖(1)、轴向定子铁心(4)、左侧径向定子铁心(5)、电机定子(15)、右侧径向定子铁心(6)、右端盖(2)；左侧径向定子铁心(5)、右侧径向定子铁心(6)通过左、右侧主永磁环(7、8)与轴向定子铁心(4)连接，电机定子(15)通过隔磁环一(12)与轴向定子铁心(4)连接；轴向定子铁心(4)与左侧径向定子(5)、右侧径向定子(6)之间绕有轴向悬浮绕组(11)，左侧径向定子(5)、右侧径向定子(6)内圆周上均布三个左悬浮极Al、Bl、Cl和三个右悬浮极Ar、Br、Cr和三个左永磁极al、bl、cl和三个右永磁极ar、br、cr，三个左悬浮极Al、Bl、Cl和三个右悬浮极Ar、Br、Cr上分别绕有左、右侧径向悬浮绕组(9、10)，三个左永磁极al、bl、cl和三个右永磁极ar、br、cr上嵌入左、右侧辅助永磁体(25、26)；
所述集成化转子由转轴(17)、悬浮转子铁心(16)、隔磁环二(13)和电机转子铁心(14)组成；悬浮转子铁心(16)内侧套接转轴(17)，且其外侧通过隔磁环二(13)连接电机转子铁心(14)。
2.根据权利要求1所述的一种带径向辅助励磁的五自由度集成化磁悬浮电机，其特征在于：所述左、右侧主永磁环(7、8)、左、右侧辅助永磁体(25、26)均沿径向充磁。
3.根据权利要求2所述的一种带径向辅助励磁的五自由度集成化磁悬浮电机，其特征在于：所述左、右侧主永磁环(7、8)内侧极性与对应的左、右侧辅助永磁体(25、26)外侧极性相同。
4.根据权利要求1所述的一种带径向辅助励磁的五自由度集成化磁悬浮电机，其特征在于：所述悬浮转子铁心(16)与轴向定子铁心(4)、左、右侧径向定子(5，6)之间存在左、右侧轴向气隙(18、19)、左、右侧径向气隙(23、24)。
5.根据权利要求1所述的一种带径向辅助励磁的五自由度集成化磁悬浮电机，其特征在于：所述轴向定子铁心(4)、悬浮转子铁心(16)由实心导磁材料制成，左、右侧径向定子铁心(5，6)、电机转子铁心(14)由硅钢片叠压而成。
6.根据权利要求4所述的一种带径向辅助励磁的五自由度集成化磁悬浮电机，其特征在于：左、右侧主永磁环(7、8)为左、右侧径向气隙(23、24)和左、右侧轴向气隙(18、19)提供径向和轴向偏置磁通，让左、右侧轴向气隙(18、19)处的气隙磁密达到饱和气隙磁密的一半，三个左悬浮极Al、Bl、Cl和三个右悬浮极Ar、Br、Cr下的左、右侧径向气隙(23、24)磁密小于饱和气隙磁密的一半。
7.根据权利要求6所述的一种带径向辅助励磁的五自由度集成化磁悬浮电机，其特征在于，所述左、右侧径向悬浮绕组(9、10)产生的左、右侧径向悬浮控制磁通(29、30)在左悬浮极Al、Bl、Cl和右悬浮极Ar、Br、Cr、悬浮转子铁心(16)、左、右侧径向气隙(23、24)间形成回路；轴向悬浮绕组(11)产生的轴向悬浮控制磁通(22)在轴向定子铁心(4)、左、右侧轴向气隙(18、19)、悬浮转子铁心(16)间形成回路；左侧主永磁环(7)产生的偏置磁通一(20)从左侧主永磁环(7)的N极出发，经过轴向定子铁心(4)、左侧轴向气隙(18)、悬浮转子铁心(16)、左侧径向气隙(23)、左侧径向定子铁心(5)的左永磁极al、bl、cl回到左侧主永磁环(7)的S极；右侧主永磁环(8)产生的偏置磁通二(21)从右侧主永磁环(8)的N极出发，经过轴向定子铁心(4)、右侧轴向气隙(19)、悬浮转子铁心(16)、右侧径向气隙(24)、右侧径向定子铁心(6)的右永磁极ar、br、cr回到右侧主永磁环(8)的S极；左侧辅助永磁体(25)产生的左径向辅助偏置磁通(27)从左侧辅助永磁体(25)的N极出发，在左永磁极al、bl、cl、左悬浮极Al、Bl、Cl、左侧径向气隙(23)、悬浮转子铁心(16)间形成闭合路径；右侧辅助永磁体(26)产生的右径向辅助偏置磁通(28)从右侧辅助永磁体(26)的N极出发，在右永磁极ar、br、cr、右悬浮极Ar、Br、Cr、右侧径向气隙(24)、悬浮转子铁心(16)间形成闭合路径。
8.根据权利要求1所述的一种带径向辅助励磁的五自由度集成化磁悬浮电机，其特征在于：参数设计方法步骤如下：
步骤1：选定左、右侧主永磁环(7、8)、左右侧辅助永磁体(25、26)的材料，确定气隙饱和磁密Bs，确定各气隙长度，g轴、g左、g右分别为左、右侧轴向气隙(18、19)与左、右侧径向气隙(23、24)长度，左、右侧轴向气隙(18、19)长度相等；
步骤2：根据轴向最大悬浮力F轴、左、右侧径向最大悬浮力F左，F右，且1.5F轴＜F左＝F右，S轴为轴向定子铁心(4)的磁极面积，S左、S右为左、右单个悬浮极的磁极面积，则μ0为真空磁导率，μ0＝4π×10-7H/m；
步骤3：确定左、右侧主永磁环(7、8)的磁动势Fm左，Fm右：
步骤4：确定左、右侧辅助永磁体(25、26)需提供的偏置磁通Φ辅左、Φ辅右：
Φ辅左＝0.5BS(S轴-S左)，Φ辅右＝0.5BS(S轴-S右)；
步骤5：确定左、右侧辅助永磁体(25、26)磁动势F辅左、F辅右：
其中，SA为辅助永磁体所在磁极的单个磁极面积；
步骤6：再让左悬浮极Al、Bl、Cl和右悬浮极Ar、Br、Cr和左永磁极al、bl、cl和右永磁极ar、br、cr面积相等，且Al、Bl、Cl与al、bl、cl面积之和、Ar、Br、Cr与ar、br、cr小于定子内径面积之和设计左右侧辅助永磁体(25、26)参数；
步骤7：确定轴、径向控制线圈的安匝数N径I径、N轴I轴：
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