CN117811264A - 一种定子、磁悬浮轴承系统及磁悬浮电机 - Google Patents

Abstract

本公开是关于一种定子、磁悬浮轴承系统及磁悬浮电机，涉及磁悬浮轴承技术领域，定子包括定子铁心、多个磁极和多个励磁线圈，定子铁心呈环形，多个磁极与定子铁心的内侧壁连接，磁极朝定子铁心的径向内侧延伸，其中，每个磁极上绕设有励磁线圈，在磁极的延伸方向上，励磁线圈的外形尺寸逐渐减少。本公开中，将励磁线圈设置成在磁极的延伸方向上绕设的外形尺寸逐渐减少，使得励磁线圈的大部分体积位于磁极与定子铁心相连的一端，充分利用了相邻磁极之间的窗口空间，利于实现在励磁线圈匝数不变的情况下设置大线径的励磁线圈，以增大励磁线圈中的电流，进而提升定子的磁悬浮轴承的静态载荷力与动载荷能力。

Description

一种定子、磁悬浮轴承系统及磁悬浮电机

技术领域

本公开涉及磁悬浮轴承技术领域，尤其涉及一种定子、磁悬浮轴承系统及磁悬浮电机。

背景技术

主动磁轴承是一种新型高性能的轴承，主动磁轴承具有转速高、无接触、无润滑等特点。

增大线圈匝数能够增大主动磁轴承的静态载荷力，但是增大线圈会导致动态载荷力降低，也即，主动磁轴承的静态载荷与动载荷能力之间存在矛盾，从而无法同时提升动态载荷力和静态载荷力，导致主动磁轴承的性能不高。

发明内容

为解决相关技术中存在的问题，根据本公开的第一方面，本公开提供了一种定子，包括：

定子铁心，呈环形；

多个磁极，与所述定子铁心的内侧壁连接，所述磁极朝所述定子铁心的径向内侧延伸，所述多个磁极沿所述定子铁心的周向方向均布设置；

其中，每个所述磁极上绕设有励磁线圈，在所述磁极的延伸方向上，所述励磁线圈的外形尺寸逐渐变小。

在一些实施例中，在所述磁极的延伸方向上，所述励磁线圈的匝数逐渐减少。

在一些实施例中，在所述磁极的延伸方向上，绕设于所述磁极的不同位置的所述励磁线圈的线径相等。

在一些实施例中，所述定子具有预设截面，在所述定子铁心的周向方向上，相邻的两个所述励磁线圈之间具有空隙，所述空隙在所述预设截面上的投影为矩形。

在一些实施例中，多个所述磁极包括多个第一磁极，所述第一磁极与所述定子铁心可拆卸连接。

在一些实施例中，多个所述磁极还包括多个第二磁极，所述第二磁极与所述定子铁心连体；

其中，在所述定子铁心的周向方向上，多个所述第一磁极与多个所述第二磁极交替排布。

在一些实施例中，所述定子铁心的内侧壁上设有多个卡槽，所述卡槽沿所述定子铁心的周向方向间隔设置，多个所述卡槽与多个所述第一磁极一一对应；

所述卡槽沿所述定子铁心的轴向方向延伸，所述第一磁极的一端卡接于所述卡槽内。

根据本公开第二方面，本公开提供了一种磁悬浮轴承系统，包括转子，以及如第一方面所述的定子，所述转子与所述定子同轴设置。

在一些实施例中，所述转子设置在所述定子的内环内。

根据本公开第三方面，本公开提供了一种磁悬浮电机，包括如第二方面所述的磁悬浮轴承系统。

本公开的有益效果是：将励磁线圈设置成在磁极的延伸方向上的外形尺寸逐渐变小，使得励磁线圈的大部分体积位于磁极与定子铁心相连的一端，充分利用了相邻磁极之间的窗口空间，利于实现在励磁线圈匝数不变的情况下设置大线径的励磁线圈，以增大励磁线圈中的电流，进而提升定子的磁悬浮轴承的静态载荷力与动载荷能力。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是根据本公开相关技术提供的一种定子和转子的示意图；

图2是根据本公开另一示例性实施例提供的一种定子的示意图；

图3是根据本公开一示例性实施例提供的一种磁悬浮轴承的预设截面的示意图；

图4是图3中I-I方向的截面图；

图5是根据本公开一示例性实施例提供的第一磁极和励磁线圈的结构示意图；

图6是图5中A-A方向的截面图；

图7是根据本公开一示例性实施例提供的第一磁极和励磁线圈的示意图。

附图说明：10’、定子；20’、定子铁心；30’、磁极；40’、励磁线圈；50’、预设截面；60’、空隙；70’、转子；

10、定子；20、定子铁心；201、卡槽；30、磁极；301、第一磁极；302、第二磁极；40、励磁线圈；50、预设截面；60、空隙；70、转子；80、凸起。

具体实施方式

如下所示的公式（1）为磁悬浮轴承的静态载荷力F₁的计算公式。

（1）

在公式（1）中，F ₁为磁悬浮轴承的静态载荷力，i为励磁线圈中的电流，x为磁极与转子之间的气隙的长度（m），为空气磁导率（H/m），N为励磁线圈的匝数，A为定子铁心的磁路的横截面积（m²）。

由上可知，参考图1，示出了相关技术中的一种磁悬浮轴承，在不改变定子铁心20’的尺寸的情况下（也即定子铁心20’的磁路的横截面积A、磁极30’与转子70’之间的气隙的长度x不变），当需要提升磁悬浮轴承的静态载荷力F ₁以提升磁轴承的性能时，比如可以采用增大励磁线圈40’的匝数N，或增大励磁线圈40’中的电流i，进而增大静态载荷力F ₁，磁悬浮轴承的动态载荷能力F ₂受到公式（2）限制，如下为公式（2）。

（2）

在公式（2）中，F ₂为磁悬浮轴承的动态载荷力，K为电磁铁系数，B为磁感应强度，为放大器最大电压，ω为动载荷的频率（rad/s），L为电感。

其中，电感的计算如下：

（3）

在公式（3）中，L为电感，A为定子铁心的磁路的横截面积，N为励磁线圈的匝数，为介电常数，x为磁极与转子之间的气隙的长度。

结合公式（1）至公式（3）可知，当增大励磁线圈40’的匝数N以增大静载荷力F ₁时，电感L会变大，电感L增大导致动载荷力F ₂的上限降低，也即，静态载荷力与动载荷能力存在矛盾，从而无法通过增加励磁线圈40’的匝数N的方式同时提升静态载荷能力和动态载荷能力，导致磁悬浮轴承的性能无法得到提升。

为了解决相关技术中存在的问题，本公开实施例提供了一种定子、磁悬浮轴承系统及磁悬浮电机，定子包括定子铁心和磁极，定子铁心呈环形，多个磁极与定子铁心的内侧壁连接，磁极朝定子铁心的径向内侧延伸，多个磁极沿定子铁心的周向方向均布设置，其中，每个磁极上绕设有励磁线圈，在磁极的延伸方向上，励磁线圈的外形尺寸逐渐变小。本公开中，将励磁线圈设置成在磁极的延伸方向上的外形尺寸逐渐变小，使得励磁线圈的大部分体积位于磁极与定子铁心相连的一端，充分利用了相邻磁极之间的窗口空间，利于实现在励磁线圈匝数不变的情况下设置大线径的励磁线圈，以增大励磁线圈中的电流，进而提升定子的磁悬浮轴承的静态载荷力与动载荷能力。

为了使本公开实施例的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图详细说明本公开实施例所提供的一种定子、磁悬浮轴承系统及磁悬浮电机，显然，所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

根据本公开示例性实施例，如图2至图7所示，本公开实施例提供了一种定子10，定子10包括定子铁心20和多个磁极30，定子铁心20呈环形，多个磁极30与定子铁心20的内侧壁连接，多个磁极30沿定子铁心20的周向方向（如图2中所示z方向）均布设置，每个磁极30朝定子铁心20的径向内侧延伸，每个磁极30的形状可以为圆柱、方体等，对此，本公开中不做过多限制。

其中，每个磁极30的侧壁面上绕设有励磁线圈40，当电流通过励磁线圈40时，励磁线圈40通过变化的电流，沿励磁线圈40中心就有磁力线通过，电流越大磁力线也就越多，当磁力线饱和时，励磁线圈40能够在磁极30上产生磁场使得电机正常运转，断开电流则磁力线消失，进而磁场消失，使得电机停止工作。为了使电机正常工作，在同样的励磁线圈40条件以及励磁线圈40用料相同的情况下，能够绕制成多种形状的励磁线圈40，可以通过比较产生的磁场均匀性以及磁场强度，选出适合的励磁线圈40形状。

基于相关技术中问题的分析可知，改变励磁线圈40的匝数无法实现同时改变静态载荷力和动态载荷力，而本公开实施例通过合理利用各磁极30间的空间，在相同匝数下，通过选用线径更大的励磁线圈40增大了励磁线圈40中的电流，由公式（1）可知电流增大能够使得静态载荷力F₁增大，并且，由公式（3）可知线径增大（电流增大）并不会对磁悬浮轴承的动载荷力F₂产生影响，从而解决了静态载荷力与动态载荷力之间的矛盾。本公开结合公式（2）和（3），在一些可选地实施方式中，比如，可以保持励磁线圈40的匝数不变，又比如，可以稍微减少励磁线圈40的匝数，以增大励磁线圈40的动载荷力，均能够同时提升磁悬浮轴承的动态载荷力和静态载荷力，不再详述。

可以理解的是，在励磁线圈40的匝数不变的情况下增大励磁线圈40的线径，显然绕设形成的励磁线圈40需要占用更大的空间。参考图1，示出了相关技术中的一种磁悬浮轴承的预设截面50’，磁悬浮轴承包括定子10’和转子70’，定子10’包括定子铁心20’，定子铁心20’的内侧壁设置有多个磁极30’，每个磁极30’上套设有励磁线圈40’，相邻的两个励磁线圈40’之间的具有空隙60’，该空隙60’在预设截面50’上的投影呈三角形，相邻两个磁极30’之间的空隙60’利用率不高。

鉴于此，参考图2，本公开提供的定子10中，更多匝数的励磁线绕设于磁极30的靠近定子铁心20的内侧壁的一端，使得励磁线圈40的靠近定子铁心20的内侧壁的一端具有更大的体积，以充分利用三角形空隙60的底部两侧的区域。在一个示例中，参考图2，相邻的两个磁极30上的励磁线圈40充分利用相邻磁极30之间的窗口，从而形成矩形的空隙60。

本实施例中，将励磁线圈设置成在磁极的延伸方向上绕设形成的外形尺寸逐渐变小，使得励磁线圈的大部分体积位于磁极与定子铁心相连的一端，充分利用了相邻磁极之间的窗口空间，实现在励磁线圈匝数不变的情况下设置大线径的励磁线圈，以增大励磁线圈中的电流，进而提升磁悬浮轴承的静态载荷力与动载荷能力。

在一些实施例中，参考图2，当磁极30在延伸方向（也即定子铁心20的径向方向）上的尺寸保持不变时，可以通过控制励磁线圈40绕设在磁极30不同位置的匝数，使得励磁线圈40在磁极30侧壁上堆积的厚度不同，从而控制励磁线圈40的外形尺寸，比如在定子铁心20的径向向内的方向上，励磁线圈40绕设的匝数逐渐减少，从而励磁线圈40的外形尺寸逐渐变小。

其中，在磁极30的延伸方向上（也即定子铁心20的径向方向），绕设于磁极30的不同位置的励磁线圈40的线径相等，采用相同线径的励磁线绕设形成的励磁线圈40时，可以保证励磁线圈40各个位置处的电流相同、负载相同。

在另一些可选地实施方式中（未在附图示出），绕设于磁极的不同位置处的励磁线圈的线径不同，比如在定子的径向向内的方向上，励磁线圈的线径逐渐减小，可以理解的是，当磁极各个位置绕设相同的匝数励磁线圈的情况下，励磁线圈的线径较小的位置的外形尺寸也较小，而线径较大的位置的外形尺寸会比较大，从而实现了励磁线圈在磁极的延伸方向上绕设形成的外形尺寸逐渐变小。

在一些实施例中，参考图2和图3，定子10具有预设截面50，在定子铁心20的周向方向（如图3中所示z方向）上，相邻两个磁极30上的励磁线圈40之间具有空隙60，空隙60在预设截面50上的投影为矩形。与相关技术相比，本公开提供的定子10中，励磁线圈40的靠近定子铁心20的一端（顶部）的缠绕匝数大于远离定子铁心20的一端，通过对励磁线圈40的匝数进行合理设计，在定子铁心20的周向方向上，可以使得相邻两个磁极30上的励磁线圈40相对的面保持平行，最终在相邻两个磁极30之间形成矩形的空隙60。

需要说明的是，本公开并非严格的矩形，比如矩形的与两个励磁线圈40对应的两条边的延长线可以相交，夹角可以为0°～5°。

在一些实施例中，如图3至图7所示，多个磁极30包括多个第一磁极301，第一磁极301的形状可以为圆柱、方体等，只要能够使励磁线圈40绕至磁极30上即可，对此，本公开不做过多限制，每个第一磁极301与定子铁心20可拆卸连接，需要说明的是，可拆卸连接可以为螺纹连接、卡扣连接和铰链连接等，继续参考图3至图7，第一磁极301两侧设置有凸起80，定子铁心20与第一磁极301的凸起80通过卡扣连接或者紧固件连接。在一示例中（附图未示出），定子铁心上的磁极可以均为第一磁极，在定子铁心的周向方向（如图3中所示z方向）上，定子铁心上均设置可拆卸的第一磁极可便于更换。

如图3至图7所示，在另一示例中，定子铁心20上的部分磁极30为第一磁极301，在定子铁心20的周向方向（如图3中所示z方向）上，第一磁极301间隔设置在定子铁心20上，部分设置可拆卸的第一磁极301便于对定子铁心20进行安装、维修，其中，第一磁极301在定子铁心20上设置有4个。

在一些实施例中，继续参考图3，多个磁极30还包括多个第二磁极302，每个第二磁极302与定子铁心20连体（一体成型），其中，如图3所示，在定子铁心20的周向方向（如图3中所示z方向）上，多个第一磁极301和多个第二磁极302间隔设置在定子铁心20上。

如图2和图3所示，相邻的第二磁极302之间可以设置多个第一磁极301。在一示例中，相邻的第二磁极302之间设有一个第一磁极301，从而使得第一磁极301和第二磁极302交替排布，以使相邻的第一磁极301与第二磁极302形成磁极对，磁极对设置有多个，多个磁极对形成磁极30，多个磁极对的数量可以为4对，其中第二磁极302设置有4个。

采用机械绕制空心励磁线圈40并将绕制完成的空心励磁线圈40套设于第二磁极302和第一磁极301上，相比下线法的装配效率大幅提升，并且，机制线圈尺寸较小且沿定子铁心20的轴向（如图4所示y方向）突出尺寸较小，利于减小漏磁量。

需要说明的是，下线法为手工操作，比如由工作人员直接将励磁线圈40手工缠绕至定子铁心20上。

在磁悬浮轴承通电的情况下，属于同一磁极对中的第一磁极301与第二磁极302的磁极性相反，比如，在同一磁极对中，第一磁极301可以为N极，则第二磁极302为S极，又比如，在同一磁极对中，第一磁极301可以为S极，则第二磁极302为N极，对此，本公开中不做过多限制，当两个磁极对相邻时，相邻的第一磁极301与第二磁极302的磁极性相同。

磁极30的数量设置与磁悬浮轴承的电机功率和载荷相关，在一示例中，第一磁极301设置有4个，第二磁极302设有4个，即磁极对有4个。

本实施例中，通过对第二磁极的数量进行合理设计与第一磁极和第二磁极设置方式，以满足不同需求的磁轴承。

在一些实施例中，如图3所示，定子铁心20的内侧壁上设有多个卡槽201，卡槽201沿定子铁心20的周向方向（如图3中所示z方向）间隔设置，多个卡槽201与多个第一磁极301一一对应，多个卡槽201的形状与第一磁极301的形状一致，对此，本公开中不再过多赘述。

如图3至图7所示，卡槽201沿定子铁心20的轴向方向（如图4中所示y方向）延伸，第一磁极301的一端凸起80卡接于卡槽201内，使得将第一磁极301从定子铁心20上可拆卸，同时将第一磁极301拆卸后，为励磁线圈40安装于第二磁极302上提供便利，之后再根据所需将绕制好的励磁线圈40套设至第一磁极301上。

本实施例中，根据所需形状缠绕励磁线圈，通过定子铁心上设置卡槽，使得第一磁极能够拆卸，拆卸状态下的第一磁极上便于套设励磁线圈，并且，当第一磁极处于拆卸状态时，第二磁极的周围没有遮挡物，便于将励磁线圈套设至第二磁极上，提升了装配效率。

根据本公开示例性实施例，如图3和图4所示，本公开实施例提供了一种磁悬浮轴承系统，包括转子70，以及本公开前述任意实施例提供的定子10，转子70与定子10同轴设置，转子70位于定子10的内环的一侧，转子70通过悬浮技术与定子10分离，避免了磁悬浮轴承的磨损和机械摩擦损失，在一示例中（附图未示出），转子包括转子永磁体和转子软磁靶等部分，工作时，转子软磁靶作为磁悬浮轴承的衔铁，在磁悬浮轴承控制系统的控制下，保证转子自由旋转。

根据本公开示例性实施例，本公开实施例提供了一种磁悬浮电机，包括本公开前述实施例提供的磁悬浮轴承系统。磁悬浮电机具有高效、低噪音、低振动、长寿命的特点，磁悬浮电机通过电磁场的相互作用力和磁悬浮技术实现转子70的悬浮，不需要机械接触支撑，其中，磁悬浮轴承系统通过磁场作用实现转子70的悬浮和旋转，从而实现无接触运转和无摩擦损失及无机械的损耗，而且仅有少量的风阻，进而提升了磁悬浮电机的工作效率和使用寿命。

本公开提供的一种磁悬浮电机的工作原理：

磁悬浮电机通过电磁感应和磁力实现悬浮和旋转，其中，如图2至图7所示，磁悬浮轴承系统包括定子10和转子70，定子10沿周向方向（如图2中所示z方向）间隔设置有第一磁极301和第二磁极302，第一磁极301通过定子铁心20上设置的卡槽201，能够与定子铁心20可拆卸连接，第二磁极302连体于定子铁心20上（也即一体结构），为了保证磁悬浮轴承系统的静态载荷力与动载荷能力之间的关系，在励磁线圈40的匝数相同的情况下，需选择相适应的励磁线圈40的线径，在保持励磁线圈40的体积不变的情况下，选用大直径大电流并将励磁线圈40缠绕成所需且能够相适应空间的形状，之后将励磁线圈40套设至第一磁极301和第二磁极302上，并将套设有励磁线圈40的第一磁极301沿定子铁心20的轴向方向（如图4中所示y方向）安装至定子铁心20上，使励磁线圈40充分利用了相邻的两个励磁线圈40之间的空隙60，同时也避免静态载荷力与动载荷能力之间的矛盾。定子10的励磁线圈40与磁极30形成电磁铁，转子70与定子10同轴设置，转子70位于定子10的内环的一侧，转子70上具有软磁体靶并作为磁悬浮轴承的衔铁，当磁悬浮轴承工作时，定子10与转子70软磁体相互作用，使得转子70悬浮在磁场中并使得转子70旋转。

本公开中，磁极沿定子铁心的径向内侧方向延伸且每个磁极上绕设有励磁线圈，每个磁极包括可拆卸的第一磁极和与定子铁心连体的第二磁极。在定子铁心上设置8个磁极，其中第一磁极有4个，第二磁极有4个，为了兼顾励磁线圈的匝数对静态载荷与动载荷能力之间的影响且达到增大电流的效果，在励磁线圈的匝数不变的情况下，增加励磁线圈的线径，使得励磁线圈的占用体积增加，即，励磁线圈需要较多的空间进行设置，通过在磁极的延伸方向上，设置的励磁线圈的外形尺寸逐渐变小，使得励磁线圈的大部分体积位于磁极与定子铁心相连的一端，励磁线圈能够充分利用相邻的励磁线圈之间的空隙，利于实现在励磁线圈匝数不变的情况下设置大线径、大电流的励磁线圈，实现电感微变的情况下，既解决了静态载荷力与动载荷能力之间的矛盾，又能减少磁轴承的尺寸，提升了相邻的励磁线圈之间的空隙的利用率。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语“内”、“平行”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公开和简化描述，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公开的限制。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种定子，其特征在于，包括：

定子铁心（20），呈环形；

多个磁极（30），与所述定子铁心（20）的内侧壁连接，所述磁极（30）朝所述定子铁心（20）的径向内侧方向延伸；

其中，每个所述磁极（30）上绕设有励磁线圈（40），在所述磁极（30）的延伸方向上，所述励磁线圈（40）的外形尺寸逐渐变小。

2.根据权利要求1所述的定子，其特征在于，在所述磁极（30）的延伸方向上，所述励磁线圈（40）的匝数逐渐减少。

3.根据权利要求1或2所述的定子，其特征在于，在所述磁极（30）的延伸方向上，绕设于所述磁极（30）的不同位置的所述励磁线圈（40）的线径相等。

4.根据权利要求1所述的定子，其特征在于，所述定子（10）具有预设截面（50），在所述定子铁心（20）的周向方向上，相邻的两个所述励磁线圈（40）之间具有空隙（60），所述空隙（60）在所述预设截面（50）上的投影为矩形。

5.根据权利要求1所述的定子，其特征在于，多个所述磁极（30）包括多个第一磁极（301），所述第一磁极（301）与所述定子铁心（20）可拆卸连接。

6.根据权利要求5所述的定子，其特征在于，多个所述磁极（30）还包括多个第二磁极（302），所述第二磁极（302）与所述定子铁心（20）连体；

其中，在所述定子铁心（20）的周向方向上，多个所述第一磁极（301）与多个所述第二磁极（302）交替排布。

7.根据权利要求5或6所述的定子，其特征在于，所述定子铁心（20）的内侧壁上设有多个卡槽（201），所述卡槽（201）沿所述定子铁心（20）的周向方向间隔设置，多个所述卡槽（201）与多个所述第一磁极（301）一一对应；

所述卡槽（201）沿所述定子铁心（20）的轴向方向延伸，所述第一磁极（301）的一端卡接于所述卡槽（201）内。

8.一种磁悬浮轴承系统，其特征在于，包括转子（70），以及如权利要求1-7任一项所述的定子（10），所述转子（70）与所述定子（10）同轴设置。

9.根据权利要求8所述的磁悬浮轴承系统，其特征在于，所述转子（70）设置于所述定子（10）的内环内。

10.一种磁悬浮电机，其特征在于，包括如权利要求8或9所述的磁悬浮轴承系统。