CN203151303U - 一种磁浮轴承电力驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种磁浮轴承电力驱动装置，包括一电机和具有磁浮轴承绕组的磁浮轴承电机，以及一磁浮轴承系统，该磁浮轴承系统位于该磁浮轴承电机的定子或转子中控制该磁浮轴承电机，用以产生转矩和悬浮力，该磁浮轴承系统安装于该定子或转子的单圈或多圈的线圈绕组上，该线圈绕组中至少一组线圈由产生绕组磁极的集中绕组构成。

Description

一种磁浮轴承电力驱动装置

技术领域

本实用新型涉及一种机械零部件技术领域，尤其涉及一种磁浮轴承电力驱动装置。 

背景技术

磁浮轴承技术展现了电机应用领域以及对转动区域的速度有极高要求的设备的结构，寿命，驱动系统的纯度以及密封气密性——这样在应用领域方面基本上不能或难以实现使用常规轴承技术。各种实施例，例如高速铣削和磨削主轴、涡轮压缩机、真空泵或用于化学或高纯度医疗产品的泵都已装置了磁浮轴承。此外，常规的磁浮轴承电机（如图1中所示）需要电机单元1、两个径向磁浮轴承2和3、一个径向磁浮轴承4、两个机械拦截轴承5和6以及共十三个电源控制器7,8,9和10来进行运动和磁浮轴承回路励磁。 

现有技术中，在文献里有建议（如图2中所示）表示将电机和磁浮轴承集成在一个磁性定子单元。用来转矩和悬浮力绕组的两个单独绕组系统11和12复合分层地嵌进定子的凹槽中。这两个绕组系统是三圈回路的并在极对数的数量上是不同的。线圈分布在多个凹槽中。图2显示了：四芯电机绕组11（外部）：第一个回路13,第二个回路14,第三个回路15；两芯悬浮绕组12（内部）：第一个回路16,第二个回路17,第三个回路18。从转子指向定子方向的箭头（无参考符号）或是由定子指向转子方向的箭头代表了四个磁性转子的磁化强度方向（例径向磁化）。在不需要刚性轴转子指导的应用中，例如在通风机、风扇、泵或混合器中，轴向磁浮轴承和第二径向磁浮轴承可从集成的电机磁浮轴承实施例中删掉。这样操作的条件是转子的圆盘形实施例长度尺寸（图3(a)、图3(b)）要小于转子直径。这样在轴向和旋转方向上的转子被动稳定可以通过定子39和转子40之间的磁性牵引41得以实现。 

实用新型内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本实施新型提供一种简化电机和磁浮轴承单元的机械结构，并考虑到对此适合的电子励磁的磁浮轴承电力驱动装置。 

为了实现上述实用新型目的，本实用新型公开一种磁浮轴承电力驱动装置，包括一电机和具有磁浮轴承绕组的磁浮轴承电机，以及一磁浮轴承系统，该磁浮轴承系统位于该磁浮轴承电机的定子或转子中控制该磁浮轴承电机，用以产生转矩和悬浮力，该磁浮轴承系统安装于该定子或转子的单圈或多圈的线圈绕组上，该线圈绕组中至少一组线圈由产生绕组磁极的集中绕组构成。 

其中，该产生悬浮力的磁浮轴承绕组由产生旋转磁场的与PLM有相同极对数的线圈构成。该产生转矩的磁浮轴承绕组是电机绕组。该集中绕组形成径向绕组。该集中绕组不倾斜且该集中绕组线圈宽度小于或大于单极方式。该线圈绕组在两个环路中形成该磁浮轴承绕组且在一个回路中形成该电机绕组，该磁浮轴承绕组和该电机绕组的极对数为1和2无序列测算。该磁浮轴承电力驱动装置的该转子或该定子包括一永磁体、一短路鼠笼、一电力高导材料外罩或一磁阻削减。当该磁浮轴承系统安装于该定子或转子的单圈线圈绕组上时，还包括以下一种或多种组件提供启动帮助：不对称转子金属切割、一个或多个辅助磁铁或一个或多个短路环，或是借助该磁浮轴承绕组通过该转子滚落到该定子表面时生成的励磁。该转子和定子的磁性有效部分的形状为圆形、环形或钟形，该磁性有效部分的径向尺寸大于轴向尺寸。该电机绕组和该磁浮轴承绕组形成该集中绕组。 

与现有技术相比较，本实用新型定子或转子结构以及磁浮轴承电机的绕组结构非常简化并且节省电源控制器。这样对于磁浮轴承单相电机来说只需要三个回路和六个线圈。 

附图说明

关于本实用新型的优点与精神可以通过以下的实用新型详述及所附图式得到进一步的了解。 

图1是现有技术中所使用的磁浮轴承电机的结构示意图之一； 

图2是现有技术中所使用的磁浮轴承电机的结构示意图之二，其中电机和径向磁浮轴承集成到一个磁性转子单元； 

图3(a)、图(b)是转子在轴向和旋转方向上被动稳定的可能性的示意图； 

图4是本实用新型所涉及的磁浮轴承电机的定子的结构示意图； 

图5是本实用新型所涉及的带有部分转子绕组变量的电力驱动装置的实施例的结构示意图； 

图6是带有多个分散线圈的电力驱动装置的实施例的结构示意图； 

图7是用来进行电力驱动励磁的一种实施方式的电路图； 

图8是本实用新型所涉及的磁浮轴承驱动的实施例的结构示意图； 

图9是基于角度的力波动在非正弦定子电流层分布以及在气隙中的非正弦励磁图； 

图10是本实用新型所涉及的在绕组磁极区域中不对称金属片切割的示意图； 

图11是本实用新型所涉及的用辅助磁铁来确保交变磁场下启动电机的示意图； 

图12是受控于转子的定子极的示意图； 

图13是本实用新型所涉及的磁浮轴承电力驱动装置的一种实施方式的结构示意图； 

图14是本实用新型所涉及的磁浮轴承电力驱动装置的另一种实施方式的结构示意图； 

图15是本实用新型所涉及的磁浮轴承电力驱动装置的定子实施方式的结构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的具体实施例。 

根据应用情况可将机器用作于电机或发电机。图4显示了一个有集中径向绕组和凸极的电机磁浮轴承单元（例如为了更好的冷却，将定子安装在铝圈或铝筒中）。这里所说的集中绕组应理解为指其中线圈的绕组不是分布在磁极区域，同时（有效磁性）成90°角。这样线圈34和35分别是集中的。集中绕组绕着的铁磁极或空心绕组是凸极。在这个范围内包括集中绕组围绕着的肢极99，诸如99和100这样或单个或多个分极，该被集中绕组36磁性围绕。绕组也可能微斜，也就是绕组宽度小于或大于磁极区域。该实施例在图8中描述。在一定情况下，用节距分级法通过用铁磁辅助极86缩短极宽度来闭合极间隙。转矩和悬浮力产生在图4和图8中通过两个绕组系统得以实现：一个单回路、四极电机绕组和一个双回路磁浮轴承绕组。 

线圈30,31,32,33形成电机回路，线圈34,35形成第一磁浮轴承回路，线圈36,37形成第二磁浮轴承回路。电机回路的集中线圈形成了铁磁材质组成的明显的磁极（此处是肢极）。根据需要可以串联或平行连接并通过交流电励磁产生一个四极旋转磁场，能够满足在四极永磁转子上产生转矩。第一和第二磁浮轴承回路相互成90°角。通过相应的磁浮轴承回路励磁形成一个两极旋转磁场来设置径向悬浮力的振幅和相位。图4中描述的该电机或磁浮轴承回路的线圈串联或平行连接。需要时，可将磁浮轴承线圈34、35和/或线圈36、37连接至一个单个线圈并形成集中绕组。 

图5说明了外部转子技术上的绕组2种方式，一个单回路、四极绕组67,68,69,70和一个双回路、两极磁轴承绕组，其中第一回路71,72，第二回路73,74，垂直于后者。磁浮轴承绕组的两个回路也可以旋转45°并位于电机绕组的凹槽处，因此该结构类似于在图4中描述的。此外，线圈71,72和73,74能够连接形成一个线圈。关于电机回路，两个反向的线圈，例如68,70可以不需要。图5中的外部转子更合适作为一个四极环或信号铃。 

图4和图5中，电机绕组或磁浮轴承绕组由几个（图中描述的2个）分散式线圈75,76（图6）组成。因此，在图6中可识别一个第一回路连接77和一个第二回路连接78或连接到邻近的相对绕组上去。 

通过模拟电路或高速计算单元测算转子位置的传感器信号和转子转动角度后，测定独立回路电流要考虑到转子位置的特需值和实际值、转速，旋转或转矩的转子角度。该信号由电源电路测定、扩大并通过定时开关或模拟功率放大器提供到三个回路。图7中描述到一个可能的桥路。电机回路由24指定，两个磁浮轴承回路由25和26指定。考虑到调控路径的特性， 也可能发生电压的影响，而非电流的影响。 

可随意选择电机的转子类型，尤其当电机操作通过旋转磁场而非交变磁场时。例如永磁转子，短路鼠笼转子，高导金属材料包裹的转子而非短路鼠笼或基于角度气隙变化的磁阻转子。 

在不完善的节距或绕组各自分布情况下以及在在非正弦励磁分布情况下，在图9中描述了基于角度的径向力波动42，通过径向轴承绕组励磁回路中气隙的谐波量，符合图4,5或8转子转动时的恒定电流振幅。应该在绕组励磁时考虑到该影响以达到良好的运作特性。 

按照图14在使用永磁转子85下，例如通过转子和定子84间基于角度的气隙的成型82可以达到完善的正弦励磁磁场分布。永磁铁的径向磁化对于正弦磁场分布有利。83是铁磁后侧接触或转子磁轭。因为成本的的缘故，可以使用集中绕组和无需特殊形状的径向磁化的磁铁。 

因为只有一个交变磁场可分别用于图4或图5中磁浮轴承电机的操作，在适当的启动时间点提供辅助转矩以克服死区。例如这样可通过不对称钣金切割38在绕组磁极（图10）区域完成。进一步建议的解决方案（图11）提供了一个或多个辅助磁铁43，该与转子呈轴向或径向方向，可将四极永磁转子50转了ψ转至位置44。在磁极边界的位置45上，无论电流多少，起动转矩始终为零。绕组极为46,47,48,49。为了辅助拉拔力可以额外给辅助磁铁提供铁轭。 

也可以通过转子66滚落（图12）到定子极65气隙的末端改变磁极的位置，这由磁轴承部分控制。由于直径不同导致在滚落中磁铁和定子极之间不断递增的角位移，这样转子能转出死区。67代表了滚落时转子的中点位置。可能必要在转子和/或定子边缘提供工具以防止转子和定在在滚落时的滑动（例如使用有高摩擦值、表面粗糙的材料，齿形的等等）。 

图13中描绘了进一步建议的解决方案，短路环一边靠在定子极。定子极上的一侧提供了短路环52，因此短路电流在气隙中产生了椭圆旋转磁场而非交变磁场。 

图4,5,8和10被认为是关于用来产生转矩和悬浮力的极对数的实施例，也是关于两个绕组的回路数。可以改变磁极对数，需要满足电机操作的极对数PM和磁浮轴承操作的极对数PML间的状态pM=pML±1。通过扩大在电源电路中的回路数和桥接旁路的数量，按照本实用新型旋转磁场电机可以集成到磁浮轴承驱动中而非交变磁场电机中。 

图15中描述了一个可能的实施例。该定子包含由线圈87,89,91,93和88,90,92,94组成的两个串联或平行连接的四极回路。两条回路互成直角，这样一个没有转矩间隙的四极转子形成了来产生转矩的电枢旋转磁场。因此这种排布相对于前述的例子不需要启动帮助。 

径向线圈95和97形成了径向磁浮轴承的两个回路，成90°。这里也能够产生旋转磁 场。为了更好地使用可用的绕组空间，可以引用两个线圈96和98，例如线圈96可连接到线圈95而线圈98可连接到线圈97以形成一个单回路。 

另一个结构变体，同样在定子绕组中可以用一个两极转子实现极对数2和1。为此选择单回路或多回路电机绕组来形成两极的和多极回路的磁浮轴承绕组。本实用新型一个更必要的方面是完全独立于前面所述的方面，最终基于识别，按照本实用新型可能在可以产生转矩和悬浮力的定子或转子上安装磁浮轴承设备，其中为单圈绕组。 

本说明书中所述的只是本实用新型的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对本实用新型的限制。凡本领域技术人员依本实用新型的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本实用新型的范围之内。 

Claims (10)

1.一种磁浮轴承电力驱动装置，其特征在于，包括一电机和具有磁浮轴承绕组的磁浮轴承电机，以及一磁浮轴承系统，所述磁浮轴承系统位于所述磁浮轴承电机的定子或转子中控制所述磁浮轴承电机，用以产生转矩和悬浮力，所述磁浮轴承系统安装于所述定子或转子的单圈或多圈的线圈绕组上，所述线圈绕组中至少一组线圈由产生绕组磁极的集中绕组构成。 

2.如权利要求1所述的磁浮轴承电力驱动装置，其特征在于，所述产生悬浮力的磁浮轴承绕组由产生旋转磁场的与磁浮轴承操作的极对数PLM有相同极对数的线圈构成。 

3.如要求1所述的磁浮轴承电力驱动装置，其特征在于，所述产生转矩的磁浮轴承绕组是电机绕组。 

4.如要求1所述的磁浮轴承电力驱动装置，其特征在于，所述集中绕组形成径向绕组。 

5.如要求1所述的磁浮轴承电力驱动装置，其特征在于，所述集中绕组不倾斜且所述集中绕组线圈宽度小于或大于单极方式。 

6.如要求2所述的磁浮轴承电力驱动装置，其特征在于，所述线圈绕组在两个环路中形成所述磁浮轴承绕组且在一个回路中形成所述电机绕组，所述磁浮轴承绕组和所述电机绕组的极对数为1和2无序列测算。 

7.如要求1所述的磁浮轴承电力驱动装置，其特征在于，所述磁浮轴承电力驱动装置的所述转子或所述定子包括一永磁体、一短路鼠笼、一电力高导材料外罩或一磁阻削减。 

8.如要求1所述的磁浮轴承电力驱动装置，其特征在于，当所述磁浮轴承系统安装于所述定子或转子的单圈线圈绕组上时，还包括以下一种或多种组件提供启动帮助：不对称转子金属切割、一个或多个辅助磁铁或一个或多个短路环，或是借助所述磁浮轴承绕组通过所述转子滚落到所述定子表面时生成的励磁。 

9.如要求1所述的磁浮轴承电力驱动装置，其特征在于，所述转子和定子的磁性有效部分的形状为圆形、环形或钟形，所述磁性有效部分的径向尺寸大于轴向尺寸。 

10.如要求2所述的磁浮轴承电力驱动装置，其特征在于，所述电机绕组和所述磁浮轴承绕组形成所述集中绕组。 

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