CN211089499U - 一种新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机，包括，承载体，包括套筒以及设置于所述套筒两端的圆盘，且两者有构成容置空间；悬浮组件，与所述套筒内壁连接；以及，转动组件，设置于所述容置空间内；所述转动组件包括定子体、设置于所述定子体内侧的转子体以及位于所述转子体内侧的转轴；其中，所述转轴的两端穿过所述圆盘的过孔，本实用新型采用永磁体产生偏置磁场，采用电磁铁提供控制磁场，控制磁场与励磁磁场相互作用产生可控的径向悬浮力，利用该径向悬浮力使转轴处于无接触状态，消除了转轴在转动时由于机械接触而导致的摩擦损耗，实现在径向两个自由度上的稳定悬浮。

Description

一种新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机

技术领域

本实用新型涉及的电机技术领域，尤其涉及一种新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机。

背景技术

利用磁力使物体处于无接触悬浮状态是人类一个古老的梦想；1842年英国剑桥大学的S.Earnshaw教授从理论上证明了单靠永久磁铁是不能使物体在空间六个自由度上都保持稳定悬浮的；为了使得由铁磁体所得到的力能够用于稳定的自由悬浮，必须根据物体的悬浮状态连续不断的调节磁场，即采用可控电磁铁；1937年，德国人Kemper成功地实现了采用一个可控电磁铁对一个质量为210Kg的物体稳定悬浮，并获得了磁悬浮技术专利。这一实验装置正是稍后出现的磁悬浮列车的前身；随后磁悬浮技术受到了国内外学者的关注并得到了快速发展。

磁悬浮轴承(简称磁轴承)是利用磁力作用将转子悬浮于空间，使转子与定子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承；由于定、转子之间无摩擦，转子转速仅受材料强度的限制，磁轴承的转子可以达到很高的运转速度，且转子的运行状态可以由控制系统实时进行检测和控制；它具有损耗低、无需润滑介质、寿命长、噪声小、无污染等优点，在能源、交通、超高速超精密加工、航空航天、机器人等高科技领域有着广泛的应用前景。

磁悬浮轴承可按照磁力的提供方式分为如下三类：

(1)有源磁悬浮轴承，又称为主动式磁悬浮轴承(Active Magnetic Bearing，AMB)，其最主要的特征是磁场可控，通过控制电磁铁线圈中的电流来产生时变磁场，由时变磁场来调整轴承所需要的悬浮力，保证转子系统在目标位置稳定悬浮。主动式磁悬浮轴承刚度大，可以精密控制，有很强的抗干扰能力，但是体积、重量和功耗都比较大。

(2)无源磁悬浮轴承，又称为被动式磁悬浮轴承(Passive Magnetic Bearing，PMB)，利用永磁体或超导体自身的特性实现对转子部分自由度的稳定悬浮；被动式磁悬浮轴承磁场是不可控的，由于没有控制电流，功率消耗得到降低，体积也较小，但是这种类型的磁轴承缺乏主动控制能力，刚度阻尼也比较低，一般仅运用于在一个方向上支撑物体或者是减轻作用在传统轴承上的负荷。

(3)混合式磁悬浮轴承(Hybrid Magnetic Bearing，HMB)，同时结合了两者的优势，采用永磁体替代主动磁轴承中的电磁铁来产生偏置磁场，电磁铁提供的只是平衡负载或干扰的控制磁场，大大降低了因偏置电流产生的功率损耗，电磁铁所需的安匝数比主动磁轴承大大减少，缩小了磁轴承的体积，减轻了其重量，并提高了承载能力。

双凸极永磁电机由开关磁阻电机发展而来，既具有传统永磁电机高功率密度，高效率的特点，又继承了开关磁阻电机的转子结构，即转子无绕组，无永磁体，从而避免了电机高速运行时由于磁钢脱落和转子升温引起的不可逆退磁现象；普通的双凸极永磁电机在控制转轴转动过程中，由于存在不可避免的机械接触，从而产生摩擦损耗，极大地减少了轴承的寿命，增加了维护工作量。

实用新型内容

本部分的目的在于概述本实用新型的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和实用新型名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和实用新型名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本实用新型的范围。

鉴于现有普通的双凸极永磁电机在控制转轴转动过程中，由于存在不可避免的机械接触，从而产生摩擦损耗，极大地减少了轴承的寿命，增加了维护工作量的技术问题，提出了本实用新型。

因此，本实用新型目的是提供一种新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机。

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：

作为本实用新型所述新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机的一种优选方案，其中：一种新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机，包括，

承载体，包括套筒以及设置于所述套筒两端的圆盘，且两者有构成容置空间；

悬浮组件，与所述套筒内壁连接；以及，

转动组件，设置于所述容置空间内。

作为本实用新型所述新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机的一种优选方案，其中：所述转动组件包括定子体、设置于所述定子体内侧的转子体以及位于所述转子体内侧的转轴；

其中，所述转轴的两端穿过所述圆盘的过孔。

作为本实用新型所述新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机的一种优选方案，其中：所述定子体的电机定子凸极与所述圆盘的内侧，并沿过孔的边缘处均匀分布；

其中，所述定子体还包括电枢绕组，所述电枢绕组绕设于所述电机定子凸极的外围。

作为本实用新型所述新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机的一种优选方案，其中：所述转子体包括转子盘和电机转子凸极，所述电机转子凸极设置于所述转子盘上；

其中，所述转子盘设置于所述转轴的外围。

作为本实用新型所述新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机的一种优选方案，其中：所述电机转子凸极与电机定子凸极之间设置有间隙；

其中，所述间隙范围为0.5mm-1mm。

作为本实用新型所述新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机的一种优选方案，其中：所述电机转子凸极至少设置三个，所述电机定子凸极至少设置二个，并两者的数量设置符合双凸极电机定子极数和转子极数的配合标准。

作为本实用新型所述新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机的一种优选方案，其中：所述悬浮组件包括转子盘、磁轴承定子凸极、磁轴控制绕组、磁轴承定子磁轭和永磁体，所述永磁体设置于所述套筒与磁轴承定子磁轭之间，所述磁轴承定子凸极设置于所述磁轴承定子磁轭内，所述磁轴控制绕组绕设于所述磁轴承定子凸极外侧；

所述磁轴承定子磁轭设置于所述套筒内壁上。

作为本实用新型所述新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机的一种优选方案，其中：所述磁轴承定子凸极与转子盘之间设置有间隙；

其中，所述间隙范围为0.4mm-1mm。

作为本实用新型所述新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机的一种优选方案，其中：所述磁轴承定子凸极至少设置有三个，三个所述磁轴承定子凸极均匀设置于所述磁轴承定子磁轭内壁上；

其中，所述磁轴控制绕组的个数与所述磁轴承定子凸极的个数相同

所述永磁体的厚度与所述磁轴承定子磁轭的厚度相同。

本实用新型的有益效果：本实用新型采用永磁体产生偏置磁场，采用电磁铁提供控制磁场，控制磁场与励磁磁场相互作用产生可控的径向悬浮力，利用该径向悬浮力使转轴处于无接触状态，消除了转轴在转动时由于机械接触而导致的摩擦损耗，实现在径向两个自由度上的稳定悬浮。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本实用新型新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机的整体结构示意图。

图2为本实用新型新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机的整体剖面结构示意图。

图3为本实用新型新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机所述的转子体和转轴结构示意图(以转动组件的转子盘两侧的转子均采用四个极的结构为例)。

图4为本实用新型新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机的励磁磁场示意图。

图5为本实用新型新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机的控制磁场示意图 (以悬浮组件的磁轴承定子采用四磁极结构，垂直方向通电流为例)。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本实用新型结合示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例1

参照图1和图2，提供了一种新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机的整体结构示意图，如图1，一种新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机包括承载体100，包括套筒101以及设置于套筒101两端的圆盘102，且两者有构成容置空间N1；悬浮组件200，与套筒101内壁连接；以及，转动组件300，设置于容置空间N1 内。

具体的，本实用新型主体结构包括承载体100、悬浮组件200和转动组件300，通过设置的承载体100、悬浮组件200和转动组件300之间相互配合，能够利用径向悬浮力使转轴处于无接触状态，消除了转轴在转动时由于机械接触而导致的摩擦损耗，实现在径向两个自由度上的稳定悬浮，其中，承载体100，起到防护与承载悬浮组件200和转动组件300的作用，其包括套筒101以及设置于套筒 101两端的圆盘102，且两者有构成容置空间N1，容置空间N1为组装悬浮组件 200和转动组件300提供了空间；悬浮组件200，为实现径向悬浮提供了保障，与套筒101内壁连接；而转动组件300，为悬浮及电机传动提供了条件，设置于容置空间N1内，需说明的是，悬浮组件200与转动组件300采用永磁体产生偏置磁场以及采用电磁铁提供控制磁场，控制磁场与励磁磁场相互作用产生可控的径向悬浮力，如此使转轴处于无接触状态，消除了转轴在转动时由于机械接触而导致的摩擦损耗，实现在径向两个自由度上的稳定悬浮。

进一步的，套筒101呈空心圆筒状，而圆盘102为中心处有过孔的圆形结构，本实施例中，圆盘102共设置有两个，两个圆盘102对称设置于套筒101两端，需说明的是，圆盘102上设置有过孔102a，过孔102a用于电机转轴伸出。

实施例2

参照图2，该实施例不同于第一个实施例的是：转动组件300包括定子体301、设置于定子体301内侧的转子体302以及位于转子体302内侧的转轴303，通过设置的定子体301、转子体302和转轴303之间相互配合，构成了轴向磁通双凸极电机。具体的，转动组件300包括定子体301、设置于定子体301内侧的转子体302以及位于转子体302内侧的转轴303；其中，转轴303的两端穿过圆盘102 的过孔102a。

进一步的，定子体301的电机定子凸极301a与圆盘102固定连接；其中，定子体301还包括电枢绕组301b，电枢绕组301b绕设于电机定子凸极301a的外围，具体的，在圆盘102内侧过孔102a附近的边缘处设置多个电机定子凸极301a。

进一步的，如图3所示，转子体302包括转子盘302a和电机转子凸极302b，转子盘302a和电机转子凸极302b构成了电机的转子部分，电机转子凸极302b 设置于转子盘两侧，沿边缘均匀分布，每侧均设置多个，具体的，转子盘302a 的对称侧面上沿着转轴303轴线平行方向上凸出固定电机转子凸极302b，需说明，电机转子凸极和电机定子凸极均设置有多个，其中电机转子凸极至少设置3 个，电机定子凸极至少设置2个，并且两者的数量设置符合双凸极电机定子极数和转子极数的配合标准，两对电机定子凸极301a与电机转子凸极302b分别均匀设置于转子盘302a和两个圆盘102上，其转子盘302a固定设置于转轴303的外围，需说明，转子盘302a呈圆筒状，电机转子凸极302b与电机定子凸极301a 的数量设置符合双凸极电机定子极数和转子极数的配合标准。

需说明的是，电机转子凸极302b与电机定子凸极301a之间设置有间隙，本间隙为轴向间隙，其中，轴向间隙范围为0.5mm-1mm。

实施例3

参照图2，该实施例不同于以上实施例的是：悬浮组件200包括转子盘302a、磁轴承定子凸极201、磁轴控制绕组202、磁轴承定子磁轭203、永磁体204和转子盘302a设置的磁轴承定子凸极201、磁轴控制绕组202、磁轴承定子磁轭203 和永磁体204可与转子盘302a配合，使转动组件300在径向方向实现悬浮，如此使转轴303处于无接触状态，消除了转轴303在转动时由于机械接触而导致的摩擦损耗，实现在径向两个自由度上的稳定悬浮。具体的，悬浮组件200包括磁轴承定子凸极201、磁轴控制绕组202、磁轴承定子磁轭203和永磁体204，永磁体204设置于套筒101与磁轴承定子磁轭203之间，其中，永磁体204为环形结构，而磁轴承定子磁轭203为圆筒状，即永磁体204内外环面分别与套筒101的内壁与磁轴承定子磁轭203的外壁接触，而磁轴承定子凸极201固定设置于磁轴承定子磁轭203内壁上，磁轴控制绕组202绕设于磁轴承定子凸极201外围；磁轴承定子磁轭203设置于套筒101内，其中，磁轴承定子磁轭203、磁轴承定子凸极201、磁轴控制绕组202和转子盘302a共同构成了电磁铁。

进一步的，磁轴承定子凸极201与转子盘302a之间设置有间隙，该间隙为径向间隙，其中，径向间隙范围：0.4mm-1mm。

进一步的，磁轴承定子凸极201至少设置有三个，三个磁轴承定子凸极201 均匀设置于磁轴承定子磁轭203内壁上；其中，磁轴控制绕组202的个数与磁轴承定子凸极201的个数相同。

较好的，永磁体204的厚度与磁轴承定子凸极201的厚度相同，需说明，永磁体204的充磁方向为径向。

原理说明：双凸极电机属于磁阻电机的一种，电机转子凸极302b与电机定子凸极301a均为凸极齿槽结构，环形永磁体204产生励磁磁场，磁轴控制绕组 202中通入电流后产生控制磁场，电枢绕组301b通入电流后，产生电枢磁场，双凸极电机作电动机运行时，电枢磁场与励磁磁场相互作用产生转矩；作发电机运行时，当转子旋转时，电机定子凸极的磁通周期发生变化，在电机定子凸极上绕上线圈，就会在线圈上感生电势，控制磁场与励磁磁场相互作用产生可控的轴向悬浮力。

本实施例双凸极永磁电机，磁轴承控制绕组在通入电流后，通过磁轴承定子凸极、磁轴承定子磁轭和转子盘形成磁回路，在磁轴承定子凸极与转子盘之间的气隙中建立控制磁场，其基本工作原理(以磁轴承定子采用四磁极结构，垂直方向通电流为例)是：当转子盘位于径向上的中间位置时，由于结构的对称性，环形永磁体产生的偏置磁通在转子盘上面的气隙和下面的气隙是相等的，此时上、下吸力相等；如果此时转子盘受到一个向下的外扰力，转子盘就会偏离平衡位置向下运动，造成环形永磁体产生的上下气隙中偏置磁场的磁通量发生变化，即上面的气隙增大，气隙中偏置磁场的磁通量减小；下面的气隙减小，气隙中偏置磁场的磁通量增大；由于在磁极面积一定时，磁场吸力与磁场磁通量的平方成正比，因此向上的吸力小于向下的吸力；在控制绕组没有通入电流之前，转子盘无法回到平衡位置；此时位移传感器检测出转轴偏离其参考位置的位移量，控制器将这一位移信号变换成控制信号，功率放大器又将此控制信号变换成控制电流，这个电流流经控制绕组在铁心和径向气隙中建立起一个控制磁场，径向气隙中的控制磁场和偏置磁场叠加，使转子盘上面径向气隙中磁场的磁通量增大，下面径向气隙中磁场的磁通量减小，从而产生一个向上的吸力，将转子盘拉回平衡位置；同理，不论转子盘受到向上、向下、向左或向右的外扰动，带位置负反馈的永磁偏置径向磁悬浮轴承通过控制器控制绕组中的电流，调节各径向气隙磁通的大小，始终能保持转子盘在平衡位置，从而实现转子的稳定悬浮。

新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机结合了磁轴承与双凸极电机的特点，既发挥了磁悬浮轴承无机械磨损、寿命长等优点，又实现了双凸极电机能耗小、效率高的目的。

重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本实用新型的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本实用新型的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本实用新型不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本实用新型的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本实用新型不相关的那些特征)。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：包括，

承载体(100)，包括套筒(101)以及设置于所述套筒(101)两端的圆盘(102)，且两者有构成容置空间(N1)；

悬浮组件(200)，与所述套筒(101)内壁连接；以及，

转动组件(300)，设置于所述容置空间(N1)内。

2.如权利要求1所述的新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：所述转动组件(300)包括定子体(301)、设置于所述定子体(301)内侧的转子体(302)以及位于所述转子体(302)内侧的转轴(303)；

其中，所述转轴(303)的两端穿过所述圆盘(102)的过孔(102a)。

3.如权利要求2所述的新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：所述定子体(301)的电机定子凸极(301a)与所述圆盘(102)的内侧，并沿过孔(102a)的边缘处均匀分布；

其中，所述定子体(301)还包括电枢绕组(301b)，所述电枢绕组(301b)绕设于所述电机定子凸极(301a)的外围。

4.如权利要求2或3所述的新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：所述转子体(302)包括转子盘(302a)和电机转子凸极(302b)，所述电机转子凸极(302b)设置于所述转子盘(302a)上；

其中，所述转子盘(302a)设置于所述转轴(303)的外围。

5.如权利要求4所述的新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：所述电机转子凸极(302b)与电机定子凸极(301a)之间设置有间隙；

其中，所述间隙范围为0.5mm-1mm。

6.如权利要求5所述的新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：所述电机转子凸极(302b)至少设置三个，所述电机定子凸极(301a)至少设置二个，并两者的数量设置符合双凸极电机定子极数和转子极数的配合标准。

7.如权利要求5或6所述的新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：所述悬浮组件(200)包括转子盘(302a)、磁轴承定子凸极(201)、磁轴控制绕组(202)、磁轴承定子磁轭(203)和永磁体(204)，所述永磁体(204)设置于所述套筒(101)与磁轴承定子磁轭(203)之间，所述磁轴承定子凸极(201)设置于所述磁轴承定子磁轭(203)内，所述磁轴控制绕组(202)绕设于所述磁轴承定子凸极(201)外侧；

所述磁轴承定子磁轭(203)设置于所述套筒(101)内壁上。

8.如权利要求7所述的新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：所述磁轴承定子凸极(201)与转子盘(302a)之间设置有间隙；

其中，所述间隙范围为0.4mm-1mm。

9.如权利要求8所述的新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：所述磁轴承定子凸极(201)至少设置有三个，三个所述磁轴承定子凸极(201)均匀设置于所述磁轴承定子磁轭(203)内壁上；

其中，所述磁轴控制绕组(202)的个数与所述磁轴承定子凸极(201)的个数相同。

10.如权利要求8或9所述的新型磁悬浮轴向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：所述永磁体(204)的厚度与所述磁轴承定子磁轭(203)的厚度相同。

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