CN216904706U - 盘式磁悬浮电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种盘式磁悬浮电机，其中转子总成包括转子外壳和第一永磁环、转子铁芯环、第二永磁环；定子总成包括定子外壳和悬浮模组、驱动旋转模组以及位移传感器，悬浮模组包括多个第一铁芯、多个悬浮线圈、第一导磁盘以及定子永磁环；驱动旋转模组包括多个第二铁芯、多个驱动线圈以及第二导磁盘；定子永磁环对应第一永磁环设置，第一永磁环和定子永磁环构成强化磁路系统；转子铁芯环、第二永磁环、第一铁芯、悬浮线圈以及第一导磁盘构成悬浮磁路系统；转子铁芯环、第二永磁环、第二铁芯、驱动线圈以及第二导磁盘构成驱动旋转磁路系统。本实用新型技术方案大幅度提升了转子总成的悬浮稳定性。

Description

盘式磁悬浮电机

技术领域

本实用新型涉及电机技术领域，特别涉及一种盘式磁悬浮电机。

背景技术

传统电机是由定子和转子组成，定子与转子之间通过机械轴承连接或者存在机械接触，因此转子运动过程中存在机械摩擦，机械摩擦不仅增加动子的摩擦阻力，使运动部件磨损，产生机械振动和噪音，而且会造成部件发热，使润滑剂性能变差，严重的会使电机气隙不均匀，绕组发热，温升增大，从而降低电机效能，缩短电机使用寿命。磁悬浮电机是利用定子和转子励磁磁场之间的“同性相斥、异性相吸”原理使转子悬浮起来，同时产生推动力驱动转子在悬浮状态下运动。因此，定子与转子之间不存在任何机械接触，可以产生较高的加速度和减速度，机械磨损小，机械与电机保护容易，维修、检修和更换方便，适用于恶劣环境、极其洁净无污染和特殊需要的领域。

然而现有的磁悬浮电机的转子悬浮稳定性仍有待提升，因而亟需提出一种悬浮稳定性能更佳的磁悬浮电机。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提出一种盘式磁悬浮电机，通过改进定子总成和转子总成的悬浮结构，旨在提升转子总成的悬浮稳定性。

为实现上述目的，本实用新型提出的盘式磁悬浮电机包括：

转子总成，包括转子外壳和位于所述转子外壳内且沿竖向自上而下依次排列呈同轴设置的第一永磁环、转子铁芯环、第二永磁环；

定子总成，包括定子外壳和设于所述定子外壳内的悬浮模组、驱动旋转模组以及位移传感器，所述位移传感器用于检测转子总成的径向偏移，其中：

所述悬浮模组包括：多个第一铁芯、多个悬浮线圈、第一导磁盘以及定子永磁环，所述第一铁芯呈竖向设置且其下端抵接固定于所述第一导磁盘，多个所述第一铁芯沿所述第一导磁盘的周向间隔分布，以在所述第一导磁盘的上侧空间围合形成一朝上敞口的容置区；每一所述第一铁芯均对应绕制有一所述悬浮线圈，所述悬浮线圈与所述位移传感器相连接；

所述驱动旋转模组位于所述容置区的下部空间内，所述驱动旋转模组包括多个第二铁芯、多个驱动线圈以及第二导磁盘，所述第二铁芯呈竖向设置且其下端抵接固定于所述第二导磁盘，多个所述第二铁芯沿所述第二导磁盘的周向间隔分布，每一所述第二铁芯均对应绕制有一所述驱动线圈；

所述转子总成位于所述容置区的上部空间内，所述定子永磁环对应所述第一永磁环设置，所述第一永磁环和所述定子永磁环构成强化磁路系统，以增强所述转子总成的轴向悬浮力；所述转子铁芯环、所述第二永磁环、所述第一铁芯、所述悬浮线圈以及所述第一导磁盘构成悬浮磁路系统，以使所述转子总成悬浮于所述容置区内；所述转子铁芯环、所述第二永磁环、所述第二铁芯、所述驱动线圈以及所述第二导磁盘构成驱动旋转磁路系统，以驱动所述转子总成在所述容置区内转动。

优选地，所述第二导磁盘固定于所述第一导磁盘上，且所述第二导磁盘与所述第一导磁盘之间设置有阻碍磁力线传导的隔挡件。

优选地，所述第二永磁环由多个沿竖向延伸的永磁柱组成，所述永磁柱的上端固定于所述转子铁芯盘沿所述转子铁芯环的下端面，多个所述永磁柱沿所述转子铁芯环的周向间隔分布；

所述永磁柱的充磁方向为轴向充磁，且相邻的两个所述永磁柱的充磁方向相反。

优选地，所述驱动线圈采用两相控制方式时，所述驱动线圈的数量为2×N 个，其中N为自然数；或者

所述驱动线圈采用三相控制方式时，所述驱动线圈的数量为3×N个，其中N为自然数。

优选地，所述第一铁芯包括铁芯杆和磁轭部，所述磁轭部自所述铁芯杆的顶端水平延伸，且所述磁轭部朝向所述定子总成的轴线方向设置，所述铁芯杆的底部插接固定于所述第一导磁盘；

当所述转子总成悬浮于所述容置区内时，所述磁轭部与所述转子铁芯环呈对应设置。

优选地，所述定子外壳包括：上端盖、机壳和下端盖，所述机壳呈筒状且上下两端均呈敞口设置，所述上端盖安装于所述机壳的上端口，所述上端盖安装于所述机壳的下端口；

所述上端盖的中部对应所述容置区具有朝下凹陷的容置腔，以使所述转子总成活动容置于所述容置腔内；所述驱动旋转模组位于所述容置腔的正下方。

优选地，所述上端盖的下侧面设有供容置固定所述定子永磁环的固定槽。

优选地，所述位移传感为电涡流传感器，所述位移传感器呈水平延伸且朝向所述定子总成的轴线方向设置；

当所述转子总成悬浮于所述容置区时，所述位移传感器对应所述转子铁芯环设置。

优选地，所述位移传感器的数量为四个，且沿所述定子总成的周向均匀地间隔分布。

优选地，所述定子总成还包括沿竖向延伸的固定板，所述固定板位于所述定子外壳内，且所述固定板的下端固定于所述第一导磁盘，所述固定板设有供所述位移传感器贯穿固定的安装孔。

本实用新型技术方案通过在定子总成和转子总成之间形成悬浮磁路系统、旋转磁路系统、强化磁路系统，一方面增强了转子总成在轴向上的悬浮力(悬浮刚度)，另一方面使转子总成的径向偏移和轴向偏移均得到有效抑制，从而大幅度提升转子总成的悬浮稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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为本实用新型盘式磁悬浮电机一实施例的结构示意图；

图2为图1中盘式磁悬浮电机的定子总成和转子总成分离示意图；

图3为图1中盘式磁悬浮电机的俯视图；

图4为图3中盘式磁悬浮电机沿P-P线的剖视图；

图5为图4中A处的局部放大图；

图6为本实用新型盘式磁悬浮电机的闭合磁路示意图；

图7为图2中盘式磁悬浮电机的转子总成的内部结构示意图；

图8为图2中盘式磁悬浮电机的定子总成的内部结构示意图；

图9为本实用新型盘式磁悬浮电机的悬浮结构示意图；

图10为图9中盘式磁悬浮电机的悬浮模组、驱动旋转模组的结构示意图；

图11为本实用新型盘式磁悬浮电机的转子总成内部结构分解示意图；

图12为图8中定子外壳的上端盖的结构示意图；

图13为图9中位移传感器的安装示意图。

附图标号说明：

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后......)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示) 下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提出一种盘式磁悬浮电机，可应用于医疗领域的血液泵，或其他磁悬浮电机应用场景。

在本实用新型一实施例中，参照图1至图11，该盘式磁悬浮电机1包括：

转子总成10，包括转子外壳100和位于转子外壳100内且沿竖向自上而下依次排列呈同轴设置的第一永磁环110、转子铁芯环120、第二永磁环130；

定子总成20包括定子外壳200和设于定子外壳200内的悬浮模组210、驱动旋转模组220以及位移传感器230，位移传感器230用于检测转子总成 10的径向偏移，其中：

悬浮模组210包括：多个第一铁芯211、多个悬浮线圈212、第一导磁盘 213以及定子永磁环214，第一铁芯211呈竖向设置且其下端抵接固定于第一导磁盘213，多个第一铁芯211沿第一导磁盘213的周向间隔分布，以在第一导磁盘213的上侧空间围合形成一朝上敞口的容置区；每一第一铁芯211均对应绕制有一悬浮线圈212，悬浮线圈212与位移传感器230相连接；

驱动旋转模组220位于容置区的下部空间内，驱动旋转模组220包括多个第二铁芯221、多个驱动线圈222以及第二导磁盘223，第二铁芯221呈竖向设置且其下端抵接固定于第二导磁盘223，多个第二铁芯221沿第二导磁盘 223的周向间隔分布，每一第二铁芯221均对应绕制有一驱动线圈222；

转子总成10位于容置区的上部空间内，定子永磁环214对应第一永磁环 110设置，第一永磁环110和定子永磁环214构成强化磁路系统，以增强转子总成10的轴向悬浮力；转子铁芯环120、第二永磁环130、第一铁芯211、悬浮线圈212以及第一导磁盘213构成悬浮磁路系统，以使转子总成10悬浮于容置区内；转子铁芯环120、第二永磁环130、第二铁芯221、驱动线圈222 以及第二导磁盘223构成驱动旋转磁路系统，以驱动转子总成10在容置区内转动。

具体地，转子总成10可活动地容置于定子总成20的容置区内，转子总成10和定子总成20的内部是相对隔绝的。对于转子总成10而言，第一永磁环110、转子铁芯环120、第二永磁环130的外径尺寸优选为同等大小，在转子外壳100内，第一永磁环110、转子铁芯环120、第二永磁环130三者依次沿竖向抵接排列。对于定子总成20而言，其主要包括悬浮模组210、驱动旋转模组220以及位移传感器230，悬浮模组210的主要作用是提供对转子总成 10的悬浮力，驱动旋转模组220的主要作用是提供对转子总成10的旋转驱动力。其中，转子铁芯环120、第一铁芯211、第一导磁盘213、第二铁芯221、第二导磁盘223均由软磁材料制成，其本身不生产磁场(磁力线)、在磁路中只起磁力线传输的作用，转子铁芯环120、第一铁芯211、第一导磁盘213、第二铁芯221、第二导磁盘223采用导磁率比较高的软铁、A3钢以及软磁合金等制成，也可以是由硅钢片垒叠制成的轭铁形成，此处不作具体限定。

当悬浮线圈212通电时，悬浮线圈212产生悬浮磁场，悬浮线圈212产生的磁力线沿着第一铁芯211、第一导磁盘213传导，此时转子铁芯环120、第二永磁环130、第一铁芯211、悬浮线圈212以及第一导磁盘213构成封闭的悬浮磁路系统，继而使得转子总成10悬浮于容置区内。需要说明的是，本方案中，在转子总成10处于悬浮状态时，定子永磁环214对应第一永磁环110 设置，两者处于同一水平高度，第一永磁环110和定子永磁环214均采取轴向充磁的方式，且第一永磁环110和定子永磁环214的充磁方向相反，继而第一永磁环110和定子永磁环214会形成闭合的强化磁路系统，可以增强转子总成10在轴向上的悬浮力(悬浮刚度)，当转子总成10沿轴向(竖直方向) 发生偏移时，根据磁阻最小原理可知：第一永磁环110与定子永磁环214之间产生相反的轴向磁拉力进而使转子总成10恹复至原悬浮位置。如此一来，转子总成10的轴向偏移可以得到有效抑制，从而大幅度提升转子总成10在悬浮状态的悬浮稳定性。

当悬浮线圈212与驱动线圈222同时通电时，转子总成10处于悬浮状态，驱动线圈222产生的磁力线沿着第二铁芯221、第二导磁盘223传导，并且转子铁芯环120、第二永磁环130、第二铁芯221、驱动线圈222以及第二导磁盘223构成封闭的驱动旋转磁路系统，从而使得转子总成10保持悬浮的同时，还能发生转动。驱动线圈222驱动转子总成10旋转的工作原理与永磁同步电机类似，此处不作具体赘述。需要说明的是，悬浮线圈212和驱动线圈222分别独立工作，通人悬浮线圈212和驱动线圈222的电流大小、频率以及波形均不相同，进而避免产生的悬浮磁场和驱动旋转磁场发生磁场耦合的现象。

在转子总成10悬浮过程中，当转子总成10沿径向(水平方向)发生偏移时，会引起位移传感器230的信号变化，位移传感器230检测的偏移信号经过处理单元(包括但不限于放大电路、对比电路等)传输给悬浮线圈212，从而调整悬浮线圈212的电流参数，破坏原有的悬浮磁场平衡状态，产生与径向偏移方向相反的麦克斯韦拉力，将转子总成10恹复至原悬浮位置。

本实用新型技术方案通过在定子总成20和转子总成10之间形成悬浮磁路系统、旋转磁路系统、强化磁路系统，一方面增强了转子总成10在轴向上的悬浮力(悬浮刚度)，另一方面使转子总成10的径向偏移和轴向偏移均得到有效抑制，从而大幅度提升转子总成10的悬浮稳定性。

在本实施例中，第二导磁盘223采用可拆卸方式(如螺钉连接、卡扣连接等)固定于第一导磁盘213上，为了进一步抑制悬浮线圈212和驱动线圈 222产生的磁场发生耦合，第二导磁盘223与第一导磁盘213之间设置有阻碍磁力线传导的隔挡件(图未示出)。该隔挡件可以采用铝质、或者其他非导磁材料(如塑料、陶瓷材料)等制成，进而避免第二导磁盘223与第一导磁盘 213直接接触，从而阻断二者内部磁力线的传导。当然，在一些变形实施例中，该隔挡件也可采取在第二导磁盘223和/或第一导磁盘213表面形成涂层方式实现，此处不作具体限定。

进一步地，对于上述转子总成10的第二永磁环130而言，其第二永磁环 130具体可以由多个沿竖向延伸的永磁柱131组成，永磁柱131的上端固定于转子铁芯盘沿转子铁芯环120的下端面，多个永磁柱131沿转子铁芯环120 的周向间隔分布；永磁柱131的充磁方向为轴向充磁，且相邻的两个永磁柱 131的充磁方向相反。其中永磁柱131的个数为偶数个，优选为8个，且均匀间隔分布。当然，在其他实施例中，第二永磁环130也可以由多个其他形状的永磁体组成，永磁体的个数根据永磁体的形状而定，但永磁体的个数为偶数个，且至少为2个。第二永磁环130采用上述结构，其主要作用是利于磁场集中至第二永磁环130的下侧，从而更利于转子总成10在悬浮模组210和驱动悬浮模组210作用下发生悬浮、转动。

可以理解的是，驱动悬浮模组210的驱动线圈222可以采用两相控制或者三相控制方式。具体地，当驱动线圈222采用两相控制方式时，驱动线圈 222的数量为2×N，其中N为自然数(N≥1)，即驱动线圈222的数量可以为 2、4、6、8......个；当驱动线圈222采用三相控制方式时，驱动线圈222的数量为3×N个，其中N为自然数(N≥1)，即驱动线圈222的数量可以为3、 6、9......个。

进一步地，第一铁芯211包括铁芯杆211a和磁轭部211b，磁轭部211b 自铁芯杆211a的顶端水平延伸，且磁轭部211b朝向定子总成20的轴线方向设置，铁芯杆211a的底部插接固定于第一导磁盘213；当转子总成10悬浮于容置区内时，磁轭部211b与转子铁芯环120呈对应设置。磁轭部211b在磁路中起到传导磁力线的作用，从而以利于形成悬浮磁路系统。

参照图2、图4、图8以及图12，本实施例中，定子外壳200包括上端盖201、机壳202和下端盖203，机壳202呈筒状且上下两端均呈敞口设置，上端盖 201安装于机壳202的上端口，上端盖201安装于机壳202的下端口；上端盖 201的中部对应容置区具有朝下凹陷的容置腔201a，以使转子总成10活动容置于容置腔201a内；驱动旋转模组220位于容置腔201a的正下方。上端盖 201、下端盖203采用可拆卸连接方式将机壳202的上、下端口密封盖合，进而将悬浮模组210和驱动悬浮模组210均封闭于定子外壳200内。此外，上端盖201的下侧面还可以设有供容置固定定子永磁环214的固定槽201b，进而将定子永磁环214固定在上端盖201处，此时，定子永磁环214沿周向环绕在容置腔201a的外侧；当转子总成10悬浮于容置腔201a内时，定子永磁环214可以与转子总成10的第一永磁环110处于同一水平高度，进而以利于形成闭合的强化磁路系统。

进一步地，位移传感为电涡流传感器，位移传感器230呈水平延伸且朝向定子总成20的轴线方向设置；当转子总成10悬浮于容置区时，位移传感器230对应转子铁芯环120设置。位移传感器230的探测面朝向转子总成10 的外周面设置，从而在转子总成10发生径向偏移时，位移传感器230产生相应的电信号。

位移传感器230的数量为多个，上述位移传感器230的数量为两个，两位移传感器230沿定子总成20的周向分布且在同一水平面内，两位移传感器 230呈间隔90度夹角分布。如此，可以提高位移传感器230对转子总成10径向偏移的检测灵敏度和精度。位移传感器230的数量为至少为三个，多个位移传感器230在同一水平面内，且沿定子总成20的周向呈间隔均匀分布。例如位移传感器230可以为3个(或6个)，且呈120度(或60度)间隔分布。作为优选方案的是，参照图9、图10以及图13，本实施例中，位移传感器230 的数量优选为四个，此时两个位移传感器230对应为一组，构成差分电路系统，从而进一步改善位移传感器230对转子总成10径向偏移的检测灵敏度和精度。

为了便于固定位于位移传感器230，本实施例中，参照图13，定子总成 20还包括沿竖向延伸的固定板240，固定板240位于定子外壳200内，且固定板240的下端固定于第一导磁盘213，固定板240设有供位移传感器230贯穿固定的安装孔241，使得位移传感器230贯穿固定于固定板240，位移传感器230的探测面保持朝向定子总成20的轴线方向。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种盘式磁悬浮电机，其特征在于，包括：

转子总成，包括转子外壳和位于所述转子外壳内且沿竖向自上而下依次排列呈同轴设置的第一永磁环、转子铁芯环、第二永磁环；

定子总成，包括定子外壳和设于所述定子外壳内的悬浮模组、驱动旋转模组以及位移传感器所述位移传感器用于检测转子总成的径向偏移，其中：

所述悬浮模组包括：多个第一铁芯、多个悬浮线圈、第一导磁盘以及定子永磁环，所述第一铁芯呈竖向设置且其下端抵接固定于所述第一导磁盘，多个所述第一铁芯沿所述第一导磁盘的周向间隔分布，以在所述第一导磁盘的上侧空间围合形成一朝上敞口的容置区；每一所述第一铁芯均对应绕制有一所述悬浮线圈，所述悬浮线圈与所述位移传感器相连接；

所述驱动旋转模组位于所述容置区的下部空间内，所述驱动旋转模组包括多个第二铁芯、多个驱动线圈以及第二导磁盘，所述第二铁芯呈竖向设置且其下端抵接固定于所述第二导磁盘，多个所述第二铁芯沿所述第二导磁盘的周向间隔分布，每一所述第二铁芯均对应绕制有一所述驱动线圈；

所述转子总成位于所述容置区的上部空间内，所述定子永磁环对应所述第一永磁环设置，所述第一永磁环和所述定子永磁环构成强化磁路系统，以增强所述转子总成的轴向悬浮力；所述转子铁芯环、所述第二永磁环、所述第一铁芯、所述悬浮线圈以及所述第一导磁盘构成悬浮磁路系统，以使所述转子总成悬浮于所述容置区内；所述转子铁芯环、所述第二永磁环、所述第二铁芯、所述驱动线圈以及所述第二导磁盘构成驱动旋转磁路系统，以驱动所述转子总成在所述容置区内转动。

2.如权利要求1所述的盘式磁悬浮电机，其特征在于，所述第二导磁盘固定于所述第一导磁盘上，且所述第二导磁盘与所述第一导磁盘之间设置有阻碍磁力线传导的隔挡件。

3.如权利要求1所述的盘式磁悬浮电机，其特征在于，所述第二永磁环由多个沿竖向延伸的永磁柱组成，所述永磁柱的上端固定于所述转子铁芯盘沿所述转子铁芯环的下端面，多个所述永磁柱沿所述转子铁芯环的周向间隔分布；

所述永磁柱的充磁方向为轴向充磁，且相邻的两个所述永磁柱的充磁方向相反。

4.如权利要求1所述的盘式磁悬浮电机，其特征在于，所述驱动线圈采用两相控制方式时，所述驱动线圈的数量为2×N个，其中N为自然数；或者

所述驱动线圈采用三相控制方式时，所述驱动线圈的数量为3×N个，其中N为自然数。

5.如权利要求1所述的盘式磁悬浮电机，其特征在于，所述第一铁芯包括铁芯杆和磁轭部，所述磁轭部自所述铁芯杆的顶端水平延伸，且所述磁轭部朝向所述定子总成的轴线方向设置，所述铁芯杆的底部插接固定于所述第一导磁盘；

当所述转子总成悬浮于所述容置区内时，所述磁轭部与所述转子铁芯环呈对应设置。

6.如权利要求1所述的盘式磁悬浮电机，其特征在于，所述定子外壳包括：上端盖、机壳和下端盖，所述机壳呈筒状且上下两端均呈敞口设置，所述上端盖安装于所述机壳的上端口，所述上端盖安装于所述机壳的下端口；

所述上端盖的中部对应所述容置区具有朝下凹陷的容置腔，以使所述转子总成活动容置于所述容置腔内；所述驱动旋转模组位于所述容置腔的正下方。

7.如权利要求6所述的盘式磁悬浮电机，其特征在于，所述上端盖的下侧面设有供容置固定所述定子永磁环的固定槽。

8.如权利要求1至7中任意一项所述的盘式磁悬浮电机，其特征在于，所述位移传感为电涡流传感器，所述位移传感器呈水平延伸且朝向所述定子总成的轴线方向设置；

当所述转子总成悬浮于所述容置区时，所述位移传感器对应所述转子铁芯环设置。

9.如权利要求8所述的盘式磁悬浮电机，其特征在于，所述位移传感器的数量为四个，且沿所述定子总成的周向均匀地间隔分布。

10.如权利要求8所述的盘式磁悬浮电机，其特征在于，所述定子总成还包括沿竖向延伸的固定板，所述固定板位于所述定子外壳内，且所述固定板的下端固定于所述第一导磁盘，所述固定板设有供所述位移传感器贯穿固定的安装孔。

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