CN102570926B - 五自由度悬浮的电动-发电*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种五自由度悬浮的电动-发电***。它包括：机壳、转轴、左端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机、右端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电以及两个辅助轴承。两个三自由度的无轴承电机实现了***的五自由度悬浮，同时轴向具备冗余功能。左端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机用作发电机，输出电能，右端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机用作电动机，输出转矩。这种五自由度悬浮的电动-发电***，集电动、发电和悬浮功能于一体，在航空航天、生命科学、化工、半导体工业等众多特殊的电力传动领域中具有广泛的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种五自由度悬浮的电动-发电***，是一种集电动、发电以及悬浮功能于一体的高速电机***，属于电力传动控制设备的技术领域。
背景技术
随着现代工业的飞速发展，高速电机和超高速电机已经得到了越来越广泛的应用，诸如高速高精度机床、涡轮分子泵、高速离心机、压缩机、飞轮储能以及航空航天领域等。要实现电机的高速、超高速可靠运转，必须解决高速下转子的支撑问题。传统的机械轴承在转子高速旋转时所受的摩擦阻力增加，磨损加剧，造成电机发热，不仅降低了电机的工作效率，缩短了电机和轴承的使用寿命，也增加了对电机和轴承维护的负担。
无轴承电机技术将电机转矩输出和转子电磁悬浮支撑功能集成于一体，解决了传统机械轴承在高速、超高速场合的磨损问题，不但具有的无接触、无润滑、无磨损、无机械噪声、高速度、高精度、长寿命等优良特性，而且具有体积小、轴向空间利用率高、电能消耗小等优点，是高速电机领域研究的一个重大突破。
要实现电机的稳定悬浮，需要控制其空间上的五个自由度。传统的五自由度磁悬浮***通常有三种结构：1.采用两个径向磁轴承、一个轴向磁轴承和一台电机构成；2.采用一个轴向磁轴承和两台两自由度无轴承电机构成；3.采用一个三自由度轴向径向混合磁轴承和一台两自由度无轴承电机构成。其中，第一种结构径向磁轴承和轴向磁轴承均占据了一定轴向空间， 使得转子上产生转矩的有效轴向长度减小，且刚度降低，此外控制***也相当复杂；第二种结构具有多重冗余与容错功能，但轴向长度仍较长；第三种结构将轴向径向磁轴承结合为一体，有效缩短了轴向长度，但轴向径向混合磁轴承仅有支撑功能，***不具备冗余与容错功能。因此需要寻求一种结构更加紧凑，功能更为全面的新型无轴承电机***。
在航空航天、生命科学、化工、半导体等众多运用无轴承电机的特殊场合，特别是密封的真空场合或超洁净领域，对密封***内的控制电路或者传感器供电可能会存在困难。若采用电池供电，电池的更换可能比较麻烦；若采用外部电源输入，对密封性的要求就会加大。此外，在一些特殊场合可能不便安装光码盘等机械式传感器来测量电机的转速，因此给***运行状况的监测带来了困难。为了解决无轴承技术在应用中遇到的上述问题，扩大无轴承技术的应用领域，就需要寻求一种新型的结构或装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种五自由度悬浮的电动-发电***，该***集电动、发电和悬浮功能于一体，不但能够实现电机***的五自由度悬浮，还同时具备转矩输出和电能输出的功能，可应用于各种特殊的高速场合。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种五自由度悬浮的电动-发电***，包括一个机壳和一根转轴，器特征在于：有一个左端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机和一个右端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机安装于所述机壳内部左右两端并套装在所述转轴上，有两个辅助轴承分别安装于电机转轴的两侧而支承转轴。
所述左端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机和右端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机的结构特征是：在径向定子铁心上分别嵌绕有一套三相四对极转矩控制绕组用于控制电机的转矩输出和一套三相一对极径向悬浮控制绕组用于控制转子铁心所受的径向悬浮力。径向定子铁心的左右两端分别安装有两块轴向定子铁心，在两块轴向定子铁心上分别嵌绕有一套轴向悬浮控制绕组，两套轴向悬浮控制绕组串联相接，用于控制转子铁心所受的轴向悬浮力。转子永磁体以径向方向安装在转子铁心外圆周上，转子永磁体沿径向方向均为同极性排列，转子永磁体之间的转子铁心被交替磁化成相同的另一极性，装有转子转轴的转子铁心置放于径向定子铁心的正中间位置。
为了防止***过热，影响***的可靠运行，它还具有一套冷却***，包括出水孔、入水孔和冷却水槽，其中出水孔和入水孔分别位于机壳轴向的两侧，冷却水槽则环设于机壳上。
为了对本***进行有效控制，它还包括传感器检测***，采用的位移传感器均为电涡流位移传感器。具体包括左端发电机径向位移传感器、右端电动机径向位移传感器和轴向位移传感器。
本发明的工作原理是：采用两套轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机实现***的五自由度悬浮，其中轴向的一个自由度的悬浮可以由其中一套电机实现，另一套电机的轴向悬浮功能则作为备份，即在轴向有一个冗余，即便其中一套电机的轴向悬浮绕组出现故障，仍能实现***的轴向悬浮，从而提高了***的安全性和可靠性。右端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机用作电动机，输出所需的转矩。左端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机用作发电机，将外部输入的电能转化为电压电流值可调的电能输出，给其它电气设备供电，还可以作为测速发电机检测***的转速。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1. 同时具备电动机、发电机和悬浮的功能，在实现转轴五自由度悬浮的同时，即可以输出转矩，又可以输出所需的电能，还可以测速，拓宽了无轴承电机的应用领域。
2. 轴向悬浮有一个冗余，即便其中一套电机的轴向悬浮绕组出现故障，***仍能实现轴向的悬浮，提高了***的安全性和可靠性。
3. 轴向空间利用率高，结构简单，特别适合要求体积小、重量轻、高可靠性和长寿命的场合。
4. 便于机械加工组装和模块化生产、降低机械加工工艺要求、成本造价低。
总的来说，本发明构造的五自由度悬浮的电动-发电***，集电动、发电和悬浮功能于一体，实现了***的五自由度悬浮，与传统的五自由度悬浮***相比，轴向利用率更高，而且可以实现轴向悬浮功能的容错或冗余功能。此外，在密封的真空场合或超洁净领域，可以采用该电机***中的发电功能来给密封***内的控制电路或者传感器供电；而在不便安装光码盘等机械式传感器的场合，可以利用发电部分作为测速发电机来检测电机的转速。因此，本发明凭借其紧凑的结构和强大的功能，在航空航天、生命科学、化工、半导体工业等众多特殊的电力传动领域中具有广泛的应用价值。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：
参见图1，本五自由度悬浮的电动-发电***，由机壳20、转轴21、左端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机22、右端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机18以及两个辅助轴承16、24构成。一个轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机安装于***左端，用作发电机，可以将外部输入的电能转化为电压电流值可调的电能输出，给
其它电气设备供电，也可以作为测速发电机检测***的转速；另一个轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机安装于***右端，用作电动机，输出转矩；两个辅助轴承16、24分别安装于转轴21的两侧。左端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机22和右端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机18的特征是：在径向定子铁心4、11上分别嵌绕一套三相四对极转矩控制绕组2、9用于控制电机的转矩输出和一套三相一对极径向悬浮控制绕组1、8用于控制转子铁心所受的径向悬浮力。径向定子铁心4、11的左右两端分别安装有两块轴向定子铁心7、14，在两块轴向定子铁心7、14上分别嵌绕有一套轴向悬浮控制绕组3、10，两套轴向悬浮控制绕组串联相接，用于控制转子铁心6、12所受的轴向悬浮力。转子永磁体5、13以径向方向安装在转子铁心6、12外圆周上，转子永磁体沿径向方向均为同极性排列，转子永磁体之间的转子铁心被交替磁化成相同的另一极性，装有转子转轴21的转子铁心6、12置放于径向定子铁心4、11的正中间位置。
冷却***包括出水孔17、入水孔23和冷却水槽19，出水孔17和入水孔23分别位于机壳20轴向的两侧，冷却水槽19环设于机壳20上。
传感器检测***包括左端发电机径向位移传感器25、右端电动机径向位移传感器15和轴向位移传感器26。右端电动机径向位移传感器15位于右端辅助轴承16的右侧，左端发电机径向位移传感器25位于左端辅助轴承24的左侧，轴向位移传感器26位于转轴21轴向最左端。采用的位移传感器均为电涡流位移传感器。
左端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机22通过控制径向悬浮控制绕组1中的悬浮控制电流，改变由转矩控制绕组2产生的旋转磁场的对称分布，从而在转子上产生大小和方向可控的径向悬浮力，实现电机径向的两自由度悬浮；而轴向悬浮控制绕组3则改变转子永磁体5在轴向左右气隙处产生的磁场，从而产生一个轴向的悬浮力，实现轴向一个自由度的悬浮；右端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机18亦然。因此，左端三个自由度的悬浮加上右端三个自由度的悬浮可实现五自由度的悬浮，而且轴向还有一个自由度的冗余。在实际工作过程中，使左端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机22工作在发电状态，由转矩控制绕组2输出所需要的电压或电流值，或者用于检测***转速，使右端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机18工作在电动状态，由转轴21输出所需的转矩。
Claims (1)
1.一种五自由度悬浮的电动-发电***，包括一个机壳（20）和一根转轴（21），其特征在于：有一个左端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机（22）和一个右端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机（18）分别安装于所述机壳（20）内部左右两端并套装在所述转轴（21）上，有两个辅助轴承（16、24）分别安装于转轴（21）的两侧而支承转轴（21）；所述左端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机（22）和右端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机（18）分别包括两块轴向定子铁心（7、14），该两块轴向定子铁心（7、14）分别安装于径向定子铁心（4、11）的左右两端，在两块轴向定子铁心（7、14）上分别嵌绕了一套轴向悬浮控制绕组（3、10），该两套轴向悬浮控制绕组（3、10）串联相接，所述径向定子铁心（4、11）上分别嵌绕一套三相四对极转矩控制绕组（2、9）和一套三相一对极径向悬浮控制绕组（1、8）；所述两个永磁电机（22、18）各有一个转子永磁体（5、13）分别以径向方向安装在一个转子铁心（6、12）外圆周上，所述转子永磁体（5、13）沿径向方向均为同极性排列，该转子永磁体（5、13）之间的转子铁心（6、12）被交替磁化成相同的另一极性，装有转子转轴（21）的转子铁心（6、12）置放于径向定子铁心（4、11）的正中间位置；本电动-发电***有一个冷却***：包括一个出水孔（17）、一个入水孔（23）和一个冷却水槽（19），所述出水孔（17）和入水孔（23）分别位于机壳（20）轴向的两侧，所述冷却水槽（19）环设于机壳（20）上；本电动-发电***还有一个传感器检测***：包括一个左端发电机径向位移传感器（25）、一个右端电动机径向位移传感器（15）和一个轴向位移传感器（26），所述左端发电机径向位移传感器（25）位于左端辅助轴承（24）的左侧，右端电动机径向位移传感器（15）位于右端辅助轴承（16）的右侧，轴向位移传感器（26）位于转轴（21）轴向最左端，所采用的位移传感器（25、15、26）均为电涡流位移传感器。
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