CN113472241B - 一种五自由度永磁磁悬浮电机 - Google Patents

一种五自由度永磁磁悬浮电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及磁悬浮电机技术领域，提供一种五自由度永磁磁悬浮电机，包括：电机本体、径向永磁磁悬浮轴承和永磁涡流悬浮装置；径向永磁磁悬浮轴承，包括：第一静磁环、第一动磁环、第二静磁环和第二动磁环；所述第一动磁环设置在转子轴上，第一动磁环的外侧套有第一静磁环，第一静磁环安装在第一端盖上；第二动磁环设置在转子轴上，第二动磁环的外侧套有第二静磁环，第二静磁环安装在第二端盖上；永磁涡流悬浮装置，包括：安装在转子轴两端或者同端的两组永磁涡流悬浮机构；每组永磁涡流悬浮机构，包括：导体转子、导体转子基体、永磁体转子、永磁体转子基体以及支撑机构。本发明能够实现五个自由度的完全永磁悬浮，并提高其承载能力。

Description

一种五自由度永磁磁悬浮电机
技术领域
本发明涉及磁悬浮电机技术领域，尤其涉及一种五自由度永磁磁悬浮电机。
背景技术
现有电机一般采用机械轴承，存在摩擦、磨损严重、容易发热、效率低、以及润滑油对环境产生污染等一系列问题。如果采用无接触式磁悬浮轴承，则可避免转子与定子的摩擦损失，既可降低维护成本，又可大幅度提升电机的使用寿命。
磁悬浮轴承一般分为主动式磁悬浮轴承(Active Magnetic Bearing，AMB)、被动式磁悬浮轴承(Passive Magnetic Bearing，PMB)及混合式磁悬浮轴承(Hybrid MagneticBearing，HMB)等三种类型。主动式磁悬浮轴承和混合式磁悬浮轴承均需要多个传感器、控制器及功率放大器对转轴进行实时检测和控制，以实现其高精度控制要求，但其导致控制***较为复杂，设计及制造成本较高。
被动式磁悬浮轴承(PMB)无需AMB及HMB所需的复杂控制***，具有机械结构简单、体积小、损耗低等优点，是目前最有潜力的磁悬浮支承技术。但由Earnshaw定理知，采用PMB的磁悬浮电机无法实现五自由度稳定悬浮，因此，除保护轴承外，一般还需要在磁悬浮电机中加入至少一个机械支撑轴承或电磁支撑轴承，才能达到稳定悬浮的目的。而加入了机械轴承或电磁轴承的磁悬浮电机就存在摩擦、磨损或控制***复杂等系列问题，无法达到理想状态下的稳定磁悬浮电机。
发明内容
本发明主要解决现有技术的磁悬浮电机无法实现五自由度稳定悬浮，加入了机械轴承或电磁轴承的磁悬浮电机存在摩擦、磨损或控制***复杂等技术问题，提出一种五自由度永磁磁悬浮电机，以可实现五个自由度的完全永磁悬浮，并提高其承载能力。
本发明提供了一种五自由度永磁磁悬浮电机，包括：电机本体、径向永磁磁悬浮轴承和永磁涡流悬浮装置；
所述电机本体，包括：定子铁心、定子绕组、第一端盖、第二端盖、转子及转子轴；
所述转子轴上设置转子，所述转子外部套有定子铁心；所述定子铁心的两端分别设置定子绕组；所述电机本体的一侧设置第一端盖，另一侧设置第二端盖；
所述径向永磁磁悬浮轴承，包括：第一静磁环、第一动磁环、第二静磁环和第二动磁环；
所述第一动磁环设置在转子轴上，所述第一动磁环的外侧套有第一静磁环，所述第一静磁环安装在第一端盖上；所述第二动磁环设置在转子轴上，所述第二动磁环的外侧套有第二静磁环，所述第二静磁环安装在第二端盖上；
所述永磁涡流悬浮装置，包括：安装在转子轴两端或者同端的两组永磁涡流悬浮机构；
每组永磁涡流悬浮机构，包括：导体转子、导体转子基体、永磁体转子、永磁体转子基体以及支撑机构；
所述导体转子基体设置在转子轴的端部，所述导体转子基体上设置导体转子；
所述永磁体转子基体设置在支撑机构上，所述永磁体转子基体上设置永磁体转子；
所述导体转子与永磁体转子相对设置；
所述永磁体转子具有在圆周方向均匀分布的多块永磁体块，且相邻永磁体块的磁极充磁方向相反；所述永磁体块的磁化方向均为轴向充磁；
当两组永磁涡流悬浮机构在转子轴的同端时，两组永磁涡流悬浮机构共用导体转子基体。
优选的，所述第一静磁环、第一动磁环、第二静磁环和第二动磁环均为轴向充磁。
优选的，所述支撑机构，包括：立板、保护轴承及立板伸出轴；
所述立板上设置立板伸出轴，所述立板伸出轴通过保护轴承与转子轴的端部连接。
优选的，所述立板安装在底板上。
优选的，所述导体转子的形状为圆环型。
优选的，所述导体转子为良导体材料或抗磁材料。
优选的，所述永磁体转子的永磁体块均为扇形结构。
优选的，所述第一动磁环与第一静磁环之间具有气隙，所述第二动磁环与第二静磁环之间具有气隙。
本发明提供的一种五自由度永磁磁悬浮电机，与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明可实现完全五个自由度的永磁悬浮：在五个自由度上均无需电磁轴承和机械轴承进行限制，仅有在转子静止时两端需要一对机械保护轴承，因而可实现五个自由度的完全永磁悬浮；另外，由于本发明的五个自由度全部采用永磁悬浮进行限制，因而不会出现所谓的陀螺效应，即本发明转子轴在轴向及径向上的偏移小，不会出现转子因受力不平衡时所产生的绕中心轴以一定角度转动的现象。
2、本发明具有结构简洁、可靠性高、体积小、功耗低和重量轻等优点：本发明为全永磁悬浮；既无需体积庞大的主动式电磁轴承、也无需混合式磁轴承，更无需现有的电磁轴承所需的复杂控制***，因此不仅可靠性高，而且磁悬浮电机本体的整体体积小，因此功耗低，并大幅提高了其承载能力。
3、本发明具有较好的阻尼作用：本发明在轴向方向上采用了永磁涡流悬浮装置，因此工作时，当电机转子在轴向或径向发生振动或颤动时，根据楞次定律，永磁涡流悬浮装置中的导体转子和永磁体转子上将产生涡流，这些涡流可将电机转子轴的振动转化为热能消耗掉，而且导体转子和永磁体转子上的涡流是随电机转子轴的振动或颤动实时产生的，即本发明所述的阻尼作用具有实时性和自适应性，因此具有较好的阻尼作用。
综上，本发明提供的五自由度永磁磁悬浮电机(无论是永磁体对永磁体悬浮，还是永磁体对导体盘悬浮)，均利用了永磁体磁悬浮的固有本质性特征。与现有的五自由度磁悬浮电机和磁悬浮***相比，本发明具有机电结构简单，整体体积小，功耗低，可完全、彻底地实现永磁体五自由度悬浮，省去了现有主动式(或混合式)磁悬浮***中技术难度最大，成本也相对最为昂贵的控制***；也省去了现有被动式悬浮***所必须的机械支撑轴承，并且技术成熟，价格也相对低廉。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的五自由度永磁磁悬浮电机的剖视图；
图2是图1中A-A线的剖视图；
图3是图1中B-B线的剖视图；
图4是本发明实施例二提供的五自由度永磁磁悬浮电机的剖视图。
附图标记：I、电机本体，1、第一立板，2、第一永磁体转子基体，3、第一导体转子基体，4、转子轴，5、负载，6、第一静磁环，7、定子绕组，8、定子铁心，9、第二端盖，10、第二导体转子基体，11、第二永磁体转子基体，12、第二立板，13、第二立板伸出轴，14、第二保护轴承，15、第二永磁体转子，16、底板，17、第二导体转子，18、第二动磁环，19、第二静磁环，20、转子，21、第一动磁环，22、第一端盖，23、第一导体转子，24、第一永磁体转子，25、第一立板伸出轴，26、第一保护轴承。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供的五自由度永磁磁悬浮电机，包括：电机本体I、径向永磁磁悬浮轴承和永磁涡流悬浮装置。
所述电机本体I，包括：定子铁心8、定子绕组7、第一端盖22、第二端盖9、转子20及转子轴4；所述转子轴4上设置转子20，所述转子20外部套有定子铁心8；所述定子铁心8的两端分别设置定子绕组7；所述电机本体I的一侧设置第一端盖22，另一侧设置第二端盖9。在本实施例中，电机本体I没有机械支撑轴承，即第一端盖22和第二端盖9处无机械支撑轴承。
所述径向永磁磁悬浮轴承，包括：第一静磁环6、第一动磁环21、第二静磁环19和第二动磁环18；所述第一动磁环21设置在转子轴4上，所述第一动磁环21的外侧套有第一静磁环6，所述第一静磁环6安装在第一端盖22上；所述第二动磁环18设置在转子轴4上，所述第二动磁环18的外侧套有第二静磁环19，所述第二静磁环19安装在第二端盖9上。所述第一动磁环21与第一静磁环6之间具有气隙，所述第二动磁环18与第二静磁环19之间具有气隙。第一静磁环6、第一动磁环21、第二静磁环19和第二动磁环18均为轴向充磁。装配完毕后的动磁环和静磁环保持同轴，且无轴向偏移。
在本实施例中，所述永磁涡流悬浮装置，包括：安装在转子轴4两端的两组永磁涡流悬浮机构，即第一永磁涡流悬浮机构和第二永磁涡流悬浮机构。
所述第一永磁涡流悬浮机构，包括：第一导体转子23、第一导体转子基体3、第一永磁体转子24、第一永磁体转子基体2以及第一支撑机构。所述第一导体转子基体3设置在转子轴4的端部，所述第一导体转子基体3上设置第一导体转子23；所述第一永磁体转子基体2设置在第一支撑机构上，所述第一永磁体转子基体2上设置第一永磁体转子24；所述第一导体转子23与第一永磁体转子24相对设置。
所述第二永磁涡流悬浮机构，包括：第二导体转子17、第二导体转子基体10、第二永磁体转子15、第二永磁体转子基体11以及第二支撑机构。所述第二导体转子基体10设置在转子轴4的端部，所述第二导体转子基体10上设置第二导体转子17；所述第二永磁体转子基体11设置在第二支撑机构上，所述第二永磁体转子基体11上设置第二永磁体转子15；所述第二导体转子17与第二永磁体转子15相对设置。
如图2、3所示，所述第一永磁体转子24和第二永磁体转子15具有在圆周方向均匀分布的多块永磁体块，且相邻永磁体块的磁极充磁方向相反；所述第一永磁体转子24和第二永磁体转子15的永磁体块均采用扇形结构，磁化方向均为轴向充磁。
所述第一导体转子23和第二导体转子17的形状为圆环型。所述第一导体转子23和第二导体转子17均为良导体材料或抗磁材料。
进一步的，所述第一支撑机构，包括：第一立板1、第一保护轴承26及第一立板伸出轴25；所述第一立板1上设置第一立板伸出轴25，所述第一立板伸出轴25上可安装第一永磁体转子基体2；所述第一立板伸出轴25通过第一保护轴承26与转子轴4的端部连接。
所述第二支撑机构，包括：第二立板12、第二保护轴承14及第二立板伸出轴13；所述第二立板12上设置第二立板伸出轴13，所述第二立板伸出轴13上可安装第二永磁体转子基体11；所述第二立板伸出轴13通过第二保护轴承14与转子轴4的端部连接。
所述第一立板1和第二立板12安装在底板16上。第一立板伸出轴25和第二立板伸出轴13与转子轴4同轴。
第一保护轴承26和第二保护轴承14在磁悬浮电机静止时起支撑作用，在运行发生故障时起保护作用。
本实施例的五自由度永磁磁悬浮电机在工作时，负载5置于第一导体转子基体3和第一端盖22之间的转子轴4上，并靠近第一端盖22。
本发明提供的五自由度永磁磁悬浮电机的工作原理：
电机I中的定子绕组7通入三相交流电时将产生切割转子20绕组的旋转磁场，并在转子绕组中产生感应电流，驱动电机I中的转子轴4旋转，进而带动第一动磁环21和第二动磁环18、第一导体转子基体3和第二导体转子基体10、第一导体转子23和第二导体转子17旋转。
本发明的径向永磁磁悬浮轴承既可为斥力型，也可为吸力型。下面以斥力型径向永磁磁悬浮轴承为例，简述其工作原理：当所述的第一动磁环21和第二动磁环18对第一静磁环6和第二静磁环19产生相对径向位移时，径向气隙变小的一侧所产生的磁斥力增大，而另一侧则减小，第一动磁环21和第二动磁环18将产生与相对径向位移方向相反磁力，使其恢复至径向平衡位置。
本发明的永磁涡流悬浮装置，第一导体转子23、第二导体转子17、第一导体转子基体3和第二导体转子基体10旋转时，将切割第一永磁体转子24和第二永磁体转子15所产生的磁力线，并在第一导体转子23、第二导体转子17上产生感生电流，进而产生感生磁场；由于第一导体转子23、第二导体转子17具有抗磁性，因此其所产生的感生磁场与第一永磁体转子24和第二永磁体转子15的磁场互为斥力型；当磁悬浮电机转子轴4产生向第二的轴向偏移时，第二导体转子17与第二永磁体转子15之间的气隙小于第一导体转子23和第一永磁体转子24之间的间隙，第二导体转子17所受的磁斥力将大于第一导体转子23所受的磁斥力，因此转子轴4将受到一个向第一的磁场力，使其恢复至轴向平衡位置。反之，当磁悬浮电机转子轴4产生向第一的轴向偏移时，其将受到一个向第二的磁场力，使其恢复至轴向平衡位置。
当转子轴4为静态时，即磁悬浮电机未启动时，转子轴4由两组径向永磁磁悬浮轴承支撑，而轴向则由机械第一保护轴承26和第二保护轴承14支撑。
本发明的五自由度永磁磁悬浮电机，可实现完全五个自由度的永磁悬浮。Earnshaw定理指出：永磁体、直流线圈组合的磁悬浮***，至少需要对一个自由度进行限制，才能实现稳定悬浮。对这个所需限制的自由度，现有的五自由度磁悬浮***大多采用轴向电磁轴承或机械式轴承对其进行限制；采用电磁轴承的缺点是体积及功耗大，控制***复杂，可靠性低；采用机械轴承的缺点是临界转速低且有润滑油污染；而本发明在五个自由度上均无需电磁轴承和机械轴承进行限制，仅有在转子静止时两端需要一对机械保护轴承，因而可实现五个自由度的完全永磁悬浮；另外，由于本发明的五个自由度全部采用永磁悬浮进行限制，因而不会出现所谓的陀螺效应，即本发明所述的转子轴在轴向及径向上的偏移小，不会出现转子因受力不平衡时所产生的绕中心轴以一定角度转动的现象。
本发明为全永磁悬浮；既无需体积庞大的主动式电磁轴承、也无需混合式磁轴承，更无需现有的电磁轴承所需的复杂控制***，因此不仅可靠性高，而且磁悬浮电机本体的整体体积小，因此功耗低，并大幅提高了其承载能力。
现有的永磁悬浮轴承阻尼小(或无阻尼)，一般需加入主动阻尼线圈。由于本发明在轴向方向上采用了永磁涡流悬浮装置，因此工作时，当电机转子在轴向或径向发生振动或颤动时，根据楞次定律，永磁涡流悬浮装置中的导体转子和永磁体转子上将产生涡流，这些涡流可将电机转子轴的振动转化为热能消耗掉，而且导体转子和永磁体转子上的涡流是随电机转子轴的振动或颤动实时产生的，即本发明所述的阻尼作用具有实时性和自适应性，因此具有较好的阻尼作用。
实施例二
如图4所示，本发明实施例提供的五自由度永磁磁悬浮电机，包括：电机本体I、径向永磁磁悬浮轴承和永磁涡流悬浮装置。
电机本体I、径向永磁磁悬浮轴承与实施例一相同，区别在于永磁涡流悬浮装置。
在本实施例中，所述永磁涡流悬浮装置，包括：安装在转子轴4同端的两组永磁涡流悬浮机构，即第一永磁涡流悬浮机构和第二永磁涡流悬浮机构，第一永磁涡流悬浮机构和第二永磁涡流悬浮机构可合为一体，放置于电机本体I的尾部(即转子轴4的右端)。
在本实施例中，两组永磁涡流悬浮机构在转子轴4的同端，两组永磁涡流悬浮机构共用导体转子基体(第一导体转子基体3和第二导体转子基体10采用同一块导体转子基体)。具体的，第一永磁体转子基体2和第一导体转子基体3置于转子轴4的端部，第一导体转子基体3靠外侧，第二永磁体转子基体11置于第二立板伸出轴13上。
本实施例的五自由度永磁磁悬浮电机在工作时，负载5置于第一立板1和第一端盖22之间的转子轴4上，并靠近第一端盖22。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其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，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种五自由度永磁磁悬浮电机，其特征在于，包括：电机本体、径向永磁磁悬浮轴承和永磁涡流悬浮装置；
所述电机本体，包括：定子铁心(8)、定子绕组(7)、第一端盖(22)、第二端盖(9)、转子(20)及转子轴(4)；
所述转子轴(4)上设置转子(20)，所述转子(20)外部套有定子铁心(8)；所述定子铁心(8)的两端分别设置定子绕组(7)；所述电机本体的一侧设置第一端盖(22)，另一侧设置第二端盖(9)；
所述径向永磁磁悬浮轴承，包括：第一静磁环(6)、第一动磁环(21)、第二静磁环(19)和第二动磁环(18)；
所述第一动磁环(21)设置在转子轴(4)上，所述第一动磁环(21)的外侧套有第一静磁环(6)，所述第一静磁环(6)安装在第一端盖(22)上；所述第二动磁环(18)设置在转子轴(4)上，所述第二动磁环(18)的外侧套有第二静磁环(19)，所述第二静磁环(19)安装在第二端盖(9)上；
所述永磁涡流悬浮装置，包括：安装在转子轴(4)两端或者同端的两组永磁涡流悬浮机构；
每组永磁涡流悬浮机构，包括：导体转子、导体转子基体、永磁体转子、永磁体转子基体以及支撑机构；
所述导体转子基体设置在转子轴的端部，所述导体转子基体上设置导体转子；
所述永磁体转子基体设置在支撑机构上，所述永磁体转子基体上设置永磁体转子；
所述导体转子与永磁体转子相对设置；
所述永磁体转子具有在圆周方向均匀分布的多块永磁体块，且相邻永磁体块的磁极充磁方向相反；所述永磁体块的磁化方向均为轴向充磁；
当两组永磁涡流悬浮机构在转子轴(4)的同端时，两组永磁涡流悬浮机构共用导体转子基体。
2.根据权利要求1所述的五自由度永磁磁悬浮电机，其特征在于，所述第一静磁环(6)、第一动磁环(21)、第二静磁环(19)和第二动磁环(18)均为轴向充磁。
3.根据权利要求1所述的五自由度永磁磁悬浮电机，其特征在于，所述支撑机构，包括：立板、保护轴承及立板伸出轴；
所述立板上设置立板伸出轴，所述立板伸出轴通过保护轴承与转子轴的端部连接。
4.根据权利要求3所述的五自由度永磁磁悬浮电机，其特征在于，所述立板安装在底板(16)上。
5.根据权利要求1所述的五自由度永磁磁悬浮电机，其特征在于，所述导体转子的形状为圆环型。
6.根据权利要求1或5所述的五自由度永磁磁悬浮电机，其特征在于，所述导体转子为良导体材料或抗磁材料。
7.根据权利要求1所述的五自由度永磁磁悬浮电机，其特征在于，所述永磁体转子的永磁体块均为扇形结构。
8.根据权利要求1所述的五自由度永磁磁悬浮电机，其特征在于，所述第一动磁环(21)与第一静磁环(6)之间具有气隙，所述第二动磁环(18)与第二静磁环(19)之间具有气隙。
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