专利名称：一种高速磁悬浮无轴承永磁电机的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种电机，特别涉及一种高速磁悬浮无轴承永磁电机。该电机釆用了具 有整体结构的永磁体和导磁性护套的转子，定子具有2极转矩绕组和4极悬浮力绕组，转子 依靠电机本身产生的悬浮力支撑，不需要轴承，特别适合用作高速电机使用。
技术背景高速电机由于转速高，功率密度大，其几何尺寸远小于输出相同功率的中低速电机，可 以有效地节约材料；与原动机或负载直接相连，省去了机械变速装置，因而可减小噪音和提 高传动系统效率。高速电机的应用领域越来越为广泛，如高速磨床等加工机床，高速飞轮储 能系统，天然气输送及污水处理中高速离心压縮机和鼓风机，以及微型燃气轮机驱动高速发 电机分布式供电系统等。由于永磁电机具有力能密度大、效率高和无刷等优点，成为高速电机的首选结构。然而， 高速电机转速高达每分钟数万转甚至十几万转，圆周速度可达200m/s以上，永磁体难以承受 高速旋转离心力产生的巨大拉应力， 一般需要采用非导磁高强度合金材料制造的护套保护永 磁体。同时，传统的机械轴承用于高速电机将很快被磨损，需要采用非机械接触式轴承。磁 悬浮轴承较适合于高速电机，但其结构类似于一台电机，在高速电机两端安装磁悬浮轴承， 不仅结构复杂，而且使电机的轴向长度大为增加，从而降低了电机转子的刚度和临界转速， 不利于高速电机的稳定运行。 实用新型内容本实用新型是针对高速永磁电机的特殊结构，提出了一种将磁悬浮轴承与永磁电机集成 于一体的高速无轴承永磁电机设计方案。本实用新型提出的高速磁悬浮无轴承永磁电机是一种同步电机，由机壳、定子铁心、定 子绕组、永磁转子、转轴、左右2个端盖和2个备用轴承组成。定子铁心分为左右两段，皆 由低损耗电工钢片叠压而成，铁心径向内外侧开有放置定子绕组的槽。定子绕组有三套，一 套是用以产生电磁转矩的2极转矩绕组，另外两套是用以产生转子悬浮力的4极悬浮力绕组。 永磁转子由径向充磁整体结构的永磁体、高强度导磁合金钢护套以及紧固件组成，备用轴承 为具有内外环和滚珠的机械接触式轴承，用以高速电机未通电运行时支撑转子，防止转子外表面与定子内表面直接接触。本实用新型高速磁悬浮无轴承永磁电机各零部件之间的连接关系为在机壳的左右两端 部位分别放置由低损电工钢片叠压而成的定子铁心，两段铁心具有相同结构且槽的位置沿轴 向对准。环形结构的2极转矩绕组下层线圈边从左端定子铁心内侧槽中穿过，然后穿入右端 铁心内侧槽，而后经位于定子铁心外侧槽中的上层线圈边返回。环形结构的两个4极悬浮力 绕组的下层边，分别放置在左右两段定子铁心内侧槽中，而上层边分别放置在左右两段定子 铁心外侧槽中。在机壳内定子铁心的两端分别放置左端盖和右端盖，用以固定左右两个备用 轴承，两个备用轴承的内环与电机转子左右紧固件之间有一定的间隙，当电机转子处于悬浮 状态时，备用轴承内环不随转子一起转动，只有当电机不运行转子未处于悬浮状态时，备用 轴承内环才与转子左右紧固件接触而承受转子重量，在电机转轴的中部安放整体结构径向充 磁的环状永磁体，永磁体外部安放用以保护永磁体的高强度导磁合金钢套，永磁体与护环之 间采用过盈配合，使护环对永磁体产生所需要的预压力，永磁体的两端分别采用高强度非导 磁合金钢紧固件将永磁体、护环与转轴连接为一体。转轴的一端用于连接原动机或机械负载。本实用新型的有益效果是1、 高速电机一般采用油轴承、空气轴承和磁悬浮轴承。油轴承和空气轴承是通过在轴承 的定转子之间充油或空气，用以支撑电机转子系统重量，不仅轴承损耗较大，而且承载力难 以控制，而真正实现非接触和承载力可控的是磁悬浮轴承。然而，磁悬浮轴承的结构类似于 一台电机，在高速电机两端安装磁悬浮轴承，不仅结构复杂，而且使电机的轴向长度大为增 加，从而降低了电机转子的刚度和临界转速，不利于高速电机的稳定运行。本实用新型是将 磁悬浮轴承与永磁电机集成于一体，使电机的定转子既能产生驱动电机旋转的电磁转矩，又 能产生支撑转子重量的磁悬浮力，不仅简化了高速电机的结构，而且由于省去了磁力轴承使 电机轴向尺寸縮短，从而增加了高速电机转子系统的刚度和临界转速，提高了其运行稳定性。2、 高速永磁电机通常采用高强度非导磁套筒保护永磁体，然而，由于护套和永磁体的导 磁率很小，使定子悬浮力绕组电流产生的磁场难以进入转子，故产生的悬浮力较小难以支撑 电机转子系统的重量。本实用新型釆用了具有导磁性的高强度合金钢护套，为定子悬浮力绕 组电流产生的磁场提供了通路，可产生足够强的悬浮力支撑转子，解决了永磁转子电机难以 实现转子磁悬浮的技术关键。3、 无轴承电机一般选取(2; +2)极的定子转矩绕组和极的悬浮力绕组，最常见的是 4极转矩绕组和2极悬浮力绕组。根据高速永磁电机的特点，本实用新型采用2极转矩绕组 和4极悬浮力绕组， 一方面降低了定子绕组电流频率和减小了电机损耗，另一方面，使得釆用整体结构的永磁转子成为可能，简化了永磁转子制造工艺和提高了电机的运行可靠性。4、 考虑到高速电机转子细而长，必须在电机的轴向两端分别进行径向悬浮力控制，为此， 定子铁心分为左右两段，采用两个悬浮力绕组分别对电机转子左右两端进行悬浮力控制。而 电机转矩采用了单一转矩绕组的统一控制。电机的转子不分段，便于加工制造。两段定子铁 心的中间空余空间， 一方面用于放置两悬浮力绕组的端部，另一方面用于冷却风道，解决高 速永磁转子轴向较长中部冷却条件较差容易过热的问题。5、 本实用新型采用了在电机左右端盖装设了备用轴承，其内环与电机转子紧固件之间有 一定的间隙，当电机转子处于悬浮状态时，备用轴承内环不随转子一起转动，只有当电机不 运行转子未处于悬浮状态时，备用轴承内环才与转子左右紧固件接触而承受转子重量，允许 转子低速转动，便于高速电机的安装调试。
图1为本实用新型无轴承高速永磁电机轴向剖面示意图；图2为本实用新型无轴承高速永磁电机径向剖面示意图；图3为本实用新型定子2极转矩绕组和4极悬浮力绕组空间分布结构示意图；图4为通过悬浮力绕组电流产生x方向悬浮力原理示意图；图5为通过悬浮力绕组电流产生y方向悬浮力原理示意图。图中l一机壳，2—左侧定子铁心，3—右侧定子铁心，4~转矩绕组，4a—转矩绕组上 层边，4b^转矩绕组下层边，5—左侧悬浮力绕组，5a、 6a—悬浮力绕组上层边，5b、 6"悬 浮力绕组下层边，6—右侧悬浮力绕组，7—左端盖，8—右端盖，9一左侧备用轴承，IO—右 侧备用轴承，ll一永磁体，12—导磁护套，13—永磁体左端紧固件，14—永磁体右端紧固件， 15—转轴，16—代表气隙磁场减小，17—代表永磁体磁场方向，18—代表气隙磁场增加。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型电机做进一步说明。图1为本实用新型无轴承高速永磁电机轴向剖面示意图，图2为本实用新型无轴承高速 永磁电机径向剖面示意图。其中1为电机机壳，用以固定电机的定子铁心和左右端盖；2为 左侧定子铁心；3为右侧定子铁心；4为用以产生电磁转矩的2极环形绕组结构转矩绕组，其 下层边和上层边分别放在定子铁心径向内外侧的槽中；5为4极环形结构左侧悬浮力绕组， 用以产生电机转子左侧悬浮力，其下层和上层线圈边分别放在左侧定子铁心2的径向内外侧的槽中；6为4极环形结构右侧悬浮力绕组，用以产生电机转子由侧悬浮力，其下层和上层 线圈边分别放在右侧定子铁心3的径向内外侧的槽中；7为左端盖，用以固定左侧备用轴承； 8为右端盖，用以固定右侧备用轴承；9为左侧备用轴承；IO为右侧备用轴承；11为为整体 结构的永磁体；12为导磁高强度合金钢护套，用以保护永磁体；13和14为用以连接永磁体、 护套和转轴的紧固件，由非导磁高强度合金钢制造；15为高速电机的转轴。当高速永磁电机作发电机运行时，转轴右端通过连轴器与驱动机械连接，被驱动机械拖 动高速旋转的永磁转子产生的旋转磁场，在定子绕组中产生电动势，由转矩绕组向外电路输 出交流电能。当永磁电机作为电动机运行时，由变频交流电源向定子转矩绕组供电驱动永磁 转子高速旋转，通过与转轴右端的连接器带动负载机械旋转。悬浮力绕组与转矩绕组具有不同的极数，它们在定子铁心中的空间分布结构示意图如图 3所示，悬浮力绕组用以产生支撑电机转子的磁悬浮力。如图4所示，通过给4级悬浮力绕 组通以如图所示的电流，悬浮力绕组电流产生的磁场与转子永磁体产生的磁场相叠加，在电 机定转子之间左侧气隙磁场减弱而右侧气隙磁场增强，定转子之间电磁吸力与气隙磁通密度 的平方成正比，故电机转子将受到一个图中由左向右水平方向(x轴方向)的电磁力Fx。同 理可产生垂直方向(y轴方向)的电磁力Fy，如图5所示。只要实时检测高速电机转子的位 置，便可根据需要调整转子位移的方向，通过控制悬浮力绕组的电流产生所要求的悬浮力， 使转子始终处于悬浮状态而定转子之间的气隙均匀。电机的备用轴承内环与转子紧固件之间 有一定的间隙，当电机转子处于悬浮状态时，备用轴承内环不随转子转动，只有当电机不运 行转子未处于悬浮状态时，备用轴承内环才与转子紧固件接触而承受转子重量，以防止电机 转子表面与定子铁心内表面的直接接触。
权利要求1、一种高速磁悬浮无轴承永磁电机，包括机壳、定子铁心、定子绕组、永磁转子、转轴、左右两个端盖和两个备用轴承，其特征在于定子铁心分为左右两段，铁心径向内外侧开有放置定子绕组的槽，永磁转子由永磁体、高强度导磁合金钢护套及紧固件组成，在机壳的左右两端部位分别放置定子铁心，两段铁心具有相同结构且槽的位置沿轴向对准，环形结构的2极矩绕组下层线圈边从左端定子铁心内侧槽穿过，然后穿入右端铁心内侧槽，经位于定子铁心外侧槽中的上层线圈边返回，环形结构的4极悬浮力绕组的下层边，分别放置在左右两段定子铁心内侧槽中，而上层边分别放置在左右两段定子铁心外侧槽中，在机壳内定子铁心的两端分别放置左端盖和右端盖，在左、右端盖上分别固定左、右两个备用轴承，在电机转轴的中部安放永磁体，永磁体两端采用紧固件将永磁体、护环与转轴连接为一体。
2、 如权利要求l所述的高速磁悬浮无轴承永磁电机，其特征在于所述定子绕组为三套， 一套2极转矩绕组用以产生电磁转矩，二套4极悬浮力绕组用以产生转子悬浮力。
3、 如权利要求l所述的高速磁悬浮无轴承永磁电机，其特征在于所述定子铁心分为左、 右两段，皆由低损耗电工钢片叠压而成。
4、 如权利要求1所述的高速磁悬浮无轴承永磁电机，其特征在于所述备用轴承为具有内 外环和滚珠结构的轴承，用以高速电机未通电运行时支撑转子，防止转子外表面与定子内表 面直接接触。
5、 如权利要求4所述的高速磁悬浮无轴承永磁电机，其特征在于所述两个备用轴承的内 环与电机转子左右紧固件之间有间隙。
6、 如权利要求1所述的高速磁悬浮无轴承永磁电机，其特征在于所述永磁转子的永磁体 为整体结构径向充磁的环状永磁体，护环是在永磁体外部安放用以保护永磁体的高强度导磁 合金钢套，永磁体与护环之间采用过盈配合。
专利摘要一种高速磁悬浮无轴承永磁电机，包括机壳、定子铁心、定子绕组、永磁转子、转轴、左右端盖和左右备用轴承。定子铁心分为左右两段，径向内外侧开有放置定子绕组的槽。定子绕组由一套用以产生电磁转矩的2极转矩绕组和两套用以产生转子悬浮力的4极悬浮力绕组构成。永磁转子由径向充磁整体结构的永磁体、高强度导磁护套以及紧固件组成，备用轴承用以高速电机未通电运行时支撑转子。本实用新型将磁悬浮轴承与永磁电机集成于一体，使电机的定转子既能产生驱动电机旋转的电磁转矩，又能产生支撑转子重量的磁悬浮力，简化了电机结构和缩短了电机轴向长度，增加了高速电机转子刚度和临界转速，提高了运行稳定性。
文档编号H02K3/12GK201122867SQ200720016499
公开日2008年9月24日 申请日期2007年12月7日 优先权日2007年12月7日
发明者孔晓光, 鸣 宗, 张凤阁, 王凤翔, 王大鹏, 王天煜, 邢军强 申请人:沈阳工业大学