一种磁悬浮电机的保护结构、磁悬浮系统及涡轮机械的制作方法

1.本发明涉及磁悬浮电机相关技术领域，更准确的说涉及一种磁悬浮电机的保护结构、磁悬浮系统及涡轮机械。


背景技术：

2.传统电机的定子和转子之间通过机械轴承联接或存在机械接触，当转子运动过程中，定子和转子之间存在机械摩擦。机械摩擦会增加转子受到的摩擦阻力，造成运动部件的磨损，产生机械振动和噪音，并且会造成电机部件发热，使得其中的润滑剂性能降低，严重时会降低电机气隙的均匀性，使得绕组发热，温升增大，导致电机性能降低，并会缩短电机的使用寿命。
3.磁悬浮电机利用定子和转子励磁磁场之间“同性相斥，异性相吸”的原理使得转子悬浮，并产生推力驱使转子在悬浮状态下运动，转子与定子不接触。由于定子与转子之间不存在机械接触，转子不受机械摩擦的影响，可以在噪声较小的情况下达到极高的转速，且能够避免运动部件的磨损，提高电机的使用寿命。磁悬浮电机应用于磁悬浮系统中，磁悬浮系统应用于涡轮机械(例如压缩机、膨胀机、输送流体的泵等)中。
4.现有的磁悬浮电机为了产生足够的磁力，需要将转子与磁轴承之间的气隙设置尽可能的小，这种情况下，为了防止转子与磁轴承碰撞损坏磁轴承，需要设置限位保护结构，限制转子在轴向和径向的位移量，使其小于转子和磁轴承的气隙距离。
5.为了限制磁悬浮电机转子的轴向窜动，现有技术中通常采用在转子两端的保护轴承附近设置轴向限位结构的方案。在工作温度较低时，采用该方案的磁悬浮电机能够正常工作。但是，当工作温度较高时，因为材料的热胀冷缩特性，转子在轴向上会伸长，从而挤压两端的限位部件，导致两端限位部件被挤压后与保护轴承在轴向的间隙将缩小，直至两端限位部件与保护轴承的间隙都为0后，转子在轴向上被限位部件卡死停止旋转，进一步地，转子会被破坏。上述问题将导致磁悬浮电机整机无法继续使用。
6.针对上述问题，若在现有方案的基础上添加电机冷却系统，虽然能够在一定程度上减小工作温度升高造成的影响，但是冷却系统会增加磁悬浮电机的设计复杂程度，而且会导致磁悬浮电机在工作温度较高时完全依赖冷却系统的可靠性，降低了磁悬浮电机的稳定性。
7.综上，本领域需要针对磁悬浮电机的保护结构进行改进，以解决工作温度较高情况下出现的转子卡死问题。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种磁悬浮电机的保护结构，在转子一端安装具有轴向和径向保护功能的轴向径向限位组件，另一端安装径向限位组件，实现保护功能并防止工作温度较高时转子卡死情况的发生。
9.为了达到上述目的，本发明提供一种磁悬浮电机的保护结构，包括转子、轴向径向
限位组件、径向限位组件以及保护轴承；所述轴向径向限位组件和所述径向限位组件分别位于所述转子的两端，所述轴向径向限位组件和所述径向限位组件分别与至少一个所述保护轴承对位设置，且所述轴向径向限位组件及所述径向限位组件与所述转子同步转动。
10.优选地，所述轴向径向限位组件包括径向限位结构、第一轴向限位结构以及第二轴向限位结构，所述第一轴向限位结构及所述第二轴向限位结构分别位于所述径向限位结构的两个侧部，且所述第一轴向限位结构位于所述径向限位结构朝向所述径向限位组件的一端，所述第二轴向限位结构位于所述径向限位结构远离所述径向限位组件的另一端，所述第一轴向限位结构和所述第二轴向限位结构分别位于所述保护轴承的两侧。
11.优选地，所述转子侧部设置轴向磁轴承组件，所述轴向磁轴承组件包括轴向磁轴承和推力盘，所述转子固定连接所述推力盘，所述推力盘两侧分别设置轴向磁轴承；当所述转子处于理想平衡状态时，所述推力盘与其两侧的所述轴向磁轴承的轴向间隙距离相同或不同；当所述间隙距离相同时，所述推力盘与所述轴向磁轴承的间隙距离记为l2；此时所述保护轴承与其两侧的所述第一轴向限位结构及所述第二轴向限位结构的轴向间隙距离相同，且将此间隙距离记为l1，其中l1<l2；当所述间隙距离不同时，所述推力盘与所述轴向磁轴承的间隙距离分别记为l2a和l2b，所述保护轴承与其两侧的所述第一轴向限位结构及所述第二轴向限位结构的轴向间隙中较小的一个记为l1，其中l1<l2a<l2b。
12.优选地，所述轴向磁轴承及所述推力盘与所述轴向径向限位组件的距离小于所述轴向磁轴承及所述推力盘与所述径向限位组件的距离。
13.优选地，所述轴向径向限位组件的一端安装轴向位移传感器。
14.优选地，所述轴向径向限位组件侧部设置用于紧固所述轴向径向限位组件的工作部件。
15.优选地，所述工作部件和所述第二轴向限位结构之间设置承压环，所述承压环选用与所述轴向径向限位组件硬度相同的材料制成，且所述承压环与所述工作部件的接触面积大于所述承压环与所述轴向径向限位组件的接触面积。
16.优选地，所述承压环部分或全部嵌入所述工作部件。
17.优选地，所述承压环通过紧固件与所述工作部件连接。
18.优选地，所述径向限位结构和所述第一轴向限位结构为一体化结构。
19.优选地，所述径向限位结构及所述第一轴向限位结构与所述转子一体化加工制成。
20.优选地，所述轴向径向限位组件或所述径向限位组件中的至少一个与两个面对面配置的所述保护轴承对位设置，且所述保护轴承为角接触轴承。
21.优选地，所述轴向径向限位组件对所述转子形成双向限位。
22.优选地，当所述转子一端的精度要求高于另一端的精度要求时，所述轴向径向限位组件安装在所述转子精度要求更高的一端。
23.本发明提供一种磁悬浮系统，包括磁悬浮电机，所述磁悬浮电机采用所述磁悬浮电机的轴向保护结构。
24.本发明提供一种涡轮机械，包括所述磁悬浮系统。
25.与现有技术相比，本发明公开的一种磁悬浮电机的保护结构、磁悬浮系统及涡轮机械的优点在于：所述磁悬浮电机的保护结构能够有效防止较高工作温度下转子卡死情况
的发生；所述磁悬浮电机的保护结构简单，无需依赖外部设备，整体可靠性较高。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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获得其他的附图。
27.如图1所示为本发明一种磁悬浮电机的保护结构第一个较佳实施例的结构示意图。
28.如图2所示为第一个较佳实施例所述轴向径向限位组件的结构示意图。
29.如图3所示为第一个较佳实施例所述轴向径向限位组件与所述保护轴承的一种变体配合设置的示意图。
30.如图4所示为本发明一种磁悬浮电机的保护结构第二个较佳实施例的结构示意图。
31.如图5所示为第二个较佳实施例所述轴向径向限位组件与所述保护轴承配合设置的示意图。
32.如图6所示为第二个较佳实施例所述轴向径向限位组件的第一种变体的结构示意图。
33.如图7所示为第二个较佳实施例所述轴向径向限位组件的第二种变体的结构示意图。
34.如图8所示为第二个较佳实施例所述轴向径向限位组件的第三种变体的结构示意图。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.如图1所示，为本发明一种磁悬浮电机的保护结构第一个较佳实施例，所述磁悬浮电机的保护结构包括转子1、轴向径向限位组件3以及径向限位组件4。转子1侧部设置轴向磁轴承组件，轴向磁轴承组件包括轴向磁轴承2和推力盘11。转子1侧部固定连接推力盘11，推力盘11两侧分别设置轴向磁轴承2。转子1的两端分别设置保护轴承5，且保护轴承5分别通过固定部件50与磁悬浮电机的定子固定连接。轴向径向限位组件3固定安装在转子1的一端，且轴向径向限位组件3与保护轴承5对位设置，径向限位组件4固定安装在转子1的另一端，且轴向径向限位组件3与保护轴承5对位设置。具体的，轴向径向限位组件3和径向限位组件4以过盈配合的方式分别安装在转子1的两端，当转子1转动时，轴向径向限位组件3及径向限位组件4随转子1同步旋转。轴向径向限位组件3具有轴向和径向保护功能，径向限位组件4仅具有径向保护功能。
37.参见图2，轴向径向限位组件3包括径向限位结构31、第一轴向限位结构32以及第
二轴向限位结构33，径向限位结构31固定在转子1的端部，第一轴向限位结构32及第二轴向限位结构33分别位于径向限位结构31的两个侧部，且第一轴向限位结构32位于径向限位结构31朝向径向限位组件4的一端，第二轴向限位结构33位于径向限位结构31远离径向限位组件4的一端，第一轴向限位结构32和第二轴向限位结构33分别位于保护轴承5的两侧。径向限位结构31、第一轴向限位结构32以及第二轴向限位结构33均采用硬度较高的耐磨材料制成。轴向径向限位组件可对转子形成双向限位。
38.优选地，为了方便加工安装，径向限位结构31和第一轴向限位结构32为一体化结构，安装时首先通过过盈配合的方式将径向限位结构31和第一轴向限位结构32安装到转子1上，然后将第二轴向限位结构33从轴端装入转子1，此时第二轴向限位结构33紧邻径向限位结构31，共同组成轴向径向限位组件3。加工轴向径向限位组件3时，可以一体化加工径向限位结构31和第一轴向限位结构32，经过热处理提升硬度与耐磨度后，过盈配合安装到转子1上；也可在加工转子1的同时一体化加工轴向径向限位组件3的径向限位结构31以及第一轴向限位结构32，针对径向限位结构31以及第一轴向限位结构32的部位进行局部热处理，提升硬度与耐磨度。
39.参见图3，为了更好地承载轴向力和径向力，可设置所述磁悬浮电机的保护结构包括两个保护轴承组5a，替代两个保护轴承5，保护轴承组5a包括两个面对面配置的角接触轴承51。
40.当转子1处于理想平衡状态时，推力盘11与其两侧的轴向磁轴承2的间隙距离相同或不同。当间隙距离相同时，将此状态下推力盘11与轴向磁轴承2的间隙距离记为l2。此状态下保护轴承5与其两侧的第一轴向限位结构31及第二轴向限位结构33的轴向间隙距离相同，将此间隙距离记为l1。此状态下两个保护轴承5分别与径向限位结构31、径向限位组件4的间隙距离相同，将此间隙距离记为l3。此状态下，与径向限位组件4对应的保护轴承5的固定部件50与转子1的轴向间隙距离记为l4。其中，l1小于l2。当间隙距离不同时，推力盘11与轴向磁轴承2的间隙距离分别记为l2a和l2b，保护轴承5与其两侧的第一轴向限位结构31及第二轴向限位结构32的轴向间隙中较小的一个记为l1，其中，l1<l2a<l2b。
41.当磁悬浮电机工作异常时，转子1在径向跌落，l3减小为0，径向限位结构31及径向限位组件4分别与对应的保护轴承5的内圈接触，保护轴承5的内圈支撑转子1旋转直至电机恢复正常或安全降速。在转子1产生轴向移动时，由于l1小于l2，在轴向磁轴承2与推力盘11发生干涉之前，轴向径向限位组件3就会与保护轴承5接触，从而起到轴向保护的作用。
42.由于转子1一端安装轴向径向限位组件3，另一端安装径向限位组件4，在工作温度较高时转子1会在轴向上膨胀伸长，第一轴向限位结构32会随转子1的膨胀接近保护轴承5，即l1不断减小，此时传感器检测到l1值的变化后通过控制轴向磁轴承的磁力，控制转子1的轴向位移，使得转子1与第一轴向限位结构32、第二轴向限位结构33的间隙始终保持在设定范围内。转子在安装径向限位组件4的一端不受轴向限位，可以自由伸长，可允许的自由伸长量为l4。由于固定部件50仅用于固定保护轴承5，没有对轴向限位的作用，因此可令间隙l4大于转子1在理论工作温度极限时的膨胀量。有效解决了热胀冷缩造成的转子1卡死的问题。
43.在安装轴向径向限位组件3时，根据工作需求的不同，转子1两端部件的加工精度和安装精度可能存在不同，为提高限位精度，可在转子1精度要求苛刻的一端安装轴向径向
限位组件3。以一级离心压缩机为例，当转子1仅一端有工作部件时，则轴向径向限位组件3设置在转子1有工作部件的一端；以二级离心压缩机为例，当转子1两端均有工作部件时，则轴向径向限位组件3设置在转子1有二级工作部件的一端；其他的，例如电主轴，由于电主轴的刀头端精度要求较高，则轴向径向限位组件3设置在转子1有刀头的一端。
44.如图4所示，为本发明一种磁悬浮电机的保护结构第二个较佳实施例。磁悬浮电机内部温度通常是不均匀的，由于电机定子需要工作产生使转子1旋转的磁场，导致转子1中心位置的温度较高，即第一个较佳实施例中轴向磁轴承2位置的温度远高于保护轴承5位置的温度。此外，为了使轴向磁轴承2产生足够大的磁力，轴向磁轴承2和推力盘11的气隙l2往往设计的很小，且l1小于l2，l1更加小。当轴向磁轴承2附近的温度远高于保护轴承5位置的温度时，轴向磁轴承2在轴向上的膨胀会导致轴向磁轴承2与推力盘11的气隙l2小于保护轴承5与轴向径向限位组件3的间隙l1，此时保护轴承5的轴向保护功能失效，轴向磁轴承2处于无保护状态极有可能被损坏。
45.第二个较佳实施例的所述磁悬浮电机的保护结构，为了解决上述问题，调整了轴向磁轴承2及推力盘11的位置，使得轴向磁轴承2及推力盘11与轴向径向限位组件3的距离小于轴向磁轴承2及推力盘11与径向限位组件4的距离，且尽可能接近轴向径向限位组件3，并在轴向径向限位组件3的一端安装轴向位移传感器。使用第二个较佳实施例的设计，轴向磁轴承2远离了电机内部温度较高的区域，温度升高时材料膨胀的尺寸缩小，同时轴向磁轴承2与保护轴承5附近的温度接近，即使温度升高材料膨胀，气隙l2也会始终大于l1。
46.进一步的，如图5所示，为了防止第二轴向限位结构33与径向限位结构31之间有间隙导致转子1旋转时出现松动，轴向径向限位组件3侧部设置一工作部件30，工作部件30紧邻第二轴向限位结构33设置。通过工作部件30在轴向上压紧第二轴向限位结构33，达到紧固轴向径向限位组件3的目的。
47.由于工作部件30的材质硬度通常低于轴向径向限位组件3的硬度，且由于第二轴向限位结构33与工作部件30的接触面积较小，如果用工作部件30在轴向上挤压第二轴向限位结构33，会导致工作部件30被挤压损坏。为了避免工作部件40被挤压损坏，如图6所示，工作部件30和第二轴向限位结构33之间设置承压环301，承压环301选用与轴向径向限位组件3硬度相同的材料制成，且承压环301与工作部件30的接触面积大于承压环301与轴向径向限位组件3的接触面积。承压环301可通过紧固件与工作部件30连接，也可直接安装在转子1上后轴向压紧固定。如图7所示，承压环301a可设置为部分嵌入工作部件30a。如图8所示，承压环301b可设置为全部嵌入工作部件30b。
48.本发明还公开一种磁悬浮系统，包括采用所述磁悬浮电机的保护结构的磁悬浮电机。
49.本发明还公开一种涡轮机械，包括所述磁悬浮系统。
50.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。