磁悬浮电机的制作方法

1.本实用新型涉及电机领域，特别涉及一种磁悬浮电机。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.本实用新型的主要目的是提出一种磁悬浮电机，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。
5.为实现上述目的，本实用新型提出的磁悬浮电机包括：
6.转子总成，包括转子外壳、和位于所述转子外壳内且呈同轴设置的第一永磁环、第一铁芯环、第二永磁环及第二铁芯环，所述第一永磁环和所述第一铁芯环位于所述第二铁芯环的上方，所述第二永磁环围绕设于所述第二铁芯环的外周面；
7.定子总成，包括定子外壳和设于所述定子外壳内的定子永磁环、定子铁芯环、导磁盘、位移传感器以及多个线圈绕组，所述定子外壳的顶部中心具有一朝下凹陷的容置腔，所述线圈绕组包括沿竖向延伸的定子铁芯、悬浮线圈和驱动线圈，所述悬浮线圈和所述驱动线圈沿竖向分别套设于所述定子铁芯上，多个所述线圈绕组沿周向均匀围绕所述容置腔分布；所述定子永磁环和所述定子铁芯环均设于所述定子铁芯的上方，且所述定子永磁环和所述定子铁芯环均环绕所述容置腔设置，所述定子铁芯的下端抵接固定于所述导磁盘，所述悬浮线圈和所述驱动线圈位于所述导磁盘朝向所述容置腔的一侧；
8.所述转子总成可活动地容置于所述容置腔内，所述位移传感器用以检测所述转子总成在所述容置腔内的径向偏移，所述悬浮线圈与所述位移传感器相连接，所述悬浮线圈、所述定子铁芯、所述导磁盘、所述第二铁芯环及所述第二永磁环构成悬浮磁路系统，以使所述转子总成悬浮于所述容置腔内；所述定子永磁环、所述定子铁芯环、所述第一永磁环、所述第一铁芯环构成强化磁路系统，以增强所述转子总成的轴向悬浮力；所述驱动线圈、所述定子铁芯、所述导磁盘、所述第二铁芯环及所述第二永磁环构成旋转磁路系统，以使所述转子总成在所述容置腔内转动。
9.优选地，所述第二永磁环包括沿所述第二铁芯环的外周面呈间隔分布排列的多对扇形永磁瓦，每一对所述扇形永磁瓦沿所述转子总成的轴线呈对称分布，每一所述扇形永磁瓦的充磁方向为径向充磁，且相邻的所述扇形永磁瓦的充磁方向相反。
10.优选地，间隔相邻的两所述扇形永磁瓦之间填充固定有扇形隔挡块，所述扇形隔挡块与所述扇形永磁瓦依次拼接形成封闭的圆环。
11.优选地，所述第二永磁环为采用径向外充、外径多极充磁的圆环状磁环，所述圆环状磁环的充磁方向在其周向上呈交替式相反设置。
12.优选地，所述转子总成还包括隔挡环，所述第一永磁环、所述第一铁芯环、所述隔挡环、所述第二永磁环四者在所述转子外壳内自上而下沿竖向依次抵接排列。
13.优选地，所述定子总成还包括固定盘，所述定子铁芯上端插接固定于所述固定盘；
14.所述悬浮线圈和所述驱动线圈二者均位于所述固定盘和所述导磁盘之间。
15.优选地，所述定子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；
16.所述磁轭部与所述第二永磁环呈对应设置。
17.优选地，所述位移传感器位于所述定子永磁环和所述定子铁芯形成的间隔空隙处，所述位移传感器为电涡流传感器，且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。
18.优选地，所述位移传感器的数量为两个，两所述位移传感器沿所述定子总成的周向分布且在同一水平面内，两所述位移传感器呈间隔90度夹角分布。
19.优选地，所述位移传感器的数量为至少为三个，多个所述位移传感器在同一水平面内，且沿所述定子总成的周向呈间隔均匀分布。
20.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
21.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。
22.图1为本实用新型磁悬浮电机一实施例的结构示意图；
23.图2为图1中磁悬浮电机的转子总成和定子总成的分离示意图；
24.图3为图2中磁悬浮电机的转子总成和定子总成两者的内部结构示意图；
25.图4为图3中转子总成的内部结构图；
26.图5为图4中转子总成的第二永磁环的结构示意图和磁极分布示意图；
27.图6为本实用新型磁悬浮电机的第二永磁环另一实施方案的结构示意图和磁极分布示意图；
28.图7为图3中定子总成的内部结构图；
29.图8为图7中定子总成的内部构造断面示意图；
30.图9为图1中磁悬浮电机的内部构造断面示意图；
31.图10为图9中a处的局部放大图；
32.图11为图9中磁悬浮电机的磁路系统示意图；
33.图12为图9中磁悬浮电机的位移传感器的分别示意图；
34.图13为图7中磁悬浮电机的线圈绕组与固定盘和导磁盘的安装示意图。
35.附图标号说明：
36.标号名称标号名称1磁悬浮电机210定子永磁环10转子总成220定子铁芯环20定子总成230位移传感器100转子外壳240线圈绕组110第一永磁环241定子铁芯120第一铁芯环241a铁芯杆130第二铁芯环241b磁轭部140第二永磁环242悬浮线圈141扇形永磁瓦243驱动线圈142扇形隔挡块250固定盘150隔挡环260导磁盘200定子外壳270安装环201容置腔
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37.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
38.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。
39.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。
40.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。
41.本实用新型提出一种磁悬浮电机，可用于医疗领域的血液泵，或用于其他磁悬浮电机应用场景。
42.在本实用新型一实施例中，参照图1至图11，该磁悬浮电机1包括：
43.转子总成10，包括转子外壳100、和位于转子外壳100内且呈同轴设置的第一永磁环110、第一铁芯环120、第二永磁环140及第二铁芯环130，第一永磁环110和第一铁芯环120位于第二铁芯环130的上方，第二永磁环140围绕设于第二铁芯环130的外周面；
44.定子总成20，包括定子外壳200和设于定子外壳200内的定子永磁环210、定子铁芯环220、导磁盘260、位移传感器230以及多个线圈绕组240，定子外壳200的顶部中心具有一朝下凹陷的容置腔201，线圈绕组240包括悬浮线圈242、驱动线圈243以及沿竖向延伸的定子铁芯241，悬浮线圈242和驱动线圈243沿竖向分别套设于定子铁芯241上，多个线圈绕组240沿周向围绕容置腔201分布；定子永磁环210和定子铁芯环220均设于定子铁芯241的上方，且定子永磁环210和定子铁芯环220均环绕容置腔201设置；定子铁芯241的下端抵接固定于导磁盘260，悬浮线圈242和驱动线圈243位于导磁盘260朝向容置腔201的一侧；
45.转子总成10可活动地容置于容置腔201内，位移传感器230用以检测转子总成10在容置腔201内的径向偏移，悬浮线圈242与位移传感器230相连接，悬浮线圈242、定子铁芯241、导磁盘260、第二铁芯环130及第二永磁环140构成悬浮磁路系统，以使转子总成10悬浮于容置腔201内；定子永磁环210、定子铁芯环220、第一永磁环110、第一铁芯环120构成强化磁路系统，以增强转子总成10的轴向悬浮力；驱动线圈243、定子铁芯241、导磁盘260、第二铁芯环130及第二永磁环140构成旋转磁路系统，以使转子总成10在容置腔201内转动。
46.具体地，转子总成10位于定子总成20的容置腔201内，转子总成10和定子总成20的内部是相对隔绝的。在转子总成10中，第一永磁环110、第一铁芯环120、第二永磁环140三者的径向尺寸优选为相同大小，第二永磁环140的内周面与第二铁芯环130的外周面抵接，第二永磁环140的外周面与转子外壳100的内周面抵接，如此使得第二永磁环140可夹持固定于转子外壳100内。第一铁芯环120、第二铁芯环130、定子铁芯环220、定子铁芯241、导磁盘260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，第一铁芯环120、第二铁芯环130、定子铁芯环220、定子铁芯241、导磁盘260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。对于定子总成20而言，所有的定子铁芯241下端均与导磁盘260抵接，使悬浮线圈242和驱动线圈243产生的磁场通过定子铁芯241、导磁盘260进行磁力线的传导，进而使得悬浮线圈242和驱动线圈243产生的磁场集中于导磁盘260的上部空间。
47.当悬浮线圈242通电时，悬浮线圈242产生悬浮磁场，悬浮线圈242、定子铁芯241、导磁盘260、第二铁芯环130、导磁盘260及第二永磁环140构成闭合磁路，即悬浮磁路系统，此时转子总成10受到磁悬浮力的作用，从而静止悬浮于容置腔201内。当悬浮线圈242与驱动线圈243同时通电时，转子总成10处于悬浮状态，驱动线圈243、定子铁芯241、导磁盘260、第二铁芯环130及第二永磁环140构成封闭的磁路，即旋转磁路系统，使得转子总成10在容置腔201内悬浮旋转。驱动线圈243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242和驱动线圈243分别独立工作，通入悬浮线圈242和驱动线圈243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。
48.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242，从而调整悬浮线圈242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恢复至原悬浮位置。定子永磁环210、定子铁芯环220、第一永磁环110、第一铁芯环120构成封闭的磁路，形成强化磁路系统，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、第一铁芯环120相对于定子永磁环210、定子铁芯环220会产生相反的轴向磁拉力，进而使转子总成10恢复至原悬浮位置。如此一来，转子总成10的径向偏移和轴向偏移均可以得到有效抑制，从而大幅度提升转子总成10在悬浮状态的悬浮稳定性。
49.可以理解的是，对于上述第一永磁环110和定子永磁环210而言，为了使其形成闭合的磁路，第一永磁环110和定子永磁环210均采用轴向充磁的方式，且两者的充磁方向相反。
50.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。
51.进一步地，在本实施例中，参照图3和图4，并结合图12，第二永磁环140包括沿第二铁芯环130的外周面呈间隔分布排列的多对扇形永磁瓦141，每一对扇形永磁瓦141沿转子总成10的轴线呈对称分布，每一扇形永磁瓦141的充磁方向为径向充磁，且相邻的扇形永磁瓦141的充磁方向相反。如此，当驱动线圈243通电时，第二永磁环140和驱动线圈243之间产生旋转驱动力，从而驱动转子总成10在容置腔201内旋转。多个扇形永磁瓦141优选沿第二铁芯环130的外周面均匀分布，使得旋转驱动力能够均匀地驱动转子总成10。此外，对于线圈绕组240而言，悬浮线圈242优选位于驱动线圈243的下方，以使得驱动线圈243相对靠近转子总成10设置，进而以产生更强的转驱动力，从而更好地驱动转子总成10旋转。
52.继续参照图3和图4，为了便于固定上述第二永磁环140，间隔相邻的两扇形永磁瓦141之间填充固定有扇形隔挡块142，扇形隔挡块142与扇形永磁瓦141依次拼接形成封闭的圆环。如此一来，由于扇形隔挡块142的存在，扇形永磁瓦141的周向两端均被抵接固定，从而实现对扇形永磁瓦141的固定。可以理解的是，扇形永磁瓦141夹持抵接固定与转子外壳100的内周面和第二铁芯环130的外周面之间。
53.值得说明的是，第二永磁环140还有其他的变形结构，参照图6，例如第二永磁环140为采用径向外充、外径多极充磁的圆环状磁环，圆环状磁环的充磁方向在其周向上呈交替式相反设置，圆环状磁环的磁极数为偶数个。
54.进一步地，转子总成10还包括隔挡环150，第一永磁环110、第一铁芯环120、隔挡环150、第二永磁环140四者在转子外壳100内自上而下沿竖向依次抵接排列。通过设置隔挡环150，可以避免第一铁芯环120和第二永磁环140发生接触，从而减少磁路干扰。且由于设置有隔挡环150，第一永磁环110、第一铁芯环120、隔挡环150、第二永磁环140四者均被夹持固定于转子外壳100的上下两端面之间，进而实现转子总成10内部结构的稳固性。需要说明的是，隔挡环150、扇形隔挡块142可采用塑料件或者陶瓷件制成，其不影响磁力线通过，也不会影响磁力线的传导方向。
55.参照图3、图8、图11以及图13，定子总成20还包括固定盘250、导磁盘260用，定子铁
芯241上端插接固定于固定盘250；悬浮线圈242和驱动线圈243二者均位于固定盘250和导磁盘260之间。固定盘250与导磁盘260共同实现对线圈绕组240的固定。
56.进一步地，参照图3、图8、图9、图11及图13，定子铁芯241包括铁芯杆241a和磁轭部241b，磁轭部241b自铁芯杆241a的顶端水平延伸，且磁轭部241b朝向定子总成20的轴线方向设置；磁轭部241b与第二永磁环140呈对应设置。磁轭部241b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和旋转磁路系统。
57.在本实施例中，参照图7至图11，位移传感器230位于定子永磁环210和定子铁芯241形成的间隔空隙处，位移传感器230为电涡流传感器，且位移传感器230呈水平延伸且朝向定子总成20的轴线方向设置。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。
58.进一步地，继续参照图12，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。
59.对于上述位移传感器230的分布结构，还可以有以下方式：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，位移传感器230的数量为四个，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。
60.为了便于安装固定移传感器230，在本实施例中，如图6所示，在定子永磁环210和定子铁芯241的上端之间设置有安装环270，安装环270被夹持固定于定子永磁环210和定子铁芯241之间，安装环270与定子永磁环210呈同轴设置，且安装环270与定子永磁环210的径向尺寸相同。安装环270沿其径向开设有供固定位移传感器230的安装孔，进而实现对位移传感器230的固定。安装环可以为塑料或者陶瓷材料制成，其不影响磁力线通过，也不会影响磁力线的传导方向。
61.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。