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本實(shí)用新型涉及高速電機(jī)，尤其涉及一種磁懸浮永磁直驅(qū)高速電機(jī)。
背景技術(shù)：
直驅(qū)高速電機(jī)是一種取代“傳統(tǒng)低速電機(jī)+齒輪箱或皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)”的新型產(chǎn)品，可廣泛應(yīng)用于蒸汽壓縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、膨脹機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、余熱發(fā)電、脫硫除塵等高速透平機(jī)械領(lǐng)域。由于直驅(qū)高速電機(jī)克服了“傳統(tǒng)低速電機(jī)+齒輪箱或皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)”的能耗高、噪音大、振動(dòng)大、故障點(diǎn)多等不足，可以獲得顯著的增效、節(jié)能、降噪的效果，因而近年來(lái)市場(chǎng)對(duì)高速電機(jī)的需求越來(lái)越迫切。
直驅(qū)高速電機(jī)根據(jù)電機(jī)定轉(zhuǎn)子的工作原理可以分為永磁型（包括永磁同步和永磁無(wú)刷直流）和交流異步型。由于永磁型電機(jī)功率密度大、轉(zhuǎn)子發(fā)熱少、速度力矩特性好、工作效率高，因而比異步電機(jī)更加節(jié)能，更加適合于高速化。
直驅(qū)高速電機(jī)所采用的軸承包括滾動(dòng)軸承、液體滑動(dòng)軸承、空氣軸承和磁懸浮軸承等類型。由于磁懸浮軸承可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸支撐、不需要潤(rùn)滑和密封、軸系傳遞給基礎(chǔ)的振動(dòng)小、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)費(fèi)用低等，在工程領(lǐng)域比其他軸承類型具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。磁懸浮軸承的工作原理是，通過(guò)位移傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)軸的徑向位移和軸向位移，再根據(jù)轉(zhuǎn)軸偏離平衡位置的位移大小，采用控制器調(diào)整磁軸承線圈的電流大小從而改變電磁力，將轉(zhuǎn)軸拉回到平衡位置。磁懸浮直驅(qū)高速電機(jī)中的磁軸承既包括徑向磁軸承，也包括止推磁軸承，既包括檢測(cè)轉(zhuǎn)軸徑向位移的傳感器，也包括檢測(cè)轉(zhuǎn)軸軸向位移的傳感器。為了保證在電機(jī)停車或磁軸承失效狀態(tài)下電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)橹亓嬄湓覀泡S承，磁懸浮高速電機(jī)中還配備有輔助軸承。由于磁懸浮高速電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)沿軸向要分布電機(jī)轉(zhuǎn)子、徑向磁軸承、止推磁軸承、徑向位移傳感器、軸向位移傳感器、輔助軸承等許多零部件，因而常常導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系的跨距變大，軸系臨界轉(zhuǎn)速降低，非常不利于實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步高速化。因此要實(shí)現(xiàn)磁懸浮電機(jī)的高速化，需要盡可能縮短電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系的跨距，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊化。
現(xiàn)有的磁懸浮高速電機(jī)的止推軸承普遍配有專門(mén)的推力盤(pán)。推力盤(pán)止推磁軸承具有明顯不足：(1) 增加了電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，導(dǎo)致軸系臨界轉(zhuǎn)速降低，不利于提高電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速；(2) 推力盤(pán)由于直徑大，高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)外圓的線速度也高，離心應(yīng)力增大，存在強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)，不利于實(shí)現(xiàn)高速化；(3)推力盤(pán)一旦拆下重新裝配，裝配接觸面的吻合度或多或少會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸系的動(dòng)平衡被破壞，需要重新進(jìn)行動(dòng)平衡后才能重復(fù)應(yīng)用，使用十分麻煩。
現(xiàn)有的磁懸浮高速電機(jī)普遍采用檢測(cè)旋轉(zhuǎn)軸系某一個(gè)被測(cè)截面的軸向位移來(lái)調(diào)控轉(zhuǎn)軸的軸向位置。由于高速電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行后，轉(zhuǎn)軸會(huì)發(fā)生熱伸長(zhǎng)，當(dāng)高速電機(jī)止推軸承兩個(gè)端面因?yàn)闊嵘扉L(zhǎng)導(dǎo)致位移傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)發(fā)生誤差時(shí)，止推軸承的軸向平衡位置的控制精度會(huì)下降。
現(xiàn)有的磁懸浮高速電機(jī)的止推磁軸承，普遍利用磁極與止推端面形成磁回路，由于磁回路占用了止推端面的徑向尺寸，導(dǎo)致止推環(huán)面外徑必須增大或者環(huán)面內(nèi)徑必須縮小。若止推環(huán)面外徑增大，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的質(zhì)量增加，對(duì)提高臨界轉(zhuǎn)速不利；若止推環(huán)面內(nèi)徑縮小，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸直徑變小，轉(zhuǎn)軸剛度減小，也不利于提高軸系的臨界轉(zhuǎn)速不利。
現(xiàn)有的磁懸浮軸承多采用冷卻水冷或自然冷卻形式。強(qiáng)制水冷會(huì)帶來(lái)磁軸承座密封的困難，一旦發(fā)生泄露容易發(fā)生電氣短路故障。自然冷卻方式由于冷卻效果欠佳，會(huì)導(dǎo)致磁軸承的溫升過(guò)大，引起磁軸承塑封的樹(shù)脂變軟，導(dǎo)致傳感器座發(fā)生熱變性，嚴(yán)重影響磁軸承的工作性能。
由于現(xiàn)有的磁懸浮永磁直驅(qū)高速電機(jī)存在著上述缺點(diǎn)，導(dǎo)致磁懸浮永磁直驅(qū)高速電機(jī)未能在壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、膨脹機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、余熱發(fā)電、脫硫除塵等高速透平機(jī)械領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、軸系的臨界轉(zhuǎn)速高、強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)低、拆裝調(diào)整方便的磁懸浮永磁直驅(qū)高速電機(jī)。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案：
一種磁懸浮永磁直驅(qū)高速電機(jī)，包括殼體、定子、永磁轉(zhuǎn)子、主軸以及分設(shè)于主軸前后兩端的兩組軸承組件，所述定子固定于殼體內(nèi)，所述永磁轉(zhuǎn)子裝設(shè)于主軸上并空套于定子內(nèi)，所述軸承組件包括軸承座以及自主軸中部向主軸兩端依次布置的徑向磁軸承、止推磁軸承和輔助軸承，所述主軸上設(shè)有止推軸肩，所述止推軸肩的端面與止推磁軸承之間設(shè)置止推磁間隙。
作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：
所述止推軸肩的外圓面與止推磁軸承的磁極之間構(gòu)成磁回路。
所述徑向磁軸承包括徑向位移傳感器、軸向位移傳感器和磁軸承轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)，所述徑向位移傳感器的檢測(cè)端朝向磁軸承轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)的外圓面，所述軸向位移傳感器的檢測(cè)端朝向磁軸承轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)的端面。
所述軸承座開(kāi)設(shè)有多個(gè)軸向通風(fēng)孔，所述多個(gè)軸向通風(fēng)孔沿圓周方向均勻布置，所述軸向通風(fēng)孔一端與電機(jī)內(nèi)腔連通，另一端與電機(jī)外部空間連通，所述殼體上裝設(shè)有與電機(jī)內(nèi)腔連通的風(fēng)機(jī)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于：
本實(shí)用新型的磁懸浮永磁直驅(qū)高速電機(jī)，自主軸中部向主軸兩端依次布置徑向磁軸承、止推磁軸承和輔助軸承，主軸上設(shè)有止推軸肩，止推軸肩的端面與止推磁軸承之間設(shè)置止推磁間隙，用止推軸肩的端面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單獨(dú)的直推盤(pán)結(jié)構(gòu)，減小了電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，有利于提高軸系的臨界轉(zhuǎn)速；可避免傳統(tǒng)推力盤(pán)結(jié)構(gòu)由于直徑大、線速度高、離心應(yīng)力大帶來(lái)的強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)；可避免推力盤(pán)拆下重裝必須重新進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)整所帶來(lái)的麻煩。止推軸肩的外圓面與止推磁軸承的磁極之間構(gòu)成磁回路，避免傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致止推環(huán)面外徑增大或者環(huán)面內(nèi)徑縮小，有利于提高軸系的臨界轉(zhuǎn)速。徑向位移傳感器的檢測(cè)端朝向磁軸承轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)的外圓面，軸向位移傳感器的檢測(cè)端朝向磁軸承轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)的端面，有效利用轉(zhuǎn)子軸系的徑向空間和軸向空間，使轉(zhuǎn)子軸系結(jié)構(gòu)更加緊湊，以利于提高轉(zhuǎn)子軸系的臨界轉(zhuǎn)速；可同時(shí)檢測(cè)軸向兩個(gè)端面的位移，可綜合評(píng)估轉(zhuǎn)軸熱伸長(zhǎng)量的大小，從而為轉(zhuǎn)軸軸向平衡位置的精確控制提供依據(jù)。軸承座開(kāi)設(shè)有多個(gè)軸向通風(fēng)孔，多個(gè)軸向通風(fēng)孔沿圓周方向均勻布置，軸向通風(fēng)孔一端與電機(jī)內(nèi)腔連通，另一端與電機(jī)外部空間連通，殼體上裝設(shè)有與電機(jī)內(nèi)腔連通的風(fēng)機(jī)，從風(fēng)機(jī)輸入的冷卻空氣可通過(guò)這些軸向通風(fēng)孔流出，對(duì)軸承組件進(jìn)行有效的冷卻，解決了水冷帶來(lái)的密封難題或自然冷卻導(dǎo)致的溫升過(guò)高的難題。
附圖說(shuō)明
圖1是本實(shí)用新型磁懸浮永磁直驅(qū)高速電機(jī)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1中I處的放大圖。
圖中各標(biāo)號(hào)標(biāo)示：
1、殼體；11、風(fēng)機(jī)；2、定子；3、永磁轉(zhuǎn)子；4、主軸；41、止推軸肩；5、軸承組件；51、軸承座；511、軸向通風(fēng)孔；52、徑向磁軸承；521、徑向位移傳感器；522、軸向位移傳感器；523、磁軸承轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)；53、止推磁軸承；54、輔助軸承；6、止推磁間隙。
具體實(shí)施方式
如圖1和圖2所示，本實(shí)施例的磁懸浮永磁直驅(qū)高速電機(jī)，包括殼體1、定子2、永磁轉(zhuǎn)子3、主軸4以及分設(shè)于主軸4前后兩端的兩組軸承組件5，定子2固定于殼體1內(nèi)，永磁轉(zhuǎn)子3裝設(shè)于主軸4上并空套于定子2內(nèi)，軸承組件5包括軸承座51以及自主軸4中部向主軸4兩端依次布置的徑向磁軸承52、止推磁軸承53和輔助軸承54，主軸4上設(shè)有止推軸肩41，止推軸肩41的端面與止推磁軸承53之間設(shè)置止推磁間隙6。本實(shí)用新型的磁懸浮永磁直驅(qū)高速電機(jī)，在主軸4上設(shè)有止推軸肩41，在止推軸肩41的端面與止推磁軸承53之間設(shè)置止推磁間隙6，從而用止推軸肩41的端面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單獨(dú)的直推盤(pán)結(jié)構(gòu)，減小了電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，有利于提高軸系的臨界轉(zhuǎn)速；可避免傳統(tǒng)推力盤(pán)結(jié)構(gòu)由于直徑大、線速度高、離心應(yīng)力大帶來(lái)的強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)；可避免推力盤(pán)拆下重裝必須重新進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)整所帶來(lái)的麻煩。
本實(shí)施例中，止推軸肩41的外圓面與止推磁軸承53的磁極之間構(gòu)成磁回路，避免傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致止推環(huán)面外徑增大或者環(huán)面內(nèi)徑縮小，有利于提高軸系的臨界轉(zhuǎn)速。
本實(shí)施例中，徑向磁軸承52包括徑向位移傳感器521、軸向位移傳感器522和磁軸承轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)523，徑向位移傳感器521的檢測(cè)端朝向磁軸承轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)523的外圓面，軸向位移傳感器522的檢測(cè)端朝向磁軸承轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)523的端面，有效利用轉(zhuǎn)子軸系的徑向空間和軸向空間，使轉(zhuǎn)子軸系結(jié)構(gòu)更加緊湊，以利于提高轉(zhuǎn)子軸系的臨界轉(zhuǎn)速；可同時(shí)檢測(cè)軸向兩個(gè)端面的位移，可綜合評(píng)估轉(zhuǎn)軸熱伸長(zhǎng)量的大小，從而為主軸4的軸向平衡位置精確控制提供依據(jù)。
本實(shí)施例中，軸承座51開(kāi)設(shè)有多個(gè)軸向通風(fēng)孔511，多個(gè)軸向通風(fēng)孔511沿圓周方向均勻布置，軸向通風(fēng)孔511一端與電機(jī)內(nèi)腔連通，另一端與電機(jī)外部空間連通，殼體1上裝設(shè)有與電機(jī)內(nèi)腔連通的風(fēng)機(jī)11，從風(fēng)機(jī)11輸入的冷卻空氣可通過(guò)這些軸向通風(fēng)孔511流出，對(duì)軸承組件5進(jìn)行有效的冷卻，解決了水冷帶來(lái)的密封難題或自然冷卻導(dǎo)致的溫升過(guò)高的難題。
雖然本實(shí)用新型已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本實(shí)用新型。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案范圍的情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案做出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本實(shí)用新型技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均應(yīng)落在本實(shí)用新型技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
磁懸浮電機(jī)沒(méi)有摩擦壽命更長(zhǎng)噪音更小效率更高為什么沒(méi)有被廣泛的推廣使用是因?yàn)楣に囘€是因?yàn)榧夹g(shù)不成熟
在高速直驅(qū)領(lǐng)域已經(jīng)用的很廣泛了，如暖通行業(yè)的制冷壓縮機(jī)，污水處理用的曝氣鼓風(fēng)機(jī)，高速分子泵等。但確實(shí)現(xiàn)在磁懸浮高速電機(jī)的成本還比較高，技術(shù)門(mén)檻也比較高，所以還沒(méi)有普及，但發(fā)展趨勢(shì)是明顯的。
高速電機(jī)配合磁懸浮軸承的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了很多年，技術(shù)成熟可靠性也很高。問(wèn)題主要在于成本：
額外的磁懸浮軸承/無(wú)軸承電機(jī)懸浮繞組至少需要額外的電力電子器件，位移傳感器（很貴相當(dāng)貴），UPS備用電源等等。。。
另外，機(jī)械軸承的發(fā)展也很快，在大多數(shù)高速應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)械軸承足以勝任。
有興趣可以讀一篇WEMPEC專門(mén)做該方向老師的論文：
Reference:
E. L. Severson, “Bearingless Motor Technology for Industrial and Transportation Applications,”2020 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC), Long Beach, CA, 2020, pp. 266-273.
目前來(lái)講應(yīng)用還是很多的，特別是流體機(jī)械(主要是空氣)，譬如磁懸浮分子泵，磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)，磁懸浮透平真空泵，磁懸浮離心壓縮機(jī)；emaging
小功率方面主要是成本問(wèn)題，剩下的就是真正掌握成熟技術(shù)的公司并不多，還屬于寡頭行業(yè)，另外就是市場(chǎng)需求并不大
因?yàn)榇蟛糠謴S商技術(shù)掌握不徹底，無(wú)法降低成本。蘇州蘇磁智能科技有限公司，自主研發(fā)磁軸承，位移傳感器，控制器，功率放大器，僅芯片和機(jī)加工外協(xié)，可以控制磁懸浮電機(jī)的成本。
近來(lái)，依托于北京航空航天大學(xué)建造的“北京市高速磁懸浮電機(jī)技能及應(yīng)用工程技能研究基地”在高速電機(jī)研發(fā)方面取得主要打破，成功研發(fā)出國(guó)內(nèi)首臺(tái)30kW超高速磁懸浮永磁電機(jī)。
該工程基地霸占了磁懸浮高速電機(jī)整體構(gòu)造規(guī)劃、三自由度永磁偏置混合磁軸承規(guī)劃、超高速磁軸承轉(zhuǎn)子體系的安穩(wěn)控制等多項(xiàng)要害工藝技能，研發(fā)出具有自立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的小功率超高速磁懸浮永磁電機(jī)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)涵該項(xiàng)范疇的空白。
傳統(tǒng)壓縮機(jī)因?yàn)槭茈姍C(jī)極限轉(zhuǎn)速約束，只能選用增速齒輪箱等方法驅(qū)動(dòng)，致使壓縮機(jī)體系體積巨大、能耗高、壽命短、噪聲污染嚴(yán)峻。高速磁懸浮永磁電機(jī)通過(guò)直驅(qū)工作方法，可大起伏簡(jiǎn)化增速齒輪式體系構(gòu)造，顯著下降體系能耗、延伸使用壽命，減小噪聲污染，完結(jié)節(jié)能減排和環(huán)保。當(dāng)前國(guó)際上該類產(chǎn)品對(duì)中國(guó)實(shí)施技能封鎖。研發(fā)具有自立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速磁懸浮電機(jī)，是提高中國(guó)高端配備制作范疇自立立異才能的主要途徑。
當(dāng)前，該技能現(xiàn)已完結(jié)中試化出產(chǎn)，為下一步產(chǎn)業(yè)化打下了良好基礎(chǔ)。
文章出自：
直流磁浮電機(jī)也稱磁懸浮電機(jī)，也可以叫磁力電機(jī)，它是無(wú)軸承電機(jī)是一種新型結(jié)構(gòu)的電機(jī)。與傳統(tǒng)電機(jī)的最大不同之處是它不需要另外的軸承，電機(jī)本身既可產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，又能產(chǎn)生支撐轉(zhuǎn)子的磁懸浮力。磁懸浮電機(jī)具有無(wú)摩擦、適合高速運(yùn)行以及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。該種電機(jī)具有體積小、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，額定轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘幾萬(wàn)甚至十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)，因此廣泛應(yīng)用于渦輪分子泵、壓縮機(jī)、飛輪儲(chǔ)能等高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械領(lǐng)域。
磁懸浮電機(jī)的原理：磁懸浮軸承電機(jī)利用安裝在機(jī)座上的徑向和軸向磁鐵，在轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出磁場(chǎng)，并通過(guò)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互作用將轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子懸浮起來(lái)，避免了傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸和軸承接觸摩擦而產(chǎn)生的機(jī)械問(wèn)題，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速不受軸承的限制。
磁懸浮電機(jī)在高速直驅(qū)領(lǐng)域已經(jīng)用的很廣泛了，如暖通行業(yè)的制冷壓縮機(jī)，高速分子泵等。雖然現(xiàn)在磁懸浮高速電機(jī)的成本還比較高，技術(shù)門(mén)檻也比較高，也還沒(méi)有普及，但發(fā)展趨勢(shì)是明顯的。
深圳市萬(wàn)至達(dá)電機(jī)制造有限公司擁有20年直流電機(jī)研發(fā)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，也是國(guó)內(nèi)較早能自主研發(fā)、批量生產(chǎn)磁懸浮電機(jī)的企業(yè)，歡迎大家咨詢合作。
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