本發(fā)明涉及電機(jī)領(lǐng)域，特別涉及一種永磁偏置磁懸浮軸承及磁通反向電機(jī)。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，以永磁同步電機(jī)為核心動(dòng)力的高速電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械是保證系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，在不同應(yīng)用領(lǐng)域與運(yùn)行工況下所使用的電機(jī)結(jié)構(gòu)也十分豐富。相較于普遍采用的轉(zhuǎn)子永磁型無(wú)刷電機(jī)，定子永磁無(wú)刷電機(jī)的永磁體位于電機(jī)定子一側(cè)，轉(zhuǎn)子上既無(wú)永磁體也無(wú)繞組，因此不存在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)面臨的永磁體受離心力破碎和高溫去磁的風(fēng)險(xiǎn)，克服了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子永磁無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高、加工工藝復(fù)雜、等效氣隙大、轉(zhuǎn)子冷卻困難且具有不可逆退磁風(fēng)險(xiǎn)等缺點(diǎn)。

2、定子永磁型無(wú)刷電機(jī)通常可分為雙凸極型、磁通切換型、定子槽口永磁型以及磁通反向型四類。它們各具特點(diǎn)：雙凸極永磁電機(jī)的永磁體通常位于定子軛部，可放置永磁體的空間較小，且電樞繞組中常為單極性磁鏈，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩密度較低；磁通切換永磁電機(jī)的永磁體嵌于定子齒中間，永磁體與其兩邊的定子鐵心齒呈現(xiàn)“三明治”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)反電動(dòng)勢(shì)波形正弦度很高，轉(zhuǎn)矩能力突出，但其永磁用量相對(duì)較多，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜；定子槽口永磁電機(jī)的永磁體通常安裝在定子槽口，該結(jié)構(gòu)雖可通過(guò)電勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)主磁場(chǎng)，但總體轉(zhuǎn)矩能力一般，且結(jié)構(gòu)、安裝都比較復(fù)雜；磁通反向永磁電機(jī)通常將永磁體表貼于定子齒上，其結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，魯棒性強(qiáng)，永磁體用量適中，并且具有較大的轉(zhuǎn)矩輸出能力。

3、然而，作為高速電機(jī)的關(guān)鍵部件，軸承的性能與電機(jī)的安全可靠運(yùn)行密不可分。傳統(tǒng)的機(jī)械軸承在高速情況下會(huì)因摩擦和軸電流等原因而產(chǎn)生嚴(yán)重的發(fā)熱、電蝕、振動(dòng)、噪音等問(wèn)題，降低系統(tǒng)的效率和軸承本身的壽命，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性下降，已經(jīng)成為制約系統(tǒng)向高轉(zhuǎn)速、高效率和長(zhǎng)壽命發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。因此必須采用高速軸承系統(tǒng)。針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械軸承帶來(lái)的問(wèn)題，工業(yè)界提出了利用磁懸浮軸承來(lái)替代滾珠軸承、充油軸承和空氣軸承等傳統(tǒng)軸承想法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)高速運(yùn)行的轉(zhuǎn)子的懸浮支撐。

4、現(xiàn)有主流的高速磁懸浮軸承電機(jī)系統(tǒng)一般由一對(duì)分別裝在高速電機(jī)兩端的兩個(gè)徑向磁軸承和一個(gè)軸向推力磁軸承組成，然后在磁軸承外側(cè)再安裝葉輪、風(fēng)扇、泵等結(jié)構(gòu)。而且現(xiàn)有系統(tǒng)均把三個(gè)磁懸浮軸承與電機(jī)作為獨(dú)立的組成單元，需要分別設(shè)計(jì)后再進(jìn)行組裝，各部件間緊湊程度不高，沒(méi)有充分利用永磁電機(jī)繞組端部空間，使得軸系軸向空間利用率低。相比于使用機(jī)械軸承的永磁電機(jī)系統(tǒng)，組裝后的高速磁懸浮軸承電機(jī)系統(tǒng)軸向有效長(zhǎng)度占整個(gè)系統(tǒng)軸向總長(zhǎng)度的比例偏低，導(dǎo)致電機(jī)系統(tǒng)功率密度與磁軸承懸浮力密度也較低，與常規(guī)機(jī)械軸系支承的電機(jī)系統(tǒng)相比不存在明顯優(yōu)勢(shì)，成為目前磁懸浮軸承電機(jī)系統(tǒng)的瓶頸問(wèn)題之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明目的是提供一種永磁偏置磁懸浮軸承和磁通反向電機(jī)，通過(guò)對(duì)磁懸浮軸承定子關(guān)鍵組件的設(shè)計(jì)，使得永磁磁通反向電機(jī)的永磁體可以通過(guò)磁軸承磁極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)能量的其它用途，提高磁懸浮電機(jī)系統(tǒng)的集成度，同時(shí)，由于集成的磁軸承位于電機(jī)繞組端部的內(nèi)側(cè)，在不額外增加體積的條件下可進(jìn)一步提高磁懸浮電機(jī)系統(tǒng)的功率密度，縮短其整體軸向長(zhǎng)度。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明一方面提供一種永磁偏置磁懸浮軸承，包括磁軸承轉(zhuǎn)子鐵芯、磁軸承定子鐵芯組件和鐵芯線圈，磁軸承轉(zhuǎn)子鐵芯為軸向環(huán)結(jié)構(gòu)，磁軸承定子鐵芯組件設(shè)置在磁軸承轉(zhuǎn)子鐵芯外圍，磁軸承轉(zhuǎn)子鐵芯相對(duì)于磁軸承定子鐵芯組件旋轉(zhuǎn)；

3、磁軸承定子鐵芯組件包括磁軸承磁極和圓環(huán)連接緊固件，磁軸承磁極沿圓環(huán)連接緊固件的圓周方向設(shè)置，鐵芯線圈纏繞在磁軸承磁極上。

4、進(jìn)一步地，圓環(huán)連接緊固件沿軸向有凸起，且凸起沿圓周方向均勻設(shè)置，磁軸承磁極軛部外端面嵌入在相鄰兩個(gè)凸起之間，凸起沿軸向的厚度與磁軸承磁極沿軸向的厚度相同。

5、進(jìn)一步地，磁軸承磁極數(shù)量為6n，其中n為正整數(shù)。

6、進(jìn)一步地，磁軸承磁極為t型結(jié)構(gòu)。

7、本發(fā)明另一方面提供一種磁通反向電機(jī)，包括永磁偏置磁懸浮軸承，還包括電機(jī)定子鐵芯、電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體、三相電樞繞組和轉(zhuǎn)軸；

8、磁軸承轉(zhuǎn)子鐵芯設(shè)置在轉(zhuǎn)軸上；

9、電機(jī)定子鐵芯包括沿圓周方向均勻設(shè)置的多個(gè)定子齒，每個(gè)定子齒朝向氣隙表面貼裝兩個(gè)磁化方向相反的永磁體，永磁體沿軸向厚度大于定子齒厚度，磁軸承磁極軛部外端面與超出定子齒的永磁體緊密貼合；

10、三相電樞繞組的各線圈依次纏繞于定子齒上；

11、電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯相對(duì)于電機(jī)定子鐵芯旋轉(zhuǎn)。

12、進(jìn)一步地，相鄰兩個(gè)定子齒下的四個(gè)永磁體極性交替分布。

13、進(jìn)一步地，三相電樞繞組為集中繞組或分布繞組。

14、進(jìn)一步地，三相電樞繞組為單層繞組或多層繞組。

15、有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：

16、1、本發(fā)明充分利用了電機(jī)繞組端部?jī)?nèi)側(cè)空間，在不增加電機(jī)體積不降低電機(jī)性能的條件下通過(guò)合理設(shè)計(jì)磁軸承磁極的形狀與尺寸，將電機(jī)永磁體的能量引入到集成的磁懸浮軸承中，為磁懸浮軸承提供偏置磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)永磁磁通反向電機(jī)中永磁體的部件復(fù)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)能量的多用途復(fù)用，縮短磁懸浮電機(jī)系統(tǒng)的軸向長(zhǎng)度，提升電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)集成設(shè)計(jì)的高速電機(jī)與磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)緊湊的目的。

17、2、本發(fā)明通過(guò)將不同磁極接觸的永磁體延伸不同的長(zhǎng)度，即可獲得不同大小的偏置磁場(chǎng)，進(jìn)而可以組合出不同大小與方向的恒定磁拉力，用于承擔(dān)恒定的載荷如臥式安裝時(shí)轉(zhuǎn)軸自身的重力，進(jìn)而在一定程度上降低控制電流以及驅(qū)動(dòng)器容量以減小損耗。

技術(shù)特征：

1.一種永磁偏置磁懸浮軸承，其特征在于，包括磁軸承轉(zhuǎn)子鐵芯、磁軸承定子鐵芯組件和鐵芯線圈，磁軸承轉(zhuǎn)子鐵芯為軸向環(huán)結(jié)構(gòu)，磁軸承定子鐵芯組件設(shè)置在磁軸承轉(zhuǎn)子鐵芯外圍，磁軸承轉(zhuǎn)子鐵芯相對(duì)于磁軸承定子鐵芯組件旋轉(zhuǎn)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁偏置磁懸浮軸承，其特征在于，圓環(huán)連接緊固件沿軸向有凸起，且凸起沿圓周方向均勻設(shè)置，磁軸承磁極軛部外端面嵌入在相鄰兩個(gè)凸起之間，凸起沿軸向的厚度與磁軸承磁極沿軸向的厚度相同。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的永磁偏置磁懸浮軸承，其特征在于，磁軸承磁極數(shù)量為6n，其中n為正整數(shù)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁偏置磁懸浮軸承，其特征在于，磁軸承磁極為t型結(jié)構(gòu)。

5.一種磁通反向電機(jī)，其特征在于，包括如權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的永磁偏置磁懸浮軸承，還包括電機(jī)定子鐵芯、電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體、三相電樞繞組和轉(zhuǎn)軸；

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁通反向電機(jī)，其特征在于，相鄰兩個(gè)定子齒下的四個(gè)永磁體極性交替分布。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁通反向電機(jī)，其特征在于，三相電樞繞組為集中繞組或分布繞組。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁通反向電機(jī)，其特征在于，三相電樞繞組為單層繞組或多層繞組。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種永磁偏置磁懸浮軸承，包括磁軸承轉(zhuǎn)子鐵芯、磁軸承定子鐵芯組件和鐵芯線圈，磁軸承定子鐵芯組件設(shè)置在磁軸承轉(zhuǎn)子鐵芯外圍，磁軸承轉(zhuǎn)子鐵芯相對(duì)于磁軸承定子鐵芯組件旋轉(zhuǎn)；磁軸承定子鐵芯組件包括磁軸承磁極和圓環(huán)連接緊固件，磁軸承磁極沿圓環(huán)連接緊固件的圓周方向設(shè)置，鐵芯線圈纏繞在磁軸承磁極上；本發(fā)明還公開(kāi)了一種磁通反向電機(jī)。本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上保留了永磁式磁通反向電機(jī)緊湊和簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，充分利用電機(jī)繞組端部?jī)?nèi)側(cè)的空間，無(wú)需額外增加電機(jī)體積就可降低結(jié)合磁懸浮軸承的永磁高速電機(jī)系統(tǒng)的軸向長(zhǎng)度，提升電機(jī)軸系的動(dòng)力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊度高、集成度高的目標(biāo)。

技術(shù)研發(fā)人員：花為,杜元昊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6