本發(fā)明涉及磁懸浮電機(jī)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無(wú)推力盤磁懸浮電機(jī)，可作為離心式壓縮機(jī)、渦輪分子泵、渦輪制冷壓縮機(jī)等領(lǐng)域的驅(qū)動(dòng)裝置，也可以作為燃料泵、飛輪、和控制力矩陀螺等高技術(shù)、低能耗產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域和航空航天設(shè)備的動(dòng)力源。

背景技術(shù)：

轉(zhuǎn)速問(wèn)題是壓縮機(jī)、真空機(jī)、制冷機(jī)等高速轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的工作效率低、可靠性低的主要制約因素之一，提高電機(jī)轉(zhuǎn)速與穩(wěn)定性，降低能耗是高轉(zhuǎn)速機(jī)械領(lǐng)域亟待解決的核心問(wèn)題。磁懸浮電機(jī)因轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)接觸、無(wú)潤(rùn)滑等特點(diǎn)可達(dá)到每分鐘上萬(wàn)轉(zhuǎn)速，但目前磁懸浮電機(jī)考慮到軸向控制的原因，均有推力盤結(jié)構(gòu)用以保證了軸向的可控性，但是其結(jié)構(gòu)也限制了電機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速，電機(jī)效率較低，且體積質(zhì)量較大，在一些對(duì)體積質(zhì)量要求苛刻的領(lǐng)域特別是航空航天方面受到較大限制，無(wú)推力盤磁懸浮電機(jī)從結(jié)構(gòu)上解決了這種問(wèn)題。該電機(jī)具有較高臨界轉(zhuǎn)速優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于壓縮、真空及制冷機(jī)械有著顯著意義；此外體積質(zhì)量較一般磁懸浮電機(jī)較小，工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，這就大大擴(kuò)大了該電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。無(wú)推力盤磁懸浮電機(jī)的優(yōu)勢(shì)使其在航空航天、電動(dòng)汽車、渦輪壓縮等領(lǐng)域有較大發(fā)展前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種轉(zhuǎn)速高、比能量密度高、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、功耗低、工作性能穩(wěn)定、能量轉(zhuǎn)換效率高、無(wú)污染的無(wú)推力盤結(jié)構(gòu)形式的永磁偏置混合磁懸浮電機(jī)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是：一種無(wú)推力盤磁懸浮電機(jī)，由靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分兩部分組成，靜止部分包括：三自由度一體化混合磁軸承的靜止部分、徑向位移傳感器、高速電機(jī)的靜止部分、內(nèi)筒、殼體、安裝環(huán)和軸承座；轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括：三自由度一體化混合磁軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)部分、合金鋼轉(zhuǎn)子、高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子永磁體、永磁體保護(hù)套和鎖緊螺紋環(huán)；高速電機(jī)位于裝置的中間位置，其轉(zhuǎn)子永磁體由永磁體保護(hù)套安裝在兩個(gè)合金鋼轉(zhuǎn)子的中間，其靜止部分安裝在內(nèi)筒上，兩個(gè)三自由度一體化混合磁軸承位于高速電機(jī)的兩端，其靜止部分與安裝環(huán)連接在一起，其轉(zhuǎn)動(dòng)部分通過(guò)鎖緊螺紋環(huán)與合金鋼轉(zhuǎn)子連接在一起，左右兩側(cè)的三自由度一體化混合磁軸承與高速電機(jī)中間各有一個(gè)固定在安裝環(huán)上的徑向位移傳感器，軸向位移傳感器位于合金鋼轉(zhuǎn)子的右側(cè)，在三自由度一體化混合磁軸承的外側(cè)為保護(hù)軸承，左端保護(hù)軸承是一個(gè)深溝球軸承，右端保護(hù)軸承是一對(duì)成對(duì)使用的角接觸球軸承，保護(hù)軸承安裝在軸承座與合金鋼轉(zhuǎn)子中間，整個(gè)系統(tǒng)密封在殼體和前/后端蓋內(nèi)部；徑向位移傳感器和軸向位移傳感器輸出的電信號(hào)與外加控制器的輸入端相連，該控制器的輸出端分別與兩個(gè)三自由度一體化混合磁軸承的電磁線圈相連，形成電的閉環(huán)回路。

其中，所述的左側(cè)保護(hù)軸承與合金鋼轉(zhuǎn)子形成0.10-0.30mm的徑向保護(hù)間隙，右側(cè)保護(hù)軸承與合金鋼轉(zhuǎn)子分別形成0.10-0.30mm的徑向保護(hù)間隙和0.20-0.50mm的軸向保護(hù)間隙。

其中，所述的三自由度一體化混合磁軸承為非機(jī)械接觸的磁懸浮軸承。

其中，所述的非機(jī)械接觸的磁懸浮軸承為永磁偏置、電磁控制的主動(dòng)式磁懸浮軸承，或純電勵(lì)磁的磁懸浮軸承。

其中，所述的高速電機(jī)不含有機(jī)械軸承，兩個(gè)三自由度一體化混合磁軸承同時(shí)為高速電機(jī)起到軸向與徑向支撐定位作用。

其中，所述的高速電機(jī)為永磁無(wú)刷直流電機(jī)，或?yàn)殚_(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，或?yàn)楦袘?yīng)電機(jī)。

其中，所述的合金鋼轉(zhuǎn)子由兩個(gè)合金鋼轉(zhuǎn)子組成，中間為電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體，外側(cè)為有預(yù)緊力過(guò)盈配合的永磁體保護(hù)套，通過(guò)鎖緊螺紋環(huán)對(duì)軸向進(jìn)行緊固。

其中，軸向去除了推力盤結(jié)構(gòu)，采用所述的三自由度一體化混合磁軸承控制轉(zhuǎn)子軸x、y、z三自由度穩(wěn)定懸浮。

本發(fā)明的原理是：通過(guò)三自由度一體化混合磁軸承中徑向磁軸承部分保持整體結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分的徑向間隙及高速電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子徑向間隙均勻以及保證非接觸穩(wěn)定懸浮，通過(guò)三自由度一體化混合磁軸承中軸向磁軸承部分保持整體結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分軸向間隙均勻以及保證非接觸穩(wěn)定懸浮，同時(shí)保持高速電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子軸向?qū)R。當(dāng)轉(zhuǎn)子部分受到某一因素的干擾后，使轉(zhuǎn)子軸的徑向或軸向間隙發(fā)生變化時(shí)，位移傳感器將及時(shí)檢測(cè)出間隙的變化，發(fā)出檢測(cè)信號(hào)，外加控制器通過(guò)增加或減小三自由度一體化混合磁軸承中徑向磁軸承部分、軸向磁軸承部分的電磁線圈中的電流，增大或減小三自由度一體化混合磁軸承中徑向磁軸承部分、軸向磁軸承部分的磁力，從而保持整體結(jié)構(gòu)的靜止部分與轉(zhuǎn)動(dòng)部分的徑向與軸向間隙均勻和穩(wěn)定懸浮，消除干擾的影響，維持轉(zhuǎn)子軸正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明由于采用了無(wú)推力盤結(jié)構(gòu)，大大提高了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、減小了體積、減輕了重量、降低了功耗；采用三自由度一體化混合磁軸承技術(shù)，提高了抗干擾能力、延長(zhǎng)了使用壽命，并進(jìn)一步減小了整體結(jié)構(gòu)的體積；同時(shí)采用高效永磁無(wú)刷直流電機(jī)，減小了損耗、提高了能量轉(zhuǎn)換效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述的無(wú)推力盤磁懸浮電機(jī)剖面圖；

圖2為本發(fā)明的永磁偏置主動(dòng)式三自由度一體化混合磁軸承剖面圖；

圖3為本發(fā)明的轉(zhuǎn)子軸剖面圖；

圖4為本發(fā)明的徑向位移傳感器結(jié)構(gòu)主視圖；

圖5為本發(fā)明的軸向位移傳感器結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；

圖6為本發(fā)明的保護(hù)軸承方案示意圖；

圖7為本發(fā)明的永磁無(wú)刷直流電機(jī)剖面圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明一種無(wú)推力盤磁懸浮電機(jī)，由靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分兩部分組成，靜止部分包括：三自由度一體化混合磁軸承1的靜止部分、徑向位移傳感器2、高速電機(jī)3的靜止部分、內(nèi)筒4、殼體5和安裝環(huán)9；轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括：三自由度一體化混合磁軸承1的轉(zhuǎn)動(dòng)部分、合金鋼轉(zhuǎn)子8、高速電機(jī)3的轉(zhuǎn)子永磁體6、永磁體保護(hù)套7和鎖緊螺紋環(huán)10。高速電機(jī)3位于裝置的中間位置，其轉(zhuǎn)子永磁體由永磁體保護(hù)套7安裝在兩個(gè)合金鋼轉(zhuǎn)子8的中間，其靜止部分安裝在內(nèi)筒4上，三自由度一體化混合磁軸承1處于高速電機(jī)3的兩端，其靜止部分與安裝環(huán)9連接在一起，其轉(zhuǎn)動(dòng)部分與合金鋼轉(zhuǎn)子8連接在一起，左右兩側(cè)的三自由度一體化混合磁軸承1與高速電機(jī)3中間各有一個(gè)固定在安裝環(huán)9上的徑向位移傳感器2，軸向位移傳感器13位于合金鋼轉(zhuǎn)子8的右側(cè)，在三自由度一體化混合磁軸承1的外側(cè)為左側(cè)保護(hù)軸承15和右側(cè)保護(hù)軸承12，右側(cè)保護(hù)軸承12安裝在軸承座11與合金鋼轉(zhuǎn)子8中間，整個(gè)系統(tǒng)密封在殼體5和前/后端蓋14內(nèi)部；徑向位移傳感器2和軸向位移傳感器13輸出的電信號(hào)與外加控制器的輸入端相連，該控制器的輸出端分別與兩個(gè)三自由度一體化混合磁軸承1的電磁線圈相連，形成電的閉環(huán)回路。

所述的左側(cè)保護(hù)軸承15與合金鋼轉(zhuǎn)子8形成0.10-0.30mm的徑向保護(hù)間隙，右側(cè)保護(hù)軸承12與合金鋼轉(zhuǎn)子8分別形成0.10-0.30mm的徑向保護(hù)間隙和0.20-0.50mm的軸向保護(hù)間隙。

本發(fā)明的三自由度一體化混合磁軸承1為非機(jī)械接觸軸承，可以是永磁偏置的、電磁控制的主動(dòng)式磁懸浮軸承，如圖2所示的永磁偏置混合磁軸承，也可以是純電勵(lì)磁的磁懸浮軸承。

圖2為本發(fā)明的永磁偏置主動(dòng)式三自由度一體化混合磁軸承剖面圖，主要由螺紋環(huán)102、軸向激磁線圈103、外導(dǎo)磁環(huán)104、內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)105、永磁體環(huán)107、徑向?qū)Т怒h(huán)108、徑向定子鐵心109、徑向激勵(lì)線圈110、徑向空氣隙111、徑向轉(zhuǎn)子鐵心112等組成。外導(dǎo)磁環(huán)104與螺紋環(huán)102端面之間形成軸向空氣隙101，內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)105與螺紋環(huán)102之間形成環(huán)形氣隙106，徑向定子鐵心109與徑向轉(zhuǎn)子鐵心112之間形成軸向氣隙111；永磁體環(huán)107為混合磁軸承提供偏置磁場(chǎng)，并起到隔離軸向和徑向控制磁場(chǎng)的作用，實(shí)現(xiàn)軸向徑向控制解耦。其中螺紋環(huán)102、徑向轉(zhuǎn)子鐵心112為轉(zhuǎn)動(dòng)部分，其余為靜止部分。

圖3為本發(fā)明的轉(zhuǎn)子軸的剖面圖，轉(zhuǎn)子永磁體6在兩合金鋼轉(zhuǎn)子8中間，與自冷卻高強(qiáng)度的永磁體保護(hù)套7采用過(guò)盈配合，防止在高速旋轉(zhuǎn)中由于離心力過(guò)大導(dǎo)致組件脫落以及永磁體過(guò)熱導(dǎo)致不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4為本發(fā)明的徑向電渦流位移傳感器的主視圖，四個(gè)徑向位移傳感器探頭21～24均布在傳感器座的內(nèi)圓周上。位移傳感器探頭21～24和徑向探測(cè)體永磁體保護(hù)套7之間形成徑向探測(cè)間隙，徑向探測(cè)間隙一般為0.25mm～1.25mm。兩個(gè)徑向位移傳感器探頭21和23組成一對(duì)，分別位于x軸的兩個(gè)方向成180°角，同時(shí)探測(cè)x方向的位移信號(hào)，另兩個(gè)徑向位移傳感器探頭22和24組成另一對(duì)，分別位于y軸的兩個(gè)方向成180°角，同時(shí)探測(cè)y方向的位移信號(hào)，即四個(gè)徑向位移傳感器探頭21～24分別成90°角。

圖5為本發(fā)明的軸向電渦流位移傳感器的側(cè)視圖，一個(gè)軸向位移傳感器探頭131安裝在傳感器座的端面中心位置。位移傳感器探頭131和軸向探測(cè)體右軸承擋座65之間形成軸向探測(cè)間隙，軸向探測(cè)間隙一般為0.5mm～1.5mm，探測(cè)z向方向的位移信號(hào)。

圖6為本發(fā)明的保護(hù)軸承配置方案剖面圖，由左側(cè)深溝球軸承15、右側(cè)一對(duì)角接觸球軸承12、左側(cè)端蓋62、鎖緊螺母64以及右軸承擋座65組成，左右兩側(cè)保護(hù)軸承15和12分別由左側(cè)端蓋62和鎖緊螺母64固定在保護(hù)軸承座11上，并與合金鋼轉(zhuǎn)子8分別形成0.10～0.30mm的徑向保護(hù)間隙61，右側(cè)保護(hù)軸承12與合金鋼轉(zhuǎn)子8形成0.20～0.50mm的軸向保護(hù)間隙63。

本發(fā)明的高速電機(jī)3為整體結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部分，可以是圖7所示的永磁無(wú)刷直流電機(jī)，也可以是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，或?yàn)楦袘?yīng)電機(jī)。

圖7為本發(fā)明的永磁無(wú)刷直流電機(jī)3的軸向剖面圖，主要由電機(jī)定子繞組31、電機(jī)定子鐵心32、轉(zhuǎn)子永磁體6等部件組成。其中轉(zhuǎn)子永磁體6為轉(zhuǎn)動(dòng)部分，其余為靜止部分。

本發(fā)明的高速電機(jī)3不再含有機(jī)械軸承，兩個(gè)永磁偏置三自由度一體化混合磁軸承1同時(shí)為電機(jī)3起到徑向與軸向支撐定位作用。

本發(fā)明的殼體5起安全防護(hù)、防塵等作用。