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本實用新型涉及高速電機，尤其涉及一種磁懸浮永磁直驅(qū)高速電機。
背景技術(shù)：
直驅(qū)高速電機是一種取代“傳統(tǒng)低速電機+齒輪箱或皮帶傳動系統(tǒng)”的新型產(chǎn)品，可廣泛應用于蒸汽壓縮機、制冷壓縮機、空氣壓縮機、鼓風機、膨脹機、燃氣輪機發(fā)電、余熱發(fā)電、脫硫除塵等高速透平機械領域。由于直驅(qū)高速電機克服了“傳統(tǒng)低速電機+齒輪箱或皮帶傳動系統(tǒng)”的能耗高、噪音大、振動大、故障點多等不足，可以獲得顯著的增效、節(jié)能、降噪的效果，因而近年來市場對高速電機的需求越來越迫切。
直驅(qū)高速電機根據(jù)電機定轉(zhuǎn)子的工作原理可以分為永磁型（包括永磁同步和永磁無刷直流）和交流異步型。由于永磁型電機功率密度大、轉(zhuǎn)子發(fā)熱少、速度力矩特性好、工作效率高，因而比異步電機更加節(jié)能，更加適合于高速化。
直驅(qū)高速電機所采用的軸承包括滾動軸承、液體滑動軸承、空氣軸承和磁懸浮軸承等類型。由于磁懸浮軸承可實現(xiàn)無接觸支撐、不需要潤滑和密封、軸系傳遞給基礎的振動小、使用壽命長、維護費用低等，在工程領域比其他軸承類型具有更強的競爭力。磁懸浮軸承的工作原理是，通過位移傳感器檢測轉(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，既包括檢測轉(zhuǎn)軸徑向位移的傳感器，也包括檢測轉(zhuǎn)軸軸向位移的傳感器。為了保證在電機停車或磁軸承失效狀態(tài)下電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不會因為重力墜落砸傷磁軸承，磁懸浮高速電機中還配備有輔助軸承。由于磁懸浮高速電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)沿軸向要分布電機轉(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，因而常常導致電機轉(zhuǎn)子軸系的跨距變大，軸系臨界轉(zhuǎn)速降低，非常不利于實現(xiàn)進一步高速化。因此要實現(xiàn)磁懸浮電機的高速化，需要盡可能縮短電機轉(zhuǎn)子軸系的跨距，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊化。
現(xiàn)有的磁懸浮高速電機的止推軸承普遍配有專門的推力盤。推力盤止推磁軸承具有明顯不足：(1) 增加了電機轉(zhuǎn)子軸系的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，導致軸系臨界轉(zhuǎn)速降低，不利于提高電機的工作轉(zhuǎn)速；(2) 推力盤由于直徑大，高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時外圓的線速度也高，離心應力增大，存在強度和安全風險，不利于實現(xiàn)高速化；(3)推力盤一旦拆下重新裝配，裝配接觸面的吻合度或多或少會發(fā)生變化，從而導致轉(zhuǎn)子軸系的動平衡被破壞，需要重新進行動平衡后才能重復應用，使用十分麻煩。
現(xiàn)有的磁懸浮高速電機普遍采用檢測旋轉(zhuǎn)軸系某一個被測截面的軸向位移來調(diào)控轉(zhuǎn)軸的軸向位置。由于高速電機長期運行后，轉(zhuǎn)軸會發(fā)生熱伸長，當高速電機止推軸承兩個端面因為熱伸長導致位移傳感器測得的數(shù)據(jù)發(fā)生誤差時，止推軸承的軸向平衡位置的控制精度會下降。
現(xiàn)有的磁懸浮高速電機的止推磁軸承，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，將導致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的質(zhì)量增加，對提高臨界轉(zhuǎn)速不利；若止推環(huán)面內(nèi)徑縮小，將導致轉(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。強制水冷會帶來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，會導致磁軸承的溫升過大，引起磁軸承塑封的樹脂變軟，導致傳感器座發(fā)生熱變性，嚴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)高速電機存在著上述缺點，導致磁懸浮永磁直驅(qū)高速電機未能在壓縮機、鼓風機、膨脹機、燃氣輪機發(fā)電、余熱發(fā)電、脫硫除塵等高速透平機械領域廣泛應用。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本實用新型要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電機轉(zhuǎn)子軸系的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量小、軸系的臨界轉(zhuǎn)速高、強度和安全風險低、拆裝調(diào)整方便的磁懸浮永磁直驅(qū)高速電機。
為解決上述技術(shù)問題，本實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，包括殼體、定子、永磁轉(zhuǎn)子、主軸以及分設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，所述主軸上設有止推軸肩，所述止推軸肩的端面與止推磁軸承之間設置止推磁間隙。
作為上述技術(shù)方案的進一步改進：
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端朝向磁軸承轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)的端面。
所述軸承座開設有多個軸向通風孔，所述多個軸向通風孔沿圓周方向均勻布置，所述軸向通風孔一端與電機內(nèi)腔連通，另一端與電機外部空間連通，所述殼體上裝設有與電機內(nèi)腔連通的風機。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點在于：
本實用新型的磁懸浮永磁直驅(qū)高速電機，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，主軸上設有止推軸肩，止推軸肩的端面與止推磁軸承之間設置止推磁間隙，用止推軸肩的端面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單獨的直推盤結(jié)構(gòu)，減小了電機轉(zhuǎn)子軸系的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，有利于提高軸系的臨界轉(zhuǎn)速；可避免傳統(tǒng)推力盤結(jié)構(gòu)由于直徑大、線速度高、離心應力大帶來的強度和安全風險；可避免推力盤拆下重裝必須重新進行動平衡調(diào)整所帶來的麻煩。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；可同時檢測軸向兩個端面的位移，可綜合評估轉(zhuǎn)軸熱伸長量的大小，從而為轉(zhuǎn)軸軸向平衡位置的精確控制提供依據(jù)。軸承座開設有多個軸向通風孔，多個軸向通風孔沿圓周方向均勻布置，軸向通風孔一端與電機內(nèi)腔連通，另一端與電機外部空間連通，殼體上裝設有與電機內(nèi)腔連通的風機，從風機輸入的冷卻空氣可通過這些軸向通風孔流出，對軸承組件進行有效的冷卻，解決了水冷帶來的密封難題或自然冷卻導致的溫升過高的難題。
附圖說明
圖1是本實用新型磁懸浮永磁直驅(qū)高速電機實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1中I處的放大圖。
圖中各標號標示：
1、殼體；11、風機；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。
具體實施方式
如圖1和圖2所示，本實施例的磁懸浮永磁直驅(qū)高速電機，包括殼體1、定子2、永磁轉(zhuǎn)子3、主軸4以及分設于主軸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上設有止推軸肩41，止推軸肩41的端面與止推磁軸承53之間設置止推磁間隙6。本實用新型的磁懸浮永磁直驅(qū)高速電機，在主軸4上設有止推軸肩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)的單獨的直推盤結(jié)構(gòu)，減小了電機轉(zhuǎn)子軸系的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，有利于提高軸系的臨界轉(zhuǎn)速；可避免傳統(tǒng)推力盤結(jié)構(gòu)由于直徑大、線速度高、離心應力大帶來的強度和安全風險；可避免推力盤拆下重裝必須重新進行動平衡調(diào)整所帶來的麻煩。
本實施例中，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；可同時檢測軸向兩個端面的位移，可綜合評估轉(zhuǎn)軸熱伸長量的大小，從而為主軸4的軸向平衡位置精確控制提供依據(jù)。
本實施例中，軸承座51開設有多個軸向通風孔511，多個軸向通風孔511沿圓周方向均勻布置，軸向通風孔511一端與電機內(nèi)腔連通，另一端與電機外部空間連通，殼體1上裝設有與電機內(nèi)腔連通的風機11，從風機11輸入的冷卻空氣可通過這些軸向通風孔511流出，對軸承組件5進行有效的冷卻，解決了水冷帶來的密封難題或自然冷卻導致的溫升過高的難題。
雖然本實用新型已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本實用新型。任何熟悉本領域的技術(shù)人員，在不脫離本實用新型技術(shù)方案范圍的情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對本實用新型技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本實用新型技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本實用新型技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應落在本實用新型技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。
磁懸浮電機沒有摩擦壽命更長噪音更小效率更高為什么沒有被廣泛的推廣使用是因為工藝還是因為技術(shù)不成熟
在高速直驅(qū)領域已經(jīng)用的很廣泛了，如暖通行業(yè)的制冷壓縮機，污水處理用的曝氣鼓風機，高速分子泵等。但確實現(xiàn)在磁懸浮高速電機的成本還比較高，技術(shù)門檻也比較高，所以還沒有普及，但發(fā)展趨勢是明顯的。
高速電機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。問題主要在于成本：
額外的磁懸浮軸承/無軸承電機懸浮繞組至少需要額外的電力電子器件，位移傳感器（很貴相當貴），UPS備用電源等等。。。
另外，機械軸承的發(fā)展也很快，在大多數(shù)高速應用領域機械軸承足以勝任。
有興趣可以讀一篇WEMPEC專門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.
目前來講應用還是很多的，特別是流體機械(主要是空氣)，譬如磁懸浮分子泵，磁懸浮鼓風機，磁懸浮透平真空泵，磁懸浮離心壓縮機；emaging
小功率方面主要是成本問題，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)，另外就是市場需求并不大
因為大部分廠商技術(shù)掌握不徹底，無法降低成本。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，僅芯片和機加工外協(xié)，可以控制磁懸浮電機的成本。
近來，依托于北京航空航天大學建造的“北京市高速磁懸浮電機技能及應用工程技能研究基地”在高速電機研發(fā)方面取得主要打破，成功研發(fā)出國內(nèi)首臺30kW超高速磁懸浮永磁電機。
該工程基地霸占了磁懸浮高速電機整體構(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)控制等多項要害工藝技能，研發(fā)出具有自立知識產(chǎn)權(quán)的小功率超高速磁懸浮永磁電機，填補國內(nèi)涵該項范疇的空白。
傳統(tǒng)壓縮機因為受電機極限轉(zhuǎn)速約束，只能選用增速齒輪箱等方法驅(qū)動，致使壓縮機體系體積巨大、能耗高、壽命短、噪聲污染嚴峻。高速磁懸浮永磁電機通過直驅(qū)工作方法，可大起伏簡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。當前國際上該類產(chǎn)品對中國實施技能封鎖。研發(fā)具有自立知識產(chǎn)權(quán)的高速磁懸浮電機，是提高中國高端配備制作范疇自立立異才能的主要途徑。
當前，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。
文章出自：
直流磁浮電機也稱磁懸浮電機，也可以叫磁力電機，它是無軸承電機是一種新型結(jié)構(gòu)的電機。與傳統(tǒng)電機的最大不同之處是它不需要另外的軸承，電機本身既可產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，又能產(chǎn)生支撐轉(zhuǎn)子的磁懸浮力。磁懸浮電機具有無摩擦、適合高速運行以及使用壽命長等優(yōu)點。該種電機具有體積小、功率密度高等優(yōu)點，額定轉(zhuǎn)速可達每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)，因此廣泛應用于渦輪分子泵、壓縮機、飛輪儲能等高速旋轉(zhuǎn)機械領域。
磁懸浮電機的原理：磁懸浮軸承電機利用安裝在機座上的徑向和軸向磁鐵，在轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子中感應出磁場，并通過定轉(zhuǎn)子磁場的相互作用將轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子懸浮起來，避免了傳統(tǒng)電機的轉(zhuǎn)軸和軸承接觸摩擦而產(chǎn)生的機械問題，使電機的轉(zhuǎn)速不受軸承的限制。
磁懸浮電機在高速直驅(qū)領域已經(jīng)用的很廣泛了，如暖通行業(yè)的制冷壓縮機，高速分子泵等。雖然現(xiàn)在磁懸浮高速電機的成本還比較高，技術(shù)門檻也比較高，也還沒有普及，但發(fā)展趨勢是明顯的。
深圳市萬至達電機制造有限公司擁有20年直流電機研發(fā)生產(chǎn)經(jīng)驗，也是國內(nèi)較早能自主研發(fā)、批量生產(chǎn)磁懸浮電機的企業(yè)，歡迎大家咨詢合作。
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