一种带轴向永磁辅助励磁的五自由度磁悬浮电机制造技术

技术编号：40188220 阅读：6 留言：0更新日期：2024-01-26 23:51

本发明专利技术公开了一种带轴向永磁辅助励磁的五自由度磁悬浮电机，包括轴向控制铁芯、两个径向控制铁芯、两个辅助铁芯、两个轴向控制线圈、六个径向控制线圈、两个环形永磁体、两个环形辅助永磁体、一个电机转子和一个电机定子；径向控制铁芯通过环形永磁体与轴向控制铁芯连为一体，辅助铁芯通过环形辅助永磁体与轴向控制铁芯相连，电机定子与轴向控制铁芯直接相连；电机转子包括转轴、悬浮铁芯、隔磁环、电机转子铁芯。本发明专利技术将五自由度悬浮功能和旋转功能集成在一个单元内，且最大轴向悬浮力可以不受最大径向悬浮力的限制，提高了转矩、悬浮力密度、临界转速，特别适用于轴向负载大于径向负载的磁悬浮传动领域，如垂直轴风力发电机或飞轮储能领域。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及磁悬浮轴承，具体涉及一种带轴向永磁辅助励磁的五自由度磁悬浮电机。

技术介绍

1、磁轴承电机要实现转子的稳定悬浮，需在五个自由度上施加约束，需由磁悬浮轴承来实现。磁悬浮轴承属于非接触性轴承,利用磁场力将转子无接触地悬浮于空间,集机械学、转子动力学、控制理论、电磁学等技术于一体的新型机电一体化高性能轴承。与普通轴承相比,磁轴承具有无摩擦、无磨损、不需润滑和密封、高速度、高精度、寿命长、轴承刚度和阻尼可调节等一系列优良品质，因而受到了工程界的广泛重视，是机械、电气控制等领域的前沿课题之一。

2、但是，要实现五自由度磁悬浮电机工业应用，仍存在几个无法解决的技术难题：①传统电机与混合磁轴承组成五自由度磁悬浮电机应用中，一个电机转子在径向需要两个磁轴承来支承，同时还需要一个轴向磁轴承控制轴向位移,因此磁轴承占有较大的轴向长度，从而降低了转子的临界转速，这就导致电机功率的提高主要依赖径向尺寸的增加；②为了充分利用材料，轴向和径向气隙磁密设计为气隙饱和磁密的一半，因此，轴向磁极面积和径向磁极面积之间存在固定的比例关系，即轴向和径向最大悬浮力也成固定比例关系，难以满足轴向承载力与径向承载力超过轴向与径向最大悬浮力比例关系的应用场合的性能需求，特别是在一些垂直轴的应用领域，其所需轴向悬浮力远大于径向悬浮力需求，如采用传统的集成化磁悬浮方案，则按照满足轴向悬浮力需求进行设计，则导致径向磁极面积和径向控制绕组设计的很大，导致磁悬浮电机体积和重量大，悬浮力密度和转矩密度都较低。

技术实现思路</p>

1、针对
技术介绍
中指出的问题，本专利技术提出一种带轴向永磁辅助励磁的五自由度磁悬浮电机，将五自由度悬浮功能和旋转功能集成在一个单元内，可以根据径向和轴向悬浮力需求，设计出任意轴向和径向悬浮力的五自由度磁悬浮电机，提高了转矩和悬浮力密度，提高临界转速，节约材料，降低功耗和成本，尤其适用于轴向承载力需求远大于径向承载力需求，诸如垂直轴风力发电机与飞轮储能等领域。

2、技术方案：本专利技术公开一种带轴向永磁辅助励磁的五自由度磁悬浮电机，由左端盖、电机定子、悬浮定子、电机转子和右端盖构成；所述悬浮定子包括轴向控制铁芯、左径向控制铁芯、右径向控制铁芯、左辅助铁芯、右辅助铁芯、左环形永磁体、右环形永磁体、左环形辅助永磁体、右环形辅助永磁体、左径向控制线圈、右径向控制线圈以及对称设置的轴向控制线圈；所述电机转子包括悬浮铁芯、隔磁环、电机转子铁芯以及转轴；所述左、右环形永磁体设置在左、右径向控制铁芯和轴向控制铁芯之间；所述左、右径向控制铁芯内圆周均布3个径向磁极，其上绕制左、右径向控制线圈；所述轴向控制铁芯内侧绕制轴向控制线圈；所述左环形辅助永磁体、右环形辅助永磁体分别嵌入所述左辅助铁芯、右辅助铁芯中，并与所述轴向控制铁芯固定，在轴向控制铁芯内部通过隔磁材料连接电机定子；所述转轴贯穿所述悬浮铁芯，电机转子铁芯与悬浮铁芯间由隔磁环隔开，所述悬浮铁芯与左、右径向控制铁芯之间设有径向气隙一、径向气隙二，所述悬浮铁芯与轴向控制铁芯间设有对称的轴向气隙、径向气隙三，所述悬浮铁芯与左、右辅助铁芯间设有左、右径向气隙。

3、进一步地，所述径向气隙三远大于所述轴向气隙。

4、进一步地，所述左、右辅助铁芯、左、右径向控制铁芯、轴向控制铁芯、悬浮铁芯由实心导磁材料制成；电机转子铁芯由硅钢片叠压制成。

5、进一步地，所述左环形辅助永磁体、右环形辅助永磁体为轴向充磁，所述左环形永磁体、右环形永磁体为径向磁化，且四个环形永磁体面向轴向控制铁芯一侧的极性相同。

6、进一步地，所述左、右环形永磁体共同提供径向和轴向偏置磁通，偏置磁通从左、右环形永磁体的n极出发，经轴向控制铁芯、轴向气隙、悬浮铁芯、径向气隙一、二、左、右径向控制铁芯回到左、右环形永磁体的s极；所述左、右环形辅助永磁体提供对称的辅助励磁磁通，辅助励磁磁通从左、右环形辅助永磁体的n极出发，经轴向控制铁芯、轴向气隙、悬浮铁芯、左、右辅助铁芯、左、右径向气隙、回到左、右环形辅助永磁体的s极。

7、进一步地，所述左、右环形永磁体为径向气隙一、二和轴向气隙提供偏置磁通，让径向气隙一、二的气隙磁密达到饱和磁密的一半，轴向气隙的气隙磁密小于饱和磁密的一半，轴向气隙处所缺少的磁通由左、右环形辅助永磁体产生的辅助励磁磁通提供。

8、进一步地，设计方法步骤如下:

9、步骤1：选定左环形永磁体、右环形永磁体、左环形辅助永磁体、右环形辅助永磁体材料，确定气隙饱和磁密bs，确定各气隙长度；

10、步骤2：根据fzmax与frmax确定轴向和径向磁极面积sz和sr：

11、且，sz＞3sr，sz为轴向磁极面积，即轴向控制铁芯相对于悬浮铁芯的面积，sr为单个径向磁极面积，μ0为真空磁导率；

12、步骤3：确定左、右环形永磁体的磁动势frm：φrm＝1.5bssr，gr、gz分别为径向气隙一、二和轴向气隙长度；

13、步骤4：确定在左、右环形永磁体激励下的轴向气隙磁密brzm：

14、步骤5：确定左、右环形辅助永磁体需提供的偏置磁通φam：φam＝0.5bs(sz-3sr)；

15、步骤6：确定左、右环形辅助永磁体参数fam：ga为左、右径向气隙长度，sa为辅助铁芯相对于悬浮铁芯的面积；

16、步骤7：确定轴向控制线圈和左、右径向控制线圈所需安匝数：

17、分析控制机理，以在控制线圈串联产生的径向控制气隙磁密最大值为0.5bs为准则设计左、右径向控制线圈安匝数nrir：

18、以将两侧的控制线圈串联后，共同通电产生的最大轴向气隙控制磁密为0.5bs计算轴向控制线圈安匝数nziz：

19、本专利技术和现有技术相比有以下优点：

20、本专利技术将两个永磁偏置径向磁轴承和一个轴向磁轴承进行组合来实现五自由度悬浮，共用左、右环形永磁体为轴向和径向气隙提供五自由度偏置磁通，额外设置两个轴向磁化的环形辅助永磁体给轴向磁极提供辅助励磁磁通，突破轴向与径向磁极面积的比例限制，当轴向磁极面积大于径向磁极面积之和时，轴向气隙磁密可以由左右环形辅助永磁体提供的辅助励磁磁通补偿到饱和磁密的一半。本专利技术将五自由度悬浮功能和旋转功能集成在一个单元内，提高了磁悬浮电机转矩和悬浮力密度，提高临界转速，且最大轴向悬浮力可以不受最大径向悬浮力的限制，尤其适用于轴向承载力需求远大于径向承载力需求的应用场合。

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【技术保护点】

1.一种带轴向永磁辅助励磁的五自由度磁悬浮电机，其特征在于：由左端盖(1)、电机定子(2)、悬浮定子(3)、电机转子(4)和右端盖(5)构成；所述悬浮定子(3)包括轴向控制铁芯(6)、左径向控制铁芯(7)、右径向控制铁芯(8)、左辅助铁芯(9)、右辅助铁芯(10)、左环形永磁体(11)、右环形永磁体(12)、左环形辅助永磁体(13)、右环形辅助永磁体(14)、左径向控制线圈(17)、右径向控制线圈(16)以及对称设置的轴向控制线圈(15)；所述电机转子(4)包括悬浮铁芯(19)、隔磁环(18)、电机转子铁芯(20)以及转轴(21)；所述左、右环形永磁体(11、12)设置在左、右径向控制铁芯(7、8)和轴向控制铁芯(6)之间；所述左、右径向控制铁芯(7、8)内圆周均布3个径向磁极，其上绕制左、右径向控制线圈(16、17)；所述轴向控制铁芯(6)内侧绕制轴向控制线圈(15)；所述左环形辅助永磁体(13)、右环形辅助永磁体(14)分别嵌入所述左辅助铁芯(9)、右辅助铁芯(10)中，并与所述轴向控制铁芯(6)固定，在轴向控制铁芯(6)内部通过隔磁材料(28)连接电机定子(2)；所述转轴(

2.根据权利要求1所述的一种带轴向永磁辅助励磁的五自由度磁悬浮电机，其特征在于：所述径向气隙三(25)远大于所述轴向气隙(24)。

3.根据权利要求1所述的一种带轴向永磁辅助励磁的五自由度磁悬浮电机，其特征在于：所述左、右辅助铁芯(9、10)、左、右径向控制铁芯(7、8)、轴向控制铁芯(6)、悬浮铁芯(19)由实心导磁材料制成；电机转子铁芯(20)由硅钢片叠压制成。

4.根据权利要求1所述的一种带轴向永磁辅助励磁的五自由度磁悬浮电机，其特征在于：所述左环形辅助永磁体(13)、右环形辅助永磁体(14)为轴向充磁，所述左环形永磁体(11)、右环形永磁体(12)为径向磁化，且四个环形永磁体面向轴向控制铁芯(6)一侧的极性相同。

5.根据权利要求1所述的一种带轴向永磁辅助励磁的五自由度磁悬浮电机，其特征在于：所述左、右环形永磁体(11、12)共同提供径向和轴向偏置磁通(29)，偏置磁通(29)从左、右环形永磁体(11、12)的N极出发，经轴向控制铁芯(6)、轴向气隙(24)、悬浮铁芯(19)、径向气隙一、二(22、23)、左、右径向控制铁芯(7、8)回到左、右环形永磁体(11、12)的S极；所述左、右环形辅助永磁体(13、14)提供对称的辅助励磁磁通(30)，辅助励磁磁通(30)从左、右环形辅助永磁体(13、14)的N极出发，经轴向控制铁芯(6)、轴向气隙(24)、悬浮铁芯(19)、左、右辅助铁芯(9、10)、左、右径向气隙(26、27)，回到左、右环形辅助永磁体(13、14)的S极。

6.根据权利要求5所述的一种带轴向永磁辅助励磁的五自由度磁悬浮电机，其特征在于：所述左、右环形永磁体(11、12)为径向气隙一、二(22、23)和轴向气隙(24)提供偏置磁通，让径向气隙一、二(22、23)的气隙磁密达到饱和磁密的一半，轴向气隙(24)的气隙磁密小于饱和磁密的一半，轴向气隙(24)处所缺少的磁通由左、右环形辅助永磁体(13、14)产生的辅助励磁磁通(30)提供。

7.根据权利要求1至6任一所述的一种带轴向永磁辅助励磁的五自由度磁悬浮电机,其特征在于：设计方法步骤如下:

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【技术特征摘要】

2.根据权利要求1所述的一种带轴向永磁辅助励磁的五自由度磁悬浮电机，其特征在于：所述径向气隙三(25)远大于所述轴向气隙(24)。

3.根据权利要求1所述的一种带轴向永磁辅助励磁的五自由度磁悬浮电机，其特征在于：所述左、右辅助...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚瑶，唐霄，刘非凡，张涛，叶小婷，武莎莎，张晨，鲁庆，莫丽红，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：

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