一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承

本发明公开一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承，涉及电气和机械传动设备技术，属于发电、变电或配电的。

背景技术：

1、近年来，高速和超高速电机在机床加工、透平机械、飞轮储能系统以及混合动力汽车等领域得到了日益广泛的应用。在电机结构方面，区别于转子永磁电机，定子永磁电机的永磁体位于电机定子一侧，转子上既无永磁体也无绕组，因此不存在传统转子永磁电机面临的永磁体受离心力破碎和高温去磁的风险，克服了传统转子永磁电机结构复杂、制造成本高、加工工艺复杂、等效气隙大、转子冷却困难且具有不可逆退磁风险等缺点。

2、然而，现有的定子永磁型电机系统一般采用机械轴承，在使用的过程中，机械轴承因长时间机械摩擦存在长时间磨损、疲劳失效以及润滑油腐蚀等原因导致故障的可能性，使用寿命大幅度缩短，面临着失效的风险，无法在高速状态下可靠运行，这在一定程度上限制了定子永磁型电机的可靠性。因此必须采用高速轴承系统。针对传统机械轴承带来的问题，工业界提出了利用磁悬浮轴承来替代滚珠轴承、充油轴承和空气轴承等传统轴承想法，以实现对高速运行的转子的悬浮支撑。

3、现有的“永磁偏置式磁悬浮轴承+永磁电机”系统均把永磁偏置式磁悬浮轴承与永磁电机作为独立的组成单元，这就导致“永磁偏置式磁悬浮轴承+永磁电机”系统与“机械轴承+永磁电机”系统相比结构复杂、体积庞大，前者过长的转轴长度带来了复杂的转子动力学问题，这也就限制了系统的转速提升和更广泛的应用。

4、综上，本发明旨在提出一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承以克服上述缺陷，以期实现“定子型永磁电机+磁悬浮轴承”紧凑度高、集成度高、部件复用的设计目标。

技术实现思路

1、本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承，通过对其关键组件定子和永磁体的设计，使得双凸极永磁电机的永磁体磁场可以通过设计的导磁桥旁路，实现磁场能量的其它用途，提高磁悬浮电机系统的集成度，同时，通过采用双层定子的结构，实现径向两自由度磁通路径的解耦以及永磁偏置路径与控制磁通路径的解耦，提高磁悬浮电机系统的性能，缩短其整体轴向长度，解决现有永磁偏置式磁悬浮轴承与永磁电机组成的电机系统结构复杂且体积庞大，以及存在复杂转子动力学问题的技术问题。

2、本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

3、双凸极永磁电机的定子轭部空间内沿周向装配有永磁体，永磁体端部具有伸出电机定子的永磁体段。一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承，包括：磁轴承定子铁芯、磁轴承转子铁芯、控制线圈、导磁桥，每个导磁桥装配在相邻两个永磁体端部体伸出电机定子的永磁体段之间的空间内，各导磁桥组成周向导磁桥结构，磁轴承定子铁芯嵌入所述周向导磁桥结构且与周向导磁桥结构接触，磁轴承转子铁芯相对于磁轴承定子铁芯旋转，磁轴承定子铁芯的每个定子磁极上缠绕有控制线圈。

4、作为一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承的进一步优化方案，磁轴承定子铁芯包括：上层定子磁极、下层定子磁极，上层定子磁极和下层定子磁极之间装配有隔磁环，上层定子磁极、下层定子磁极中的每一个定子磁极上缠绕有一个控制线圈，同一层定子磁极上缠绕的控制线圈串联。

5、作为一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承的进一步优化方案，磁轴承定子铁芯两层定子磁极的叠厚加上隔磁环厚度等于磁轴承转子铁芯叠厚。

6、作为一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承的进一步优化方案，隔磁环轴向充磁，且隔磁环的内径等于磁轴承定子铁芯轭部的内径，隔磁环的外径等于磁轴承定子铁芯轭部的外径。

7、作为一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承的进一步优化方案，周向导磁桥的内径大于磁轴承定子铁芯的外径，且周向导磁桥具有与磁轴承定子铁芯径向外侧接触的凸起结构，导磁桥的径向宽度小于或等于电机定子轭部宽度，导磁桥的轴向厚度等于伸出电机定子的永磁体段的长度，导磁桥个数与磁轴承定子磁极个数相等且均为4n，n为正整数，且4n小于或等于电机定子永磁体数。

8、作为一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承的进一步优化方案，永磁体磁化方向为切向，且相邻两个永磁体的磁化方向相反。

9、作为一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承的进一步优化方案，永磁体端部伸出电机定子的永磁体段的长度根据目标磁场强度以及结构磁路计算得出。

10、作为一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承的进一步优化方案，永磁体产生的径向偏置磁场形成的径向永磁偏置磁路为：永磁体n极→导磁桥→上层定子磁极→气隙→磁轴承转子铁芯→气隙→下层定子磁极→导磁桥→永磁体s极。

11、作为一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承的进一步优化方案，定义与电机端面平行平面的水平方向为x方向，与x方向垂直的为y方向，x方向控制线圈产生的磁通路径为：上层定子磁极→气隙→磁轴承转子铁芯→气隙→上层定子磁极→上层定子磁轭；y方向控制线圈产生的磁通路径为：下层定子磁极→气隙→转子铁芯→气隙→下层定子磁极→下层定子磁轭。

12、一种双凸极永磁电机，集成有上述双层定子型径向磁轴承，双凸极永磁电机包括：电机定子铁芯、电机转子铁芯、电枢绕组，电机定子铁芯沿着电机圆周方向均匀分布组成电机定子，每个电机定子铁芯的定子齿上缠绕有电枢绕组，电机转子铁芯相对于电机定子旋转。

13、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

14、(1)本发明设计了一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型磁轴承，充分利用电机轭部空间，通过合理设计导磁桥和磁轴承定子铁芯形状与尺寸，使得磁轴承定子铁芯嵌入周向导磁桥结构并与导磁桥良好接触，从而将定子永磁型电机中永磁体的磁场引入集成的磁悬浮轴承，为磁悬浮轴承提供偏置磁场，可实现定子永磁型电机中永磁体的部件复用，进而实现永磁型电机中永磁体磁场能量的多用途复用，降低磁悬浮电机系统的轴向长度，提升电机转子的动力学性能。

15、(2)本发明所提磁轴承的定子结构为双层设计，上下两层磁轴承定子磁极通过隔磁环隔开，每个方向的控制磁通只在对应的定子层内流动，实现不同控制磁路的解耦，有利于控制系统的设计。

16、(3)本发明通过合理设计控制磁通的路径，使得控制磁通不经过永磁体，也无需附加气隙，实现偏置磁路与控制磁路的分离，所需控制电流小，也不会引起永磁体的退磁，系统损耗小，可靠性高。

技术特征：

1.一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承，其特征在于，

2.根据权利要求1所述一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承，其特征在于，所述磁轴承定子铁芯包括：上层定子磁极、下层定子磁极，所述上层定子磁极和下层定子磁极之间装配有隔磁环，所述上层定子磁极、下层定子磁极中的每一个定子磁极上缠绕有一个控制线圈，同一层定子磁极上缠绕的控制线圈串联。

3.根据权利要求2所述一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承，其特征在于，所述磁轴承定子铁芯两层定子磁极的叠厚加上隔磁环厚度等于磁轴承转子铁芯叠厚。

4.根据权利要求2所述一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承，其特征在于，所述隔磁环轴向充磁，且隔磁环的内径等于磁轴承定子铁芯轭部的内径，隔磁环的外径等于磁轴承定子铁芯轭部的外径。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承，其特征在于，所述周向导磁桥的内径大于磁轴承定子铁芯的外径，且周向导磁桥具有与磁轴承定子铁芯径向外侧接触的凸起结构，所述导磁桥的径向宽度小于或等于电机定子轭部宽度，导磁桥的轴向厚度等于伸出电机定子的永磁体段的长度，导磁桥个数与磁轴承定子磁极个数相等且均为4n，n为正整数，且4n小于或等于电机定子永磁体数。

6.根据权利要求5所述一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承，其特征在于，所述永磁体磁化方向为切向，且相邻两个永磁体的磁化方向相反。

7.根据权利要求5所述一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承，其特征在于，所述永磁体端部伸出电机定子的永磁体段的长度根据目标磁场强度以及结构磁路计算得出。

8.根据权利要求2所述一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承，其特征在于，所述永磁体产生的径向偏置磁场形成的径向永磁偏置磁路为：永磁体n极→导磁桥→上层定子磁极→气隙→磁轴承转子铁芯→气隙→下层定子磁极→导磁桥→永磁体s极。

9.根据权利要求2所述一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承，其特征在于，定义与电机端面平行平面的水平方向为x方向，与x方向垂直的为y方向，所述x方向控制线圈产生的磁通路径为：上层定子磁极→气隙→磁轴承转子铁芯→气隙→上层定子磁极→上层定子磁轭；y方向控制线圈产生的磁通路径为：下层定子磁极→气隙→转子铁芯→气隙→下层定子磁极→下层定子磁轭。

10.一种双凸极永磁电机，其特征在于，集成有根据权利要求1所述的双层定子型径向磁轴承，所述双凸极永磁电机包括：电机定子铁芯、电机转子铁芯、电枢绕组，所述电机定子铁芯沿着电机圆周方向均匀分布组成电机定子，每个电机定子铁芯的定子齿上缠绕有电枢绕组，电机转子铁芯相对于电机定子旋转。

技术总结
本发明公开一种集成于双凸极永磁电机的双层定子型径向磁轴承，属于发电、变电或配电的技术领域。该双层定子型径向磁轴承包括：磁轴承定转子、控制线圈、隔磁环、导磁桥，磁轴承定子包括分别用于构成一个方向控制回路的上层定子磁极、下层定子磁极，两层磁轴承定子磁极轭部之间有隔磁环隔离。利用伸出电机定子段的永磁体、周向导磁桥、双层定子磁极、径向工作气隙、磁轴承转子形成闭合的径向偏置磁场主回路，实现偏置回路和控制回路的解耦，实现双凸极定子永磁型电机永磁体磁场的多用途复用。充分利用电机轭部空间、降低磁悬浮电机系统的轴向长度，提升电机转子的动力学性能，实现“定子型永磁电机+磁悬浮轴承”紧凑度高、集成度高、部件复用的目标。

技术研发人员：花为,杜元昊
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15