专利名称：具有多重冗余功能的高速电机系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高速电机系统，尤其涉及一种带有冗余功能的高速电机系统。
背景技术：
高速电机和超高速电机在现代化的工业生产和交通运输中已经得到了越来越广泛的应用，对高速电机系统的安全性能及故障冗余度方面的要求也越来越高，特别是在航空、航天、航海、汽车摩托车工业、机械加工和生产等重大工业交通领域。但是，轴承支撑技术一直是限制高速电机实现大功率实用化的障碍。传统采用机械轴承的电机系统由于角接触球轴承磨损发热，承载力和刚度小，无安全冗余功能，极易发生机械故障而停工停产，造成重大的经济损失，甚至人员的伤亡。而采用磁轴承技术的高速电机系统一般只是简单用两个径向电磁轴承和一个轴向电磁轴承取代机械轴承来控制电机的五个自由度悬浮，并需额外增加一套磁轴承系统来实现故障冗余功能，占有相当的轴向空间，因此体积庞大，结构复杂，造价较高，同时可靠性和安全性并不高，一旦磁轴承系统损坏后果不堪设想。
发明内容
1、发明目的本发明的目的是提供一种具有多重冗余功能、体积小、重量轻、可靠性高的高速电机系统。
2、技术方案为了达到上述的发明目的，本发明的具有多重冗余功能的高速电机系统包括机壳、无轴承电机、转轴、左端三自由度永磁偏置混合磁轴承、右端三自由度永磁偏置混合磁轴承和辅助轴承，无轴承电机位于转轴的中间位置，左端三自由度永磁偏置混合磁轴承和右端三自由度永磁偏置混合磁轴承左右对称地安装在无轴承电机两侧的转轴上，两个辅助轴承分别安装在位于右端三自由度永磁偏置混合磁轴承、左端三自由度永磁偏置混合磁轴承外侧电机端盖的中心位置。所述的辅助轴承在本电机系统不转或低速时用来支撑转子，以防止转子磨损发热而失去支撑功能，导致电机损坏。
无轴承电机的定子上嵌绕有一套悬浮控制绕组和一套三相转矩绕组，悬浮控制绕组用于控制无轴承电机的转子所受的悬浮力，三相转矩绕组用于控制无轴承电机的转矩输出。
左端三自由度永磁偏置混合磁轴承和右端三自由度永磁偏置混合磁轴承均包括绕有轴向控制绕组和径向控制绕组的径向定子和环形永磁体，在径向定子相对的两个齿上的绕组串联相接，环形永磁体贴装在径向定子的外部的中间位置，外部定子铁心套装在径向定子外圆上，其内端面与环形永磁体接触，左端三自由度永磁偏置混合磁轴承和右端三自由度永磁偏置混合磁轴承的转子铁心分别正对着径向定子齿中心轴线并套装在转轴上。
所述无轴承电机可根据实际所需选用无轴承异步电机、无轴承永磁电机或者无轴承开关磁阻电机。两套三自由度磁轴承定转子结构完全一致，均为永磁偏置轴向/径向混合磁轴承，具有互换性。
为了保证本电机系统的可靠运行，防止系统过热，它还包括冷却系统，包括出水孔、入水孔和冷却水槽，冷却水槽环设于机壳上，出水孔和入水孔分别位于机壳轴向的两侧。
为了对电机系统进行有效控制，它还包括传感器检测系统，该检测系统包括磁轴承径向位移传感器、无轴承电机径向位移传感器和磁轴承轴向位移传感器，磁轴承径向位移传感器安装在位于右侧端盖上的径向支架上，无轴承电机径向位移传感器安装在位于左侧端盖上的径向支架上，磁轴承轴向位移传感器安装在位于左侧端盖上的轴向支架上。磁轴承径向位移传感器用于检测两个三自由度永磁偏置混合磁轴承的径向位移，无轴承电机径向位移传感器用于检测无轴承电机的径向位移，磁轴承轴向位移传感器用于检测两个三自由度永磁偏置混合磁轴承的轴向位移。
所述的传感器为电涡流位移传感器，其探头型号为RS-900500-02-015-20-00，前置器型号为RS-900500-20-03。
本发明的工作原理是电机的高速运转和转矩输出由无轴承电机实现，而电机系统的五自由度悬浮在正常工作状态下由无轴承电机和一套三自由度磁轴承分别承担，另一套三自由度磁轴承则作为备份，在无轴承电机定子绕组(转矩或者悬浮)损坏或者前一套三自由度磁轴承失效时给系统提供充足的冗余度，即便无轴承电机出现故障，两套三自由度磁轴承仍能实现五自由度的悬浮，避免高速情况下发生机毁人亡的事故，从而提高了电机系统的安全性和可靠性。本发明所使用的无轴承电机出现于上世纪80年代末，它利用磁轴承和电机定子结构的相似性，在电机结构和功能上将轴承支撑与电机驱动集成于一体，充分结合了磁轴承技术的无机械接触、无摩擦与磨损，具有无需润滑与密封、能耗小、无机械噪声等优势，轴向空间利用率更高，结构更加简单紧凑，其轴承刚度、临界转速以及电磁效率等均有显著的提高。因此在要求驱动机构体积小、重量轻、可靠度高、长寿命、维修方便和超高速大功率等场合具有广阔的应用前景。
3、有益效果本发明的多冗余度高速磁悬浮电机系统具有以下优点①轴向空间利用率高，结构简单，可突破超高转速和大功率的限制，拓宽了高速电机的应用领域，特别适合要求体积小、重量轻、高可靠性、长寿命和维修方便的场合；②冗余性能好，三个部件其中一个如受到损坏，系统仍能实现悬浮，避免了传统磁轴承高速电机系统在某个磁轴承部件故障时仅依靠一对机械应急保护轴承的缺陷；③刚度叠加抗负载冲击，作为后备的一套三自由度磁轴承在电机系统正常运行时可作为机械阻尼，有效降低转轴弯曲幅度和机械振动，可大幅度提高整个电机系统的轴承刚度；④便于机械加工组装和模块化生产、降低机械加工工艺要求、成本造价低。总的说来，本发明的具有多冗余度的高速磁悬浮电机系统对于减少装置体积重量，提高设备安全可靠性能具有重要的意义。在军用方面，它符合未来高可靠性、小体积和长寿命的新一代全电和多电战斗机、直升机、潜艇用航空、航天、航海电机的发展要求。从民用的角度来看，它在高速离心泵、涡轮分子泵、风机、压缩机、高速机床、飞轮贮能以及小型发电设备等工业领域具有广泛的应用价值。
四
附图是本发明的结构示意图。
五具体实施例方式
本实施例的具有多重冗余功能的高速电机系统包括机壳21、无轴承电机27、转轴22、左端三自由度永磁偏置混合磁轴承28、右端三自由度永磁偏置混合磁轴承29和辅助轴承14、24，无轴承电机27位于转轴22的中间位置，左端三自由度永磁偏置混合磁轴承28和右端三自由度永磁偏置混合磁轴承29左右对称地安装在无轴承电机27两侧的转轴22上，辅助轴承14安装在右端三自由度永磁偏置混合磁轴承29外侧的端盖的中心位置，辅助轴承24安装在左端三自由度永磁偏置混合磁轴承28外侧端盖的中心位置，转轴22与辅助轴承14、24同心。
无轴承电机27的定子19上嵌绕有一套悬浮控制绕组17和一套三相转矩绕组18，悬浮控制绕组17用于控制无轴承电机27的转子20所受的悬浮力，三相转矩绕组18用于控制无轴承电机27的转矩输出。左端三自由度永磁偏置混合磁轴承28和右端三自由度永磁偏置混合磁轴承29分别包括绕有轴向控制绕组2、8、径向控制绕组1、7的径向定子3、9和环形永磁体5、11，在径向定子3、9相对的两个齿上的绕组串联相接，环形永磁体5、11贴装在径向定子3、9的外部的中间位置，外部定子铁心4、10套装在径向定子3、9外圆上，其内端面与环形永磁体5、11接触，左端三自由度永磁偏置混合磁轴承28和右端三自由度永磁偏置混合磁轴承29的转子铁心6、12分别正对着径向定子3、9齿中心轴线并套装在转轴22上。
它还包括冷却系统，包括出水孔15、入水孔23和冷却水槽16，冷却水槽16环设于机壳21上，出水孔15和入水孔23分别位于机壳21轴向的两侧。
该系统还包括传感器检测系统，它包括磁轴承径向位移传感器13、无轴承电机径向位移传感器25和磁轴承轴向位移传感器26，磁轴承径向位移传感器13安装在辅助轴承14右侧端盖上的径向支架上，无轴承电机径向位移传感器25安装在位于左侧端盖上的径向支架上，磁轴承轴向位移传感器26安装在位于左侧端盖上的轴向支架上。所述的传感器均可以采用电涡流位移传感器，其探头型号为RS-900500-02-015-20-00，前置器型号为RS-900500-20-03。
本实施例中，无轴承电机通过定子19槽中嵌绕的转矩绕组18和悬浮绕组17所产生气隙磁场的相互作用实现电机一端的两自由度悬浮。两套三自由度永磁偏置混合磁轴承之一在环形永磁体5、11产生的偏置磁场基础上，通过控制定子铁心3、9的轴向控制线圈2、8和径向控制线圈1、7电流产生悬浮力，实现电机轴向和径向方向上的另外三个自由度的主动磁悬浮。
无轴承电机可根据实际工况选择不同类型的电机，两套三自由度永磁偏置混合磁轴承结构一致可互换。三个部件均可用来实现该多冗余度高速磁悬浮电机系统的五自由度悬浮，部件之间可自由组合提供悬浮冗余度。
权利要求
1.一种具有多重冗余功能的高速电机系统，其特征在于它包括机壳(21)、无轴承电机(27)、转轴(22)、左端三自由度永磁偏置混合磁轴承(28)、右端三自由度永磁偏置混合磁轴承(29)和辅助轴承(14、24)，无轴承电机(27)位于转轴(22)的中间位置，左端三自由度永磁偏置混合磁轴承(28)和右端三自由度永磁偏置混合磁轴承(29)左右对称地安装在无轴承电机(27)两侧的转轴(22)上，两个辅助轴承(14、24)分别安装在位于右端三自由度永磁偏置混合磁轴承(29)、左端三自由度永磁偏置混合磁轴承(28)外侧的端盖的中心位置。
2.如权利要求1所述的具有多重冗余功能的高速电机系统，其特征在于无轴承电机(27)包括悬浮控制绕组(17)、三相转矩绕组(18)、定子(19)和转子(20)，悬浮控制绕组(17)和三相转矩绕组(18)嵌绕在定子(19)上，悬浮控制绕组(17)用于控制无轴承电机(27)的转子(20)所受的悬浮力，三相转矩绕组(18)用于控制无轴承电机(27)的转矩输出。
3.如权利要求1所述的具有多重冗余功能的高速电机系统，其特征在于左端三自由度永磁偏置混合磁轴承(28)和右端三自由度永磁偏置混合磁轴承(29)分别包括绕有轴向控制绕组(2、8)和径向控制绕组(1、7)的径向定子(3、9)和环形永磁体(5、11)，在径向定子(3、9)相对的两个齿上的绕组串联相接，环形永磁体(5、11)贴装在径向定子(3、9)的外部的中间位置，外部定子铁心(4、10)套装在径向定子(3、9)外圆上，其内端面与环形永磁体(5、11)接触，左端三自由度永磁偏置混合磁轴承(28)和右端三自由度永磁偏置混合磁轴承(29)的转子铁心(6、12)分别正对着径向定子(3、9)齿中心轴线并套装在转轴(22)上。
4.如权利要求1或2或3所述的具有多重冗余功能的高速电机系统，其特征在于它还包括冷却系统，包括出水孔(15)、入水孔(23)和冷却水槽(16)，冷却水槽(16)环设于机壳(21)上，出水孔(15)和入水孔(23)分别位于机壳(21)轴向的两侧。
5.如权利要求1或2或3所述的具有多重冗余功能的高速电机系统，其特征在于该系统还包括传感器检测系统，它包括磁轴承径向位移传感器(13)、无轴承电机径向位移传感器(25)和磁轴承轴向位移传感器(26)，磁轴承径向位移传感器(13)安装在位于右侧端盖上的径向支架上，无轴承电机径向位移传感器(25)安装在位于左侧端盖上的径向支架上，磁轴承轴向位移传感器(26)安装在位于左侧端盖上的轴向支架上。
6.如权利要求5所述的具有多重冗余功能的高速电机系统，其特征在于所述的传感器为电涡流位移传感器，其探头型号为RS-900500-02-015-20-00，前置器型号为RS-900500-20-03。
全文摘要
本发明公开了一种具有多重冗余功能的高速电机系统，它包括机壳、无轴承电机、转轴、左端三自由度永磁偏置混合磁轴承、右端三自由度永磁偏置混合磁轴承和辅助轴承，无轴承电机位于转轴的中间位置，左端三自由度永磁偏置混合磁轴承和右端三自由度永磁偏置混合磁轴承左右对称地安装在无轴承电机两侧的转轴上，两个辅助轴承分别安装在位于右端三自由度永磁偏置混合磁轴承、左端三自由度永磁偏置混合磁轴承外侧电机端盖的中心位置。本发明的电机系统轴向空间利用率高，结构简单，冗余性能好，对于减少装置体积重量，提高设备安全可靠性能具有重要的意义。
文档编号H02K3/12GK1852004SQ20061004007
公开日2006年10月25日 申请日期2006年4月30日 优先权日2006年4月30日
发明者邓智泉, 仇志坚, 王晓琳 申请人:南京航空航天大学