一种气隙单极性磁悬浮自轴承电机的制作方法

本发明属于机电领域，具体涉及磁悬浮电机。

背景技术：

为了减小或消除机械磨损，人们发明了磁悬浮轴承。磁悬浮轴承是利用安装在转轴与机架之间的独立的磁悬浮装置产生的径向悬浮力或轴向悬浮力支撑转子，将转子悬浮于空中，以避免定子部件与转子部件间的直接接触，相比于气悬浮或液悬浮轴承其具有一定优越性。但与此同时，磁悬浮轴承也带来了新的问题，比如其占据的轴向长度较长、结构及控制相对复杂，成本较高等，使得磁悬浮轴承支撑的电机难以更广泛的应用。

对于电机的转子悬浮，人们结合电机的磁路特点，发明了自轴承电动机。自轴承电动机又称无轴承电动机，因为电动机自身有了轴承的支撑功能而得名。自轴承电机实质上属于磁悬浮电机的一种特殊形式。自轴承电动机的种类主要有：（1）p±2型自轴承电动机，其中p为电机极数，p±2为磁悬浮控制极数，通过在电机的一边增加磁通而在另一边减少磁通，从而控制电机径向力。（2）混合型自轴承电动机，它是在一侧设置电动机，在另一侧设置混合型磁轴承，在它们之间安装有偏置永久磁铁，用以提供偏置磁通。（3）洛伦兹型自轴承电动机，它是由安装在定子上的力矩绕组提供旋转力矩和悬浮绕组提供悬浮力的自轴承电机。（4）轴向自轴承电动机，它由两个相对的定子和一个转子构成，类似一个双盘式电动机，但是，这里每个定子的驱动电流幅度的控制取决于转子的位置。对于径向自轴承电动机，往往与轴向磁悬浮轴承配合使用，而对于轴向自轴承电动机，往往与径向磁悬浮轴承配合使用。对此，机械工业出版社2014年4月出版，瑞士gerhardschweitzer、美国erich.maslen编著的【磁悬浮轴承——理论、设计及旋转机械应用】366-380页进行了分析说明。这些磁悬浮电动机安装在定子上的每组磁悬浮绕组形成的磁力线都要经过工作主气隙和悬浮磁势源两次，即气隙磁悬浮磁势是异极性的或双极性的。对于径向磁化串联悬浮绕组在定子铁芯上，悬浮磁通的回路是：a悬浮磁势源→定子铁芯→主工作气隙→转子铁芯→主工作气隙→定子铁芯→b悬浮磁势源→定子铁芯磁轭→a悬浮磁势源。悬浮磁通的每根磁力线要经过磁势源和主工作气隙两次，磁势消耗大或磁势利用率低。当转子旋转时，磁悬浮磁通对转子铁芯反复磁化，这就使得转子中的磁滞损耗、涡流损耗大大增加；对于那些带有齿槽或凸极的非均匀转子容易产生附加波动力，使控制更为复杂。消除这些不利因素，对于磁悬浮自轴承电机尤为重要。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：寻求一种结构更简单、制造和维护更容易、效率更高的磁悬浮自轴承电机。在创新基本结构相同的条件下，针对不同电机特点，采取各种有针对性的或综合性的技术方案，使之能够适用于普通转速的电机、高转速电机，适应于旋转电机、直线电机、螺旋电机，适应于发电机、电动机等。这是本发明的主要目的。

为达到上述目的和解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：

一种气隙单极性磁悬浮自轴承电机，由定子组件、转子或动子组件、机壳组件构成，定子组件与转子之间留有气隙，所述电机是发电机或电动机，所述电机是交流电机，所述电机是同步电机或异步电机，所述电机是旋转电机或直线电机或螺旋电机，所述直线电机是定子与动子是可以互换的电机，所述定子组件包括定子铁芯及其磁极、磁轭，定子主绕组、定子磁悬浮元件，所述电机定子主绕组采用的是单相或多相交变电源，所述定子磁悬浮元件是永磁体或电磁绕组或两者混合的磁悬浮元件，所述转子组件包括转子铁芯及其磁极、磁轭和转子轴、辅助轴承，所述机壳包括定子铁芯外壳、左端盖或上端盖、右端盖或下端盖，所述转子轴是由导磁体或非导磁体制成的空心轴或实心轴，在所述定子磁路上的磁悬浮元件，其各磁势源的磁极的磁力线在对应于电机气隙的方向上是同极性径向励磁，磁悬浮元件所形成的磁场是同极性径向辐射磁场，径向磁悬浮磁场的磁力线同一极性垂直于电机轴线方向辐射穿过电机气隙，通过控制电机的各悬浮绕组磁通的大小和方向，一边增加磁力而在另一边减少磁力，控制电机径向力，所述定子铁芯外壳是导磁体，磁悬浮磁场的磁通经过定子铁芯外壳。

该技术方案的技术特征表现在所述磁悬浮自轴承电机同时具有：1）磁悬浮元件安放位置在定子上。2）磁悬浮元件的磁极的磁力线在对应于电机气隙的方向上是径向辐射。3）气隙磁悬浮磁场是同极性（单极性）。正是由于磁悬浮元件安放的位置、励磁方向、磁场极性同时与现有磁悬浮自轴承电机不同，使得悬浮磁通路径不同，以此可以实现各种新的技术方案，从而使得自轴承电机的技术性能指标和经济运行指标产生不同的结果。

所谓径向励磁是指每件磁悬浮磁势源的磁极中心线是按照电机径向或与电机径向平行放置。所谓轴向励磁是指每件磁悬浮磁势源的磁极中心线是按照电机轴向或与电机轴向平行放置；

所述单极磁势是指磁悬浮磁势的磁力线通过某一空间或物体是同一极性、同一方向。单极又称同极，单极性又称同极性或同性极。

所述单极性辐射磁场是指磁势的单极性磁力线束在某一空间截面同向集聚或同向发散或同向平行通过。例如：磁力线沿某一圆形截面向圆心方向集聚或从内圆沿径向向外圆发散。再如：磁力线同极性穿过一矩形截面气隙或螺旋截面气隙等。

该方案中，对于旋转电机的磁悬浮磁路是：磁悬浮元件→定子铁芯外壳→两侧端盖→两侧端盖与两侧导磁轴间或与两侧转子铁芯外表面间的附加气隙→两侧导磁轴或两侧转子铁芯→两侧工作主气隙→两侧定子铁芯→定子磁轭→磁悬浮元件。每根磁悬浮磁通磁力只经过主气隙和悬浮磁势源一次。定子主绕组的磁场磁路与普通电机一样，是在定子铁芯→工作主气隙→转子铁芯→工作主气隙→定子铁芯的磁回路上。

该方案中采用安装在定子上的各磁悬浮元件，形成气隙的径向、单极性、辐射磁场，有以下优点：1）单极性磁场可使气隙磁场更均匀；避免两极性或多极性磁场时存在的气隙极间漏磁。2）径向辐射磁场可以产生聚磁效果，减少励磁磁势供给。3）消除了双极性或多极性磁势在转子旋转时，磁通对转子铁芯反复磁化的现象，使得转子中的磁滞损耗、涡流损耗大大减小。4）单极性磁势可减小对于那些带有齿槽或凸极的非均匀转子容易产生的附加波动力。5）磁悬浮磁通经过定子铁芯外壳导磁体，避免了磁力线垂直穿过定子矽钢片平面，消除了磁力线垂直经过定子铁芯磁钢片平面时存在的附加气隙的磁阻，减少了磁势损耗，降低定子铁耗。6）每根磁力线只经过主气隙和悬浮磁势源一次，可减少磁势供给或提高磁势利用率。7）磁悬浮绕组安装在定子上，可大大减小电机轴向尺寸，提高材料利用率。8）磁悬浮绕组安装在定子上，方便冷却散热等。以上这些优点，可大大提高电机的力能指标，可制造成大功率电机。

该方案中，当转子轴采用导磁材料时，转子铁芯可采用同种材料等同替代，转轴与转子铁芯可一体化。

该方案中，当磁悬浮元件采用多件分散拼组而成时，两件磁悬浮元件两侧之间应留有空气隙或填充非导磁材料，防止磁悬浮元件自漏磁。

该方案中，当采用多件磁悬浮元件分散布置时，可调整磁悬浮元件中心线与定子主绕组中心线之间的相对位置，取得最小的电枢反应。或在两件磁悬浮元件的空气隙间加装辅助磁极，改善电机性能。

该方案中，所述磁悬浮元件可以是电励磁磁悬浮绕组或电励磁磁悬浮绕组与永磁体混合的磁悬浮元件，采用电励磁磁悬浮绕组时，电励磁磁悬浮绕组内空间设有与定子铁芯一体的导磁极。磁悬浮绕组也可以安装在主绕组的槽内。

该方案中，采用空心轴可减小转子转动惯量，特别在高速电机中有利于起动、运行。

该方案中，采用空心轴时，空心轴内可装有滚珠丝杠或在空心轴内壁上加工螺旋槽，其内可装有螺杆。滚珠丝杠或螺杆可输出直线或螺旋运动。

该方案中，当磁悬浮元件与主绕组在定子内不同直径范围布置时，磁悬浮磁路的路径与定子主绕组磁路的路径不同，磁悬浮磁路要经过定子铁芯外壳，定子主绕组磁路不经过定子铁芯外壳。当磁悬浮元件与主绕组在定子内同一直径范围布置时，磁悬浮磁路的路径与定子主绕组磁路的路径相同，两者磁路都经过定子铁芯外壳。

该方案中，定子、转子铁芯结构包括凸极式、隐极式、混合式等。

该方案中，转子铁芯可以是径向叠片式，也可以是冲片轴向叠压式。

该方案中，定子或转子上可以设置励磁绕组，励磁绕组可以是单极性或多极性的。磁路中加入励磁元件，建立励磁磁场，对于发电机是必须的；对于电动机而言，励磁磁场会提高对外部磁场（如电压波动）的干扰能力，提高电机的工作稳定性；励磁磁场提供了较高的磁场工作范围，对于电机的控制更容易，过载能力更强。

该方案中，对于电动机，为了改善起动性能，可以采取已有的提高同步电机起动能力的各种成熟技术方案，例如：在转子铁芯中装置鼠笼起动绕组等。

该方案中，为了解决高速电机的离心力问题，现有成熟的相关技术方案均可采用。

该方案中，为了解决散热冷却问题，现有成熟的相关技术方案均可采用。

上述的一种气隙单极性磁悬浮自轴承电机，可供选择的技术方案是，所述在定子磁路上装有的磁悬浮元件，其各磁势源的磁极的磁力线在对应于电机气隙的方向上是同极性径向励磁，是指磁悬浮元件安装在定子铁芯外壳内侧与定子铁芯磁轭之间的磁路上，各磁悬浮元件产生的磁极的同一极性的磁场磁力线垂直于电机轴线方向辐射穿过电机气隙，所述磁悬浮元件极数=p±2，其中p为电机极数，通过控制电机的各悬浮绕组的磁通大小和方向，一边增加磁力而在另一边减少磁力，控制电机径向力，定子铁芯外壳是导磁体，左右端盖或上下端盖是导磁体，磁悬浮磁场的磁通经过定子铁芯外壳和两侧端盖，两侧端盖有一部分旋转截面面积与转子铁芯或导磁轴滑动接触配合，构成磁路的一部分。各磁回路导磁体的截面面积大小应保证其磁场不会过度饱和。

该方案中，磁悬浮磁回路经过定子铁芯外壳是导磁体，避免了磁力线垂直穿过定子矽钢片平面，消除了磁力线垂直经过定子铁芯磁钢片平面时存在的附加气隙磁阻，减少了气隙磁势损耗，降低了定子铁耗。其它种类的与此相关的气隙单极磁悬浮自轴承电机的磁路与上述类同。

上述的一种气隙单极性磁悬浮自轴承电机，可供选择的技术方案是，所述在定子磁路上装有的磁悬浮元件，其各磁势源的磁极的磁力线在对应于电机气隙的方向上是同极性径向励磁，是指磁悬浮元件安装定子铁芯外壳内侧与定子铁芯磁轭之间的磁路上，各磁悬浮元件产生的磁极的同一极性的磁场磁力线垂直于电机轴线方向辐射穿过电机气隙，所述磁悬浮元件极数与电机主绕组极数相等，通过控制电机的各磁悬浮元件的磁通大小和方向，一边增加磁力而在另一边减少磁力，控制电机径向力，定子铁芯外壳是导磁体，左右端盖或上下端盖是导磁体，磁悬浮磁场的磁通经过定子铁芯外壳和两侧端盖，两侧端盖有一部分旋转截面面积与转子铁芯或导磁轴滑动接触配合，构成磁路的一部分。

上述的一种气隙单极性磁悬浮自轴承电机，改进的技术方案是，在磁悬浮磁路的回路上，对应存在的空间间隙或气隙内填装有铁磁流体，其定子、转子齿槽或定子、转子凹缺空间内用非导磁材料填充满。铁磁流体具有铁磁材料和流体的共同特性，是超顺磁性流体材料，磁化率远超一般顺磁材料。铁磁流体填入气隙中，一方面具有减低磁阻，减少磁势供给作用，另一方面具有润滑和密封作用。

上述的一种气隙单极性磁悬浮自轴承电机，可供选择的技术方案是，所述电机是一种同步磁阻式电机，定、转子是凸极式或隐极式或混合式，转子磁极内装有鼠笼起动绕组。该方案中，转子结构包括外反应式、内反应式、内外反应式等。该方案中，在磁悬浮磁路的回路上，对应存在的空间间隙或气隙内填装有铁磁流体，在工作主气隙对应的的定子、转子齿槽内或凹缺处用非导磁材料填充满。定子主绕组接入高频电源时，可用于高速电机。

上述的一种气隙单极性磁悬浮自轴承电机，可供选择的技术方案是，所述电机是一种开关磁阻式电机，定、转子是凸极式或隐极式或混合式，定子绕组接入交变开关电源。该方案中，转子结构包括外反应式、内反应式、内外反应式等。该方案中，在磁悬浮磁路的回路上，对应存在的空间间隙或气隙内填装有铁磁流体，在工作主气隙对应的的定子、转子齿槽内或凹缺处用非导磁材料填充满。可用于高速电机。

上述的一种气隙单极性磁悬浮自轴承电机，可供选择的技术方案是，所述电机是一种异步式电动机，异步电动机转子是串联有附加电阻的绕线式或鼠笼式转子。

上述的一种气隙单极性磁悬浮自轴承电机，可供选择的技术方案是，所述电机是一种电磁减速式电动机，定、转子是隐极或混合式，定、转子铁芯上都开有槽，并且定、转子开口槽数满足以下关系：转子开口槽数=定子开口槽数±定子绕组极对数，或转子开口槽数=定子开口槽数±气隙磁导波最大出现次数。该方案中，由于电磁减速式电机的转差率较高，其转子磁路材料可采用高磁导率、高电阻率的材料，例如，采用非晶铁磁材料，以降低转子涡流损耗。

上述的一种气隙单极性磁悬浮自轴承电磁减速式同步电机，改进的技术方案是，在磁悬浮磁路的回路上，对应存在的空间间隙或气隙内填装有铁磁流体，在工作主气隙对应的的定子、转子齿槽内用非导磁材料填充满。该方案中，铁磁流体填入气隙中，一方面具有减低磁阻，减少磁势供给作用，另一方面具有润滑和密封作用。

上述的一种气隙单极性磁悬浮自轴承电机，可供选择的技术方案是，所述电机是一种直线电动机，所述直线电动机是单面或双面定子直线电动机。旋转形式的同步磁阻电机、开关磁阻电机、低速电机等都可以演变成直线电机。

上述的一种气隙单极性磁悬浮自轴承电机，可供选择的技术方案是，所述的磁悬浮自轴承电机的转子采用高强磁性材料或进行加强保护后，可作为储能、释能电机使用，当定子主绕组输入交变电流时，电机作为电动机运行，转子储存能量。当定子主绕组断开电源并接入负载时，电机作为发电机运行，电机输出电能。该电机作为储能、释能电机时，电机的两个轴端可加装排斥式轴向推力磁性悬浮轴承，轴向推力磁性悬浮轴承与主磁路要进行磁隔离；整个电机壳体可进行密封处理，壳体内可抽成真空。

上述的一种气隙单极性磁悬浮自轴承电机，可供选择的技术方案是，当去掉定子主绕组时，电机可作为磁悬浮轴承使用。

上述的一种气隙单极性磁悬浮自轴承电机，可供选择的技术方案是，所述磁悬浮自轴承电机是螺旋电机，所述螺旋电机是由上述各种旋转电机演变而成，所述辅助轴承是双自由度轴承，双自由度轴承套装在转子轴外或套装在转子铁芯外。当套装在转子铁芯外，转子铁芯是凸极或磁极上存在齿槽时，其转子铁芯的凹处或磁极的齿槽内要填装非磁性耐磨材料。所述定子与动子（转子）磁极、定子绕组分别以定子与动子之间气隙的中径为基准，都按顺时针或都按逆时针方向绕其轴线扭转成一个螺旋升角大小基本相同的角度，螺旋升角为正负5°—85°，形成定子磁极和动子磁极、主绕组、起动绕组的螺旋布置，定子磁极与动子磁极之间的斜角度或螺旋升角大小相差不超过正负5°，具体一种电机螺旋升角大小的选择依据所需要的轴向推力和扭力大小比例等因素确定；电机定子或动子长度依照是内动子还是外动子模式、长动子还是短动子模式及需要的轴向行程而定，在约束动子的轴向位移条件下，动子可依据电流方向，在圆周方向上做360°范围的连续正反向旋转，同时产生推力；在约束旋转方向位移条件下，动子可依据电流方向做往复直线运动；在解除轴向位移约束和旋转方向位移约束的条件下，动子可依据电流方向或磁极螺旋方向做正反螺旋运动，电机电源采用直流开关电源或两相及以上的交变电源。

上述螺旋电机的磁悬浮元件安装在定子铁芯与导磁定子外壳之间时，磁悬浮元件可以平行于轴向布置，也可以与主绕组一样螺旋布置。

上述自轴承螺旋电机既适合于自轴承同步磁阻电机，也适合于自轴承开关磁阻电机。该方案中在磁悬浮磁路的回路上，对应存在的空间间隙或气隙内填装有铁磁流体。在工作主气隙对应的的定子、转子齿槽和凹凸空间内用非导磁材料填充满。

上述方案中，由于螺旋电机轴向存在推力，其作用可取代轴向悬浮轴承。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明：

图1为本发明的一种气隙单极性磁悬浮自轴承同步电动机的轴向剖切结构示意图。

图2为图1的一种气隙单极性磁悬浮自轴承同步电动机的径向剖切结构示意图。

具体实施方式

附图1、附图2为本发明的一种气隙单极性磁悬浮自轴承同步电动机的结构示意图。该电机由定子组件、转子组件、机壳组件构成，电机定子主绕组采用三相交变电源。定子组件与转子组件之间留有气隙30。定子组件包括定子铁芯12及其磁极17、磁轭18和定子主绕组15、定子励磁永磁体11，定子磁悬浮绕组16；励磁永磁体11安装在定子机壳的定子铁芯12的外壳10内侧与定子铁芯磁轭18之间的磁路上，磁悬浮绕组16套装在定子励磁绕组11上，形成混合磁势。转子组件包括转子铁芯22、转子磁轭21和转子空心轴20、辅助轴承24，转子磁轭21采用非晶铁磁材料，以降低转子涡流损耗，转子铁芯22上设有鼠笼起动绕组25，以提高起动能力。转子内周开有磁极隔磁槽26。机壳包括定子铁芯外壳10，左端盖14、右端盖13，定子铁芯外壳10和端盖14、13都是导磁体。转子空心轴20是由非导磁体制成的空心轴，定子磁路上的励磁永磁体11和磁悬浮绕组16的励磁磁源是同极性径向励磁，各励磁永磁体11和磁悬浮绕组16所形成的励磁磁场是同极性径向辐射磁场，径向励磁磁场和磁悬浮磁场的磁力线同一极性垂直于电机轴线方向辐射穿过电机气隙30。励磁磁场和悬浮磁场的励磁磁通经过定子铁芯外壳10沿轴向向两侧通过，并经过两侧端盖14、13。左右端盖14、13与转子铁芯磁轭21滑动接触配合。在励磁磁路的回路上，对应存在的空间间隙或气隙内填装有铁磁流体31，铁磁流体填入气隙中，一方面具有减低磁阻，减少磁势供给作用，另一方面具有润滑和密封作用。该实施例中，电机的励磁和磁悬浮磁通回路是：励磁元件11（磁悬浮元件16）→定子铁芯外壳10→两侧端盖14、13→两侧端盖14、13与两侧转子铁芯磁轭21外表面间的附加气隙内的铁磁流体31→两侧转子铁芯磁轭21→两侧工作主气隙30→两侧定子铁芯12→定子磁轭18→励磁元件11（磁悬浮元件16）。图1中显示的励磁和磁悬浮磁通分别沿着a、b、c、d回路工作，每根磁通磁力线只经过工作主气隙和磁势源一次，有利于减少磁势供给或提高磁势利用率。定子主绕组15的磁通是沿着定子铁芯12→工作主气隙30→转子铁芯22→工作主气隙30→定子铁芯12的磁回路上工作的。

该实施例中，依据负载变化情况，调节磁悬浮绕组16磁通的大小和方向，可使电机转子悬浮运行。

尽管已经结合优选实施方式描述了本发明的装置，但是本发明不限于本文所述的具体形式，相反，其目的在于覆盖理所当然会落入所述权利要求书限定的本发明范围内的各种替代方式、改型、各种特征要素的再组合而衍生的新组合和等同体。