一种主被动混合型磁悬浮轴承电机的制作方法

本发明涉及轴承技术领域，具体涉及一种主被动混合型磁悬浮轴承电机。

背景技术：

轴承支承方式是影响电机能否高速或超高速运行的主要原因之一。磁悬浮支承技术的非接触、无摩擦及免维护的优点，在高速或超高速电机中得以广泛应用。传统五自由度磁悬浮电机实现方式包括：一、采用两个径向主动控制磁悬浮轴承和一个轴向主动控制磁悬浮轴承实现转子五自由度悬浮，旋转驱动力由独立配置的电机提供；二、采用一个轴-径向主动控制三自由度磁悬浮轴承配合一个两自由度径向悬浮无轴承电机实现；三、采用一个轴向主动控制磁悬浮轴承配合两个两自由度径向悬浮无轴承电机实现。

然而，第一种实现方式需要架构两个径向轴承和一个轴向轴承以及一个独立配置的电机才可实现五自由度悬浮的目的，存在轴向空间利用率低的问题。第二种和第三种方式存在电机功率密度低的问题。此外，这三种实现方式因为主动悬浮控制的需要，都存在制造成本较高的问题。因此，在一些中小功率、低成本的高速或超高速应用场合，上述传统磁悬浮电机技术均存在不足。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服传统五自由度主动控制磁悬浮轴承电机的不足，提出一种结构更为紧凑、运行可靠性更高的，适用于中小功率高速运行的具有径向主动阻尼控制的主被动混合型磁悬浮轴承电机。

一种主被动混合型磁悬浮轴承电机，包括电机组件、第一轴承组件以及第二轴承组件沿电机轴向依次串联配置，所述电机组件用于提供旋转驱动力和主动阻尼控制，电机组件内同轴设置有转子护套，所述第一轴承组件通过转子护套安装于电机组件的一端，所述第二轴承组件通过转子护套安装于电机组件的另一端。

优选的，所述第一轴承组件包括轴承组件支架一和转轴一，所述轴承组件支架一上分别集成有径向被动磁悬浮轴承一、轴向主动磁悬浮轴承一以及径向位移监控装置一，所述径向被动磁悬浮轴承一由沿着轴向充磁、共平面且同心配置的定子永磁环一和转子永磁环一构成，所述定子永磁环一安装于轴承组件支架一上，转子永磁环一安装于所述转轴一上，所述轴向主动磁悬浮轴承一由沿着轴向环形绕制的绕组线圈一、导磁铁心一以及推力盘一构成，所述绕组线圈一与导磁铁心一同轴安装于轴承组件支架一上，推力盘一安装于转轴一上，所述径向位移监控装置一由传感器支架一及径向位移传感器一构成，所述传感器支架一安装于轴承组件支架一上，所述径向位移传感器一安装于传感器支架一上。

优选的，所述第二轴承组件包括轴承组件支架二和转轴二，所述轴承组件支架二上分别集成有径向被动磁悬浮轴承二、轴向主动磁悬浮轴承二以及径向位移监控装置二，所述径向被动磁悬浮轴承二由沿着轴向充磁、共平面且同心配置的定子永磁环二和转子永磁环二构成，所述定子永磁环二安装于轴承组件支架二上，转子永磁环二安装于所述转轴二上，所述轴向主动磁悬浮轴承二由沿着轴向环形绕制的绕组线圈二、导磁铁心二以及推力盘二构成，所述绕组线圈二与导磁铁心二同轴安装于轴承组件支架二上，推力盘二安装于转轴二上，所述径向位移监控装置二由传感器支架二及径向位移传感器二构成，所述传感器支架二安装于轴承组件支架二上，所述径向位移传感器二安装于传感器支架二上。

优选的，所述转子永磁环一与转子永磁环二的充磁方向沿轴向相反。

优选的，所述转子护套、转轴一及转轴二依次轴向串联配置。

优选的，所述电机组件为多相异步电机、多相永磁电机或者多相开关磁阻电机等交流电机,电机组件内各相绕组由单相全桥逆变电路进行供电。

本发明的优点在于：(1)与传统五自由度主动控制磁悬浮轴承电机相比，本发明的主被动混合型磁悬浮轴承组件在一个定子支架上同时集成了径向和轴向三个自由度的控制功能，结构更为紧凑、轴向空间利用率更高；

(2)与传统三自由度主动控制磁悬浮轴承配合两自由度无轴承电机实现五自由度稳定悬浮的磁悬浮轴承电机相比，本发明的电机组件主要作为旋转驱动力的动力装置运行，通过设置主动阻尼控制装置，能够实时监控，当主被动混合型磁悬浮轴承组件的阻尼刚度不足时，具备提供辅助系统稳定的能力，相较而言，本发明电机的功率密度更高；

(3)转子轴系四自由度采用永磁轴承被动支承方式，相较于径向主动控制的磁悬浮轴承或无轴承电机技术而言，可以节省制造成本的同时，还适用于中小功率、低成本的高速或超高速等应用场合。

附图说明

图1为本发明的外部结构示意图。

图2为本发明的内部结构示意图。

图3为本发明中第一轴承组件的结构示意图。

图4为本发明中第二轴承组件的结构示意图。

图5为本发明中内部永磁环的磁路图。

其中，1-电机组件，2-第一轴承组件，3-第二轴承组件，4-转子护套，201-轴承组件支架一，202-转轴一，203-定子永磁环一，204-转子永磁环一，205-绕组线圈一，206-导磁铁心一，207-推力盘一，208-传感器支架一，209-径向位移传感器一，301-轴承组件支架二，302-转轴二，303-定子永磁环二，304-转子永磁环二，305-绕组线圈二，306-导磁铁心二，307-推力盘二，308-传感器支架二，309-径向位移传感器二。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1至图5所示，一种主被动混合型磁悬浮轴承电机，包括电机组件1、第一轴承组件2以及第二轴承组件3，所述电机组件1用于提供旋转驱动力和主动阻尼控制，电机组件1内同轴设置有转子护套4，所述第一轴承组件2通过转子护套4安装于电机组件1的一端，所述第二轴承组件3通过转子护套4安装于电机组件1的另一端。

值得注意的是，所述第一轴承组件2、电机组件1以及第二轴承组件3沿电机轴向依次串联配置。

在本实施例中，所述第一轴承组件2包括轴承组件支架一201和转轴一202，所述轴承组件支架一201上分别集成有径向被动磁悬浮轴承一、轴向主动磁悬浮轴承一以及径向位移监控装置一，所述径向被动磁悬浮轴承一由沿着轴向充磁、共平面且同心配置的定子永磁环一203和转子永磁环一204构成，所述定子永磁环一203安装于轴承组件支架一201上，转子永磁环一204安装于所述转轴一202上，所述轴向主动磁悬浮轴承一由沿着轴向环形绕制的绕组线圈一205、导磁铁心一206以及推力盘一207构成，所述绕组线圈一205与导磁铁心一206同轴安装于轴承组件支架一201上，推力盘一207安装于转轴一202上，所述径向位移监控装置一由传感器支架一208及径向位移传感器一209构成，所述传感器支架一208安装于轴承组件支架一201上，所述径向位移传感器一209(图中未示出)安装于传感器支架一208上，而第二轴承组件3与第一轴承组件2的结构相同，在此不作赘述。

需要说明的是，轴承组件支架一201、轴承组件支架二301、转轴一202以及转轴二302均由非导磁合金材料制成，转轴一202与推力盘一207及转子永磁环一204构成第一轴承组件2的转子部分，且转轴二302与推力盘二307及转子永磁环二304构成第二轴承组件3的转子部分，这两组转子部分与电机组件1内部的现有转子部分，通过转子护套4同轴依次轴向串联配置，形成该主被动混合型磁悬浮轴承电机完整的转子轴系，其中转子护套4采用合金材料制成，对所述各转子部分形成机械连接并在转子高速旋转时起保护作用，第一轴承组件2和第二轴承组件3相互配合可实现转子轴系除旋转自由度外的其他五自由度稳定悬浮。

值得一提的是，径向被动磁悬浮轴承一及径向被动磁悬浮轴承二，均能够实现稳定转子轴系径向自由度的目的；

轴向主动磁悬浮轴承一及轴向主动磁悬浮轴承二，均能够实现稳定转子轴系径向自由度的目的；

径向位移监控装置一及径向位移监控装置二，均用以对转子轴系径向位移实时监控，作为施加主动阻尼控制的判断依据和主动阻尼控制算法的输入量。

在本实施例中，所述转子永磁环一204与转子永磁环二304的充磁方向沿轴向相反且体积相同，所述定子永磁环一203和转子永磁环一204均沿轴向充磁且充磁方向相同，并同心共平面配置，用以保证径向自由度被动稳定，同样定子永磁环二303和转子永磁环二304均沿轴向充磁且充磁方向相同，并同心共平面配置，以实现相同的上述目的。

此外，所述电机组件1为多相异步电机、多相永磁电机或者多相开关磁阻电机等交流电机,电机组件1内各相绕组由单相全桥逆变电路进行供电。

工作过程及原理：本发明在使用过程中，安装于传感器支架一208和传感器支架二308上的径向位移传感器一209与径向位移传感器二309，能够实时监控转子轴系的径向位移，以此作为电机组件1提供径向阻尼作用时机及主动阻尼作用大小的依据，当第一轴承组件2和第二轴承组件3五自由度悬浮系统足以保证转子轴系稳定，即可以提供转子轴系所需径向稳定刚度时，此时依据径向位移监控装置输出的转子实际位移情况，对电机组件1内各相绕组仅注入旋转驱动磁势，即电机组件1仅提供旋转驱动力；当第一轴承组件2和第二轴承组件3五自由度悬浮系统不足以保证转子轴系稳定，即不足以提供转子轴系所需径向稳定刚度时，此时可以仅注入径向主动阻尼磁势，用来提供径向主动阻尼作用，亦可以同时注入旋转驱动磁势和径向主动阻尼磁势，达到同时提供旋转驱动力和必要的径向主动阻尼作用的目的，即电机组件1可以在提供旋转驱动力的同时给转子轴系施加主动阻尼控制。

基于上述，本发明与传统五自由度主动控制磁悬浮轴承电机相比，本发明的主被动混合型磁悬浮轴承组件在一个定子支架上同时集成了径向和轴向三个自由度的控制功能，结构更为紧凑、轴向空间利用率更高；与传统三自由度主动控制磁悬浮轴承配合两自由度无轴承电机实现五自由度稳定悬浮的磁悬浮轴承电机相比，本发明的电机组件主要作为旋转驱动力的动力装置运行，通过设置主动阻尼控制装置，能够实时监控，当主被动混合型磁悬浮轴承组件的阻尼刚度不足时，具备提供辅助系统稳定的能力，相较而言，本发明电机的功率密度更高；转子轴系四自由度采用永磁轴承被动支承方式，相较于径向主动控制的磁悬浮轴承或无轴承电机技术而言，可以节省制造成本的同时，还适用于中小功率、低成本的高速或超高速等应用场合。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。