一种带有减振装置的新型磁悬浮高速永磁电机及其工作方法

本发明涉及一种带有减振装置的新型磁悬浮高速永磁电机及其工作方法，属于永磁电机。

背景技术：

1、磁悬浮高速永磁电机体积小，功率密度高，调速性能好，可以减掉传统的变速机构，使电机输出端直接与负载进行连接，优化电机运行方式，从而提高电机整体工作效率和性能要求，大大减轻了产品的重量，节约了生产成本。

2、磁悬浮轴承通过相互作用的磁场产生磁力，支撑转子，使得定子与转子之间无接触，具有免润滑、无摩擦、无磨损、效率高、寿命长等优点，适合作为高速转子的支撑单元。基于这些良好的特性，磁悬浮高速永磁电机被认为是未来高速、超高速驱动电机行业的优选之一。高速、超高速电机应用前景广阔，尤其在旋转机械领域应用更为广泛，如压缩机、鼓风机、涡轮分子泵和飞轮储能系统。实际应用与研究表明，磁悬浮高速永磁电机可提高设备效率10-15％，对行业发展起着很大的推动作用，且具备良好的的市场潜力，对国家节能减排需求及高端制造业的发展具有重要意义。

3、随着各类机械设备对高速、超高速电机的要求越来越高，大功率、高转速和高精度成为电机行业发展的新趋势。但由于材料性能不均衡、加工装配误差、陀螺效应、电机转矩脉动以及单边磁拉力等扰动因素,使转子系统不可避免的存在偏心不平衡,从而引发振动,降低电机的安全运行速度和稳定性，因而寻找对电机振动的抑制方法成了电机行业亟待解决的问题。

4、目前对于磁悬浮电机常用的振动控制主要是通过主动控制策略减小电机振动，这是目前研究与应用的主流方法，成效显著，具体分为两类，一类是通过高效的振动控制算法，例如lqr控制，滑模控制，鲁棒控制等，另一类是通过补偿不平衡力的方法，例如自动平衡方法，不平衡补偿法等。电机转子的振动问题可以将其考虑成一个转子系统动力学问题，对于转子系统而言，通过机械减振装置的方法具有显著的减振效果，例如变刚度减振机构等。振动问题对于电机稳定运行有着极大的影响，目前，针对如何通过减振装置与电机相结合的方式来减小转子振动，尚未提出有效的解决方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种带有减振装置的新型磁悬浮高速永磁电机，将机械式减振装置设计到磁悬浮电机内部，线性弹簧所提供的弹力能够将振动中的转子快速回位对中，使转子达到自稳状态，相较于复杂的主动控制方法，本发明可达到快速响应的目的，能够增大转子系统的抗变形能力，使得转子系统的自激振动周期增大，提升电机的固有频率，而且通过减振装置所提供的刚度与被动式磁悬浮轴承所提供的刚度串联结合，使电机减振效果进一步提高。

2、本发明还提供上述带有减振装置的新型磁悬浮高速永磁电机的工作方法。

3、本发明的技术方案如下：

4、一种带有减振装置的新型磁悬浮高速永磁电机，包括转子、左侧端盖、右侧端盖、中间壳体、定子铁芯、永磁体和减振装置，其中，

5、转子中间位置设置有永磁体，永磁体外侧套装有定子铁芯，定子铁芯固定于中间壳体内，中间壳体两端分别设置有左侧端盖和右侧端盖，转子两端分别设置有左侧深沟球轴承和右侧深沟球轴承，左侧深沟球轴承外侧通过减振装置连接有左侧端盖，右侧深沟球轴承通过减振装置连接有右侧端盖，左侧深沟球轴承和右侧深沟球轴承相对侧的转子上分别设置有左侧被动式磁悬浮轴承和右侧被动式磁悬浮轴承，左侧被动式磁悬浮轴承固定于左侧端盖，右侧被动式磁悬浮轴承固定于右侧端盖。

6、根据本发明优选的，减振装置包括外圆环质量块、内圆环质量块和线性弹簧，内圆环质量块通过周向均匀分布的4个线性弹簧连接有外圆环质量块，2个减振装置的内圆环质量块分别固定于左侧深沟球轴承和右侧深沟球轴承，2个减振装置的外圆环质量块分别固定于左侧端盖和右侧端盖。减振装置所提供的刚度大小，可通过调整弹簧工作圈数和线径实现，所需要的弹簧弹力大小通过调整预压量实现。

7、根据本发明优选的，左侧被动式磁悬浮轴承包括磁环一和磁环三，磁环一固定于转子，磁环三固定于左侧端盖，右侧被动式磁悬浮轴承包括磁环二和磁环四，磁环二固定于转子，磁环四固定于右侧端盖，通过左侧被动式磁悬浮轴承和右侧被动式磁悬浮轴承为转子提供径向支撑力。

8、根据本发明优选的，磁环一和磁环三与磁环二和磁环四均采用同轴、对位配合，采用径向充磁，保证磁环一、磁环二的内表面极性和磁环三、磁环四外表面的极性相同，保证磁环间产生斥力，提供转子的径向支撑力，磁环一、磁环二内表面与磁环三、磁环四外表面涂有环氧绝缘粉末。

9、根据本发明优选的，定子铁芯内设置有定子槽，定子绕组通过单绕组形式固定于定子槽内。定子铁芯由高性能硅钢片叠加制成，定子绕组中通入三相对称电流，产生定子旋转磁场，定子旋转磁场与转子旋转磁场相互作用，产生支撑转子的径向悬浮力和驱动转子转动的异步转矩，径向悬浮力均匀的分布于转子表面。

10、根据本发明优选的，左侧端盖外侧的转子上固定设置有惯量盘，惯量盘一侧通过转子挡肩限位，另一侧通过锁紧螺母固定，使永磁电机带载转动。

11、根据本发明优选的，左侧端盖外侧设置有左侧盖板，右侧端盖外侧设置有右侧盖板。

12、根据本发明优选的，右侧被动式磁悬浮轴承外侧的转子上设置有推力盘，推力盘两侧的右侧盖板和右侧端盖上同轴设置有轴向磁悬浮轴承。轴向磁悬浮轴承为现有轴承，其内部是有绕组的，通过主动控制电流输入大小来改变磁力，通过控制轴向磁悬浮轴承的输入电流产生推力作用于推力盘上，完成对电机转子轴向的位移抑制。

13、根据本发明优选的，转子靠近右侧端盖的一端设置有轴向位移传感器，通过轴向位移传感器检测转子轴向位置变化。

14、根据本发明优选的，永磁体选用衫钴材料，永磁体上设置有护套，护套结构采用高性能的碳纤维材料，永磁体产生的磁场与定子绕组内通入电流产生的旋转磁场相互配合，使转子高速旋转。

15、上述带有减振装置的新型磁悬浮高速永磁电机的工作方法，步骤如下：

16、(1)电机启动时，定子绕组中输入电流小，产生定子旋转磁场，定子旋转磁场与转子旋转磁场相互作用，产生支撑转子的径向悬浮力和驱动转子转动的异步转矩，径向悬浮力均匀的分布于转子表面，同时，减振装置增加了转子整体系统的刚度，使转子不易发生起振，随着不断调节占空比，输入电流越来越大，电机转速增大；

17、(2)当电机转速接近一阶临界转速时，振动幅度最大，此时，减振装置内的线性弹簧工作，将振动迅速吸收，使电机快速跨过一阶临界转速，达到高速平稳运行状态，同时减小振幅；

18、(3)当电机停止运行时，左侧深沟球轴承和右侧深沟球轴承与减振装置配合，使转子保持对中状态，避免转子与定子、磁环间的接触碰撞，保证电机运行的安全性。

19、根据本发明优选的，电机运行过程中，轴向位移传感器检测转子轴向位置，当转子轴向发生偏转时，调整轴向磁悬浮轴承的输入电流，产生作用于推力盘上的推力，进而调整转子轴向位置。

20、本发明的有益效果在于：

21、1、本发明将机械式减振装置设计到磁悬浮电机内部，线性弹簧所提供的弹力能够将振动中的转子快速回位对中，使转子达到自稳状态，相较于复杂的主动控制方法，本发明可达到快速响应的目的，能够增大转子系统的抗变形能力，使得转子系统的自激振动周期增大，提升电机的固有频率，而且通过减振装置所提供的刚度与被动式磁悬浮轴承所提供的刚度串联结合，使电机减振效果进一步提高。

22、2、本发明的被动式磁悬浮轴承结构为转子悬浮提供了一定的悬浮力，能够在电机启动阶段辅助电机转子达到快速悬浮状态，提高了启动效率。

23、3、本发明的减振装置在电机中的位置关系决定了转子与定子铁芯之间不会直接接触，从而避免了因碰撞对定子铁芯及永磁体材料磁性的不良影响，提高了电机的使用寿命。

24、4、本发明的减振装置能够对转子结构起到保护作用，无论是在电机工作中还是工作后，都能辅助转子结构保持在对中位置，取代了在转子两端的机械式保护轴承结构。

25、5、本发明的轴向磁悬浮轴承与推力盘结构无接触配合工作，通过轴向磁斥力的缓冲作用，完成对电机转轴轴向的位移抑制，保证了电机的高速运行安全性。