高有效磁力面积的磁悬浮电机、磁悬浮压缩机、透平电机

技术领域

本发明涉及磁悬浮电机技术领域，尤其涉及一种高有效磁力面积的磁悬浮电机、磁悬浮压缩机、透平电机。

背景技术

传统电机使用的是接触式轴承，接触式轴承的转速主要受到轴承内部的摩擦发热引起的温升的限制，当转速超过某一界限后，轴承会因烧伤等原因而不能继续旋转。受限于此，传统电机的转速难以进一步提升。工业上对于高转速电机的需求日渐迫切，非接触式轴承的研究受到重点关注，例如磁悬浮电机技术。磁悬浮电机应用于透平电机系统（例如压缩机、膨胀机、输送流体的泵等）中。

磁悬浮电机利用磁力使得转子悬浮旋转，转子与轴承之间无接触、无摩擦。轴承的转速仅受限于转子的材料。因此在转子材料已经确定的情况下，只有设计出合理的结构才使得磁悬浮电机在高转速下工作。

转子高速旋转时产生巨大的离心力。由于离心力与转子半径成正比，为了减小离心力，转子外径应尽可能小，但是另一方面转子需要提供足够的磁力面积，因此转子也不能过小，这提升了磁悬浮转子悬浮装置的整体设计难度。

现有设计往往采用的推力盘结构，有壳体、转子、轴向磁轴承组件、推力盘、轴向磁轴承、径向磁轴承、电机定子。在转子的一侧安装推力盘，在推力盘两侧设置对称的轴向磁轴承。这种设计中，线圈与推力盘正对的面积占据了很大部分，而这部分面积为无效磁力面积，而为了获得需要的有效磁力面积，就需要进一步增大推力盘的径向尺寸，这直接导致磁悬浮电机的转速受到推力盘直径的限制。同时这种径向尺寸较大的推力盘不利于实现磁悬浮电机的小型化，轻量化，使得磁悬浮电机本体的尺寸不能进一步减小，提高了产品整体的生产成本。

因此，急需发明一种有效磁力面积大、重量轻，小型化、高转速的磁悬浮电机。

发明内容

本发明的技术方案是：提出了一种高有效磁力面积的磁悬浮电机、磁悬浮压缩机、透平电机。本发明的至少一个目的是使得磁悬浮转子悬浮装置满足高转速的工作需求，同时实现磁悬浮电机的小型化，轻量化，增大有效磁力面积同时可以防止漏磁现象的发生。根据本发明设计的磁悬浮电机可以应用于压缩机、泵等透平机械上。

本方案中涉及的：一种高有效磁力面积的磁悬浮电机，包括：壳体、位于壳体内侧的转子、径向磁轴承、轴向磁轴承、以及电机定子，其中；

转子通过径向磁轴承及轴向磁轴承布置于壳体内；

垂直于转子轴向的凸起结构从转子向外延伸；

轴向磁轴承，包括通电后产生磁场的线圈；线圈外包绕的导磁材料被磁化并形成磁路；

导磁材料呈环状包绕并在两个端部之间预留间隙以使得两个端部形成的侧面不连续，并通过减少间隙来增大有效磁力面积；

凸起结构，与导磁材料上不连续的侧面正对以使本该在该侧面上形成的磁力流动到所述凸起结构上并与导磁材料上其他面的磁力形成上述磁路。

优选的是，所述凸起结构包括与对应轴向磁轴承相对的侧面部；所述导磁材料上形成的不连续的面与侧面部相对。

优选的是，所述轴向磁轴承包括所述导磁材料及所述线圈，所述导磁材料为不闭合的环状结构，其包括相靠近的两个端部。

优选的是，所述导磁材料包括第一软磁材料及第二软磁材料；第二软磁材料形成一个包绕在线圈上的半包围结构；第一软磁材料与第二软磁材料拼接以形成对所述线圈的整体环绕。

优选的是，所述第一软磁材料作为所述导磁材料的端部与第二软磁材料的前端之间保持所述间隙。

优选的是，所述间隙大于线圈厚度的1/50。

优选的是，所述凸起结构为设置于所述转子上的推力盘，或为转子本体上高出于其两端的中心部段。

优选的是，所述导磁材料上靠近转子轴回转表面的端面以倾斜的倒角面形式来避免漏磁。

优选的是，所述推力盘两侧的有效磁力面积可以根据两侧受力的大小情况进行设计，也可以根据两侧受力较大的一侧为基准进行设计。

优选的是，所述倾斜的倒角面与所述转子径向表面的最近处均位于靠近所述凸起结构或所述推力盘侧平面的一侧。

一种磁悬浮压缩机，包括动力总成、叶轮、导叶；所述动力总成包括上述任一方案中的磁悬浮电机，所述磁悬浮电机包括转子及轴向磁轴承。

一种透平电机，包括上述任一方案中的磁悬浮电机。

本发明的优点是：

1、在不改变传统设计的推力盘长度的基础上，仅仅通过改变轴向磁轴承硅钢片的形状，增大了有效磁力面积，同时靠近轴端面的部分，硅钢片有倒角设计，有效防止漏磁情况的发生。可以用更小的电流能产生更大的吸力，并使得线圈发热更小

2、为了避免漏磁现象使得径向距离转轴较远一些，虽然有效磁力面积无法最大化设置，但防止漏磁的能力更优秀。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为传统的磁悬浮电机轴向磁轴结构布置示意图；

图2为增加有效磁力面积的磁悬浮电机轴向磁轴结构布置示意图；

图3为增加有效磁力面积的磁悬浮电机轴向磁轴结构另一实施方式的示意图；

图4为图3中局部放大示意图；

图5为图2中局部放大示意图；

图6为第一环状软磁材料和第二环状软磁材料的组合状态图；

图7为转子两端均安装本方案的电机转轴示意图；

图8为轴向磁轴承更靠近转子轴中心的实施例示意图；

图9为具有三处倒角的导磁材料的实施例示意图；

图10为竖轴向布置的磁悬浮电机轴向磁轴结构布置示意图；

其中：1a、壳体；2a、转子；3a、轴向磁轴承组件；31a/31b、推力盘；32a/32b、轴向磁轴承；321a、第一环状软磁材料；322a、第二环状软磁材料；323a、线圈；324a、绝缘材料；4a/4b、径向磁轴承；5a、电机定子。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本公开一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在无需做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例1：

一种高有效磁力面积的磁悬浮电机，包括壳体1a、位于壳体内侧的转子2a、轴向磁轴承组件3a、径向磁轴承4a以及电机定子5a，其中所述轴向磁轴承组件3a包括推力盘31a和轴向磁轴承32a。

推力盘31a两侧均设置有轴向磁轴承32a。所述转子2a、轴向磁轴承组件3a、推力盘31a，径向磁轴承4a，以及电机定子5a均同轴安装在壳体1a内侧。

轴向磁轴承和径向磁轴承与电机定子固定连接，推力盘位于所述转子上，转子悬浮于电机定子中,并绕转子的轴线X旋转。

推力盘可以设计成平面盘结构，并与相应的轴向磁轴承相应的面相对以产生轴向悬浮力。但是本申请公开的实施例并不限于此，例如，还可以将上述推力盘中与轴向磁轴承相对的面设计成其他非平面结构形式，例如部分弧形，倾斜阶梯台面的其他阶梯形等。

推力盘可以单独制作，也可以与转子一体形成。推力盘和转子由导磁材料制成，例如由合金结构钢等材料制成，但是本申请公开的实施例并不限于此。

如图1-3所示，推力盘的两侧面为平面形式，推力盘内形成了被通电后的线圈磁化而产生的磁力方向。推力盘的侧平面对应轴向磁轴承，通电后的线圈磁化轴向磁轴承时所形成的磁路就可以与相应侧平面对应的推力盘形成闭合回路。具体的，线圈磁化的对象是包绕线圈的导磁材料，导磁材料产生磁力，此时若没有同样导磁的推力盘，那么包绕线圈的导磁材料会形成自闭合的磁路，但由于推力盘同样导磁，所以磁力线流通到推力盘上。通过上述流程最终实现轴向磁轴承控制转子轴向上的位移。

一定匝数的线圈、在一定的电流下，产生的磁力总量是一定的，也就是说，包绕线圈的导磁材料本身的闭合磁路越小，那么流通到凸起结构上的磁力越大。即，可以用更小的电流能产生更大的吸力，并使得线圈发热更小。这也是为什么包绕线圈的导磁材料的面不连续的原因，否则磁路大部分都在包绕线圈的导磁材料中自闭和了（磁路短路），对凸起结构产生的磁力不够大甚至消失，这种现象就是漏磁。

以上原理作为基础，那么本方案的特点在于，不改变传统设计的推力盘基础上，通过改变轴向磁轴承中导磁材料的形状，通过其形状布置增大了有效磁力面积，同时通过形状布置有效防止漏磁情况的发生。

如图1-3所示，所述轴向磁轴承包括导磁材料，所述导磁材料的至少两个侧平面分别与推力盘的侧平面相对。但是本公开的实施例并不限于此。

导磁材料上与推力盘的侧平面相对的结构形成了一个近似于连续的平面布置，即，以导磁材料包绕在线圈上的结构看，不形成闭合的两个端部之间具有间隙，而且这两个端部形成了近似于连续的平面，这样的话可以最大程度的增加有效磁力面积，当然需要在不产生漏磁的情况下。

因此，以两个端部形成的间隙为基础，间隙的尺寸一般大于线圈在转子轴向上厚度的1/50，这样才能够在有效磁力面积最大的情况下确保无漏磁。为了减少漏磁，将一个端部制备成倒角斜面，这样减少了两个正对面的正对面积，能够减少漏磁情况。

如图6所示，导磁材料包括第一环状软磁材料321a（即第一软磁材料）和第二环状软磁材料322a（即第二软磁材料）。轴向磁轴承组件3a还包括线圈323a和绝缘材料324a。所述线圈安装在所述第一环状软磁材料与所述第二环状软磁材料之间。所述绝缘材料将所述线圈与所述软磁材料组件绝缘。所述第一环状软磁材料和所述第二环状软磁材料拼接形成了一个不连续的平面与推力盘上的侧平面正对。

所述第一环状软磁材料321a的下部和所述第二环状软磁材料322a的下部均设置有远离所述转子表面的斜面。所述第一环状软磁材料321a比第二环状软磁材料322a更加靠近转子中心。其中第一环状软磁材料321a可与第二环状软磁材料322a通过紧固件或者胶粘剂连接。

图6所示的是通过紧固件3211进行连接。所述第一环状软磁材料321a B处、第二环状软磁材料322a的A处均设置有防止漏磁的结构。防止漏磁的结构的设计在本实施例中是通过倒角的形式实现的，这种结构设计保证了轴向磁轴承与转子径向上相对面积的减小，可有效防止漏磁现象的发生。

绝缘材料324a安装在第一环状软磁材料、第二环状软磁材料322a与线圈323a之间，起到绝缘作用。例如，如图2-6所示，在所述第一环状软磁材料的下部B和所述第二环状软磁材料的下部A均设置有远离所述转子的斜面，这样的设计可以防止漏磁现象发生，同时减小不希望的径向悬浮力。

应当理解，本申请中使用的软磁材料是相对于硬磁材料而言的，通常指磁导率大,易磁化，饱和磁感应强度大,矫顽(Hc)小,磁滞回线的面积窄而长,损耗小(HdB 面积小)的材料。软磁材料包括纯磁铁、硅钢片、坡莫合金(Fe,Ni)铁氧体、电工纯铁等。

推力盘 31a 左右两侧的有效磁力面积可以根据两侧受力的大小情况进行设计，也可以根据两侧受力较大的一侧为基准进行设计。 如图10所示，当电机轴向竖直于地面放置时，推力盘两侧的轴向磁轴承大小可以设计成不是一致的，推力盘上侧的远离地面的轴向磁轴承的有效面积大于推力盘下侧的轴向磁轴承的有效磁力面积，这是因为推力盘上侧的远离地面的轴向磁轴承需要承受转子的重力，因此有效磁力面积大；推力盘下侧的接近地面的轴向磁轴承的面积相对推力盘上次的轴向磁轴承的有效磁力面积小。推力盘两侧的有效磁力面积也可设计成一样的，全部按照所需有效磁力面积更大的一侧的轴向磁轴承设计，好处是轴向磁轴承只需要开一套模具，缺点是浪费材料。电机非轴向竖直于地面时，根据转子轴向实际载荷也可有选择的设计有效磁力面积。

在工业上有许多应用场合使得轴向磁轴承只能设计在单侧，上述发明设计的实施例针对的是仅在所述转子的单侧设置轴向磁轴承组件的方案。利用同样的设计原理，还可以在转子的两侧都设置轴向磁轴承组件。

如图7所示，在转子2a两端安装阶梯状设计的推力盘31a，31b，并在对应推力盘31a，31b 处安装对应的轴向磁轴承32a，32b。

进一步地，例如，推力盘与转子可以合为一体，进行一体化设计。换句话说，即，如图8所示，直接将所述转子的中心部段设计成凸出于两侧部段的中心部段，并分别与相应的轴向磁轴承对应。

在所述第一环状软磁材料的下部和所述第二环状软磁材料的下部均设置有远离所述转子外表面的斜面，斜面的作用是为了在增加与推力盘侧面相对面积的同时，减少漏磁现象。如图4和6所示的方案中的漏磁有两处，一处是与转子之间产生的漏磁（即A处），一处是本身的漏磁现象（即B处），所以有两处倒角。同理，如图9所示的方案中就包含三处倒角。

所述斜面与所述转子径向表面的最近处均位于靠近所述凸起结构或所述推力盘侧平面的一侧。

需要注意的是，由于轴向磁轴承分布在转子的两端，为了方便磁悬浮电机的装配与加工制造，本发明所设计的转子具有从转子中心开始向转子末端方向的直径逐渐减小的特征。为保证轴向上的磁力面积，所述轴向磁轴承组件在轴向上比径向磁轴承更加靠近转子中心。

磁悬浮电机除了包括上面所述的磁悬浮装置，还可以包括设置在转子至少一端的其他工作部件，例如，叶轮。

根据本公开的实施例，还提供一种透平电机系统，包括上述的磁悬浮电机。所述透平电机系统例如包括压缩机、膨胀机、输送流体的泵等。

本发明实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明的。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明的所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。