基于动力磁悬浮轴承支承的高转速电机

技术领域

本发明涉及空压机用高转速电机技术领域，具体为基于动力磁悬浮轴承支承的高转速电机。

背景技术

目前，现有的电机中，多使用传统轴承对旋转部件进行支承，由于装配间隙以及磨损的存在，在高速转动过程中，随着受力工况的不断复杂化，容易导致噪音、振动增大，影响电机的稳定运行，无法满足系统的高速运行。

磁悬浮轴承是利用电磁力，使转子在工作过程中处于悬浮状态，通过减少机械接触，降低了磨损消耗。通过采用动力磁悬浮轴承作为旋转部件的支承件，降低旋转件高速旋转状态下的振动位移量，从而保证电机在高速工况下，输出更稳定。然而，虽然磁悬浮轴承电机被广泛应用于空压机分子泵以及风力发电机组中，但是在使用过程中，仍然不可避免的会产生震动，从而使得气隙发生改变，影响转矩输出稳定性。

此外，大多采用磁悬浮轴承的高转速电机，采用液冷的方式进行冷却，无序的风冷气流容易对电机内部的零器件施加额外的作用力，导致主轴偏移。而单单通过液冷的方式，虽然可以对电机壳体进行良好的散热，但是电机壳体内部的零部件和电机壳体间还存在空气，热传导效率较低，高速工况下的散热性能不佳，容易导致积热。

发明内容

本发明的目的在于提供基于动力磁悬浮轴承支承的高转速电机，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

基于动力磁悬浮轴承支承的高转速电机，高转速电机用于驱动叶轮转动，高转速电机包括支撑装置、驱动装置和冷却装置，支撑装置和驱动装置连接，冷却装置和驱动装置电连接，冷却装置和支撑装置连接，驱动装置和叶轮传动连接，驱动装置包括定子、主轴和磁悬浮轴承，主轴上套设有磁悬浮轴承，支撑装置包括外壳，外壳上设有驱动腔，定子置于驱动腔内，主轴中段设有转子，主轴输出端和叶轮传动连接。

高转速电机用于输出转矩，驱动叶轮转动，为船用空压机的主要动力来源，支撑装置作为主要的安装基础，用于对其他各装置进行安装，驱动装置整个高转速电机的动力源，用于输出转矩，为了防止内热积累过大影响整机系统的持续工作性能，通过设置冷却装置，对整机进行循环冷却，保证转矩输出稳定性，用于驱动装置置于外壳的驱动腔内，在进行转矩输出时，主轴通过磁悬浮轴承悬浮在驱动腔中部，通过对定子的线圈供电，从而驱动转子转动，通过转子输出转矩，带动叶轮转动，从而进行气体压缩。

进一步的，驱动腔远离叶轮一侧设有进风区，冷却装置包括风扇，风扇置于进风区内，主轴和风扇传动连接，外壳上设有隔水层，隔水层进水口位于上层，隔水层出水口位于下层；

磁悬浮轴承包括铁芯、支承磁轭，沿驱动腔周向设有多个限位槽，多个铁芯置于限位槽内，铁芯外侧设有绕组，支承磁轭套设在主轴上，支承磁轭和主轴传动连接，支承磁轭沿周向设有多个安装槽，安装槽内设有磁钢，绕组一侧设有驱动电源，绕组和驱动电源电连接，驱动电源和驱动腔紧固连接；

通电时：磁钢和铁芯相向端为异名磁极。

为了提高系统的冷却效果，冷却装置采用外壳水冷和转子风冷的组合冷却系统结构，提高了系统的冷却效果，通过实验研究系统在持续工作情况下，能耗与转速、负载之间的关系，优化系统运行参数，提高主轴上的转子持续工作下的高效性和安全性，驱动腔一侧设置进风区，通过内置的风扇，在主轴转动过程中，向驱动腔送风，从而对驱动腔内的零部件进行强制风冷，提高连续性使用寿命，在外壳上设置隔水层，通过外置的海水循环装置，对整机进行强制水冷，通过限位槽对铁芯进行安装，铁芯外侧设有绕组，通过驱动电源供电，形成磁场，主轴上套设支承磁轭，通过内置的磁钢提供异名磁极，使得转动过程中，周向布置的铁芯和绕组对磁钢形成吸力，通过调控各驱动电源的输出电流，调节铁芯端部的磁极吸力大小，从而使主轴旋转过程中位于驱动腔中部，通过磁悬浮支撑的形式，降低零器件磨损，提高整机使用寿命。

进一步的，风扇靠近驱动腔一侧设有的挡板，支撑装置上设有若干整流风道，整流风道进口和进风区连通，整流风道出口和驱动腔连通，整流风道包括螺旋段和平直段，螺旋段和平直段连通，铁芯和磁钢之间设有气隙，平直段出口朝向气隙。

通过风扇一侧的挡板，对风扇压缩的气体进行引流，使紊流的气体进入整流风道内，整流风道为分段式设置，包括螺旋段和平直段，通过隔水层进水口上置，出水口下置，经过螺旋段时，由于换热行程被延长，对螺旋段内的气体进行换热降温，保证风冷质量，通过对紊流的气体进行整流，螺旋段和平直段之间设置尺寸渐变的过渡段，使得气体经过平直段后呈层流状态，并射流进入气隙中，保证对磁钢和铁芯降温的同时，降低冲击，从而减小振动，提高支承、传动稳定性。

进一步的，冷却装置还包括多个检测组件，外壳上设有检测腔，检测组件置于检测腔内，检测组件包括回风板、凸柱和感应线圈，平直段竖向高度和气隙竖向高度等高，回风板边线沿着气隙弧形设置，回风板和凸柱传动连接，感应线圈置于检测腔内，凸柱中线和感应线圈中线重合。

通过检测腔内的凸柱和感应线圈对支承稳定性进行检测，当输出端复杂发生变化或者整机震动时，在惯性作用下，容易导致主轴产生偏移量，由于平直段的竖向高度和气隙的竖向高度等高，平直段射流的气体大部分直接进入气隙内，当气隙变窄时，平直段射流的气体部分冲击到磁钢上，形成反向流动，并冲击到回风板上，通过回风板推动凸柱移动，凸柱为磁铁材质，使得感应线圈做切割磁感线运动，气隙变得越窄，则产生的反向气流越多，即感应线圈上产生的感应电流越大，凸柱一侧可以设置灵敏度较高的弹簧，用于对凸柱进行复位，从而对气隙进行实时监测，检测腔位于平直段内侧，壁面可以设置一些屏蔽磁场的材料，对外界磁场进行削弱，防止外界磁场影响气隙检测精度。

进一步的，感应线圈和凸柱构成检测电路，检测电路和相邻的驱动电源电连。

驱动电源和相邻的驱动电源连接，驱动电源通过控制输入绕组的电流大小进行磁场调节，由于铁芯通电时对磁钢的作用力表现为吸力，当检测到气隙变窄时，减小此处驱动电源的输出电流，从而使磁钢带动支承磁轭反向移动 扩大气隙，对气隙的偏移量进行补偿。

作为优化，挡板直径渐变设置，挡板末端朝向螺旋段进口。通过挡板沿着气流输出方向渐扩设置，将压缩的气流导向螺旋段，进行整流，提高后期降温性能。

作为优化，螺旋段为16个螺旋。例如铁芯个数为六个时，螺旋段为16个螺旋，防止增大整机的轴向尺寸。

作为优化，外壳下端设有机座，机座位于外壳下侧远离叶轮一端。外壳下方设置机座，作为整机的支撑基础，便于对整机进行固定。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明为了提高系统的冷却效果，冷却装置采用外壳水冷和转子风冷的组合冷却系统结构，提高了系统的冷却效果，通过实验研究系统在持续工作情况下，能耗与转速、负载之间的关系，优化系统运行参数，提高主轴上的转子持续工作下的高效性和安全性；通过隔水层进水口上置，出水口下置，经过螺旋段时，由于换热行程被延长，对螺旋段内的气体进行换热降温，保证风冷质量，通过对紊流的气体进行整流，螺旋段和平直段之间设置尺寸渐变的过渡段，使得气体经过平直段后呈层流状态，并射流进入气隙中，保证对磁钢和铁芯降温的同时，降低冲击，从而减小震动，提高支承、传动稳定性；由于平直段的竖向高度和气隙的竖向高度等高，平直段射流的气体大部分直接进入气隙内，当气隙变窄时，平直段射流的气体部分冲击到磁钢上，形成反向流动，并冲击到回风板上，通过回风板推动凸柱移动，凸柱为磁铁材质，使得感应线圈做切割磁感线运动，气隙变得越窄，则产生的反向气流越多，即感应线圈上产生的感应电流越大；由于铁芯通电时对磁钢的作用力表现为吸力，当监测到气隙变窄时，减小此处驱动电源的输出电流，从而使磁钢带动支承磁轭反向移动 扩大气隙，对气隙的偏移量进行补偿。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的组合冷却结构示意图；

图3是本发明的磁悬浮轴承结构示意图；

图4是图1视图的局部A放大视图；

图5是图1视图的局部B放大视图；

图6是图2视图的局部C放大视图；

图7是本发明的气隙检测示意图；

图中：1-支撑装置、11-外壳、111-隔水层、112-驱动腔、113-整流风道、1131-螺旋段、1132-平直段、114-检测腔、115-限位槽、116-进风区、12-机座、2-驱动装置、21-转子、22-定子、23-主轴、24-磁悬浮轴承、241-铁芯、242-绕组、243-支承磁轭、2431-安装槽、244-磁钢、245-驱动电源、3-冷却装置、31-风扇、32-挡板、33-检测组件、331-回风板、332-凸柱、333-感应线圈。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供技术方案：

如图1~图2所示，基于动力磁悬浮轴承支承的高转速电机，高转速电机用于驱动叶轮转动，高转速电机包括支撑装置1、驱动装置2和冷却装置3，支撑装置1和驱动装置2连接，冷却装置3和驱动装置2电连接，冷却装置3和支撑装置1连接，驱动装置2和叶轮传动连接，驱动装置2包括定子22、主轴23和磁悬浮轴承24，主轴23上套设有磁悬浮轴承24，支撑装置1包括外壳11，外壳11上设有驱动腔112，定子22置于驱动腔112内，主轴23中段设有转子21，主轴23输出端和叶轮传动连接。

高转速电机用于输出转矩，驱动叶轮转动，为船用空压机的主要动力来源，支撑装置1作为主要的安装基础，用于对其他各装置进行安装，驱动装置2整个高转速电机的动力源，用于输出转矩，为了防止内热积累过大影响整机系统的持续工作性能，通过设置冷却装置3，对整机进行循环冷却，保证转矩输出稳定性，用于驱动装置2置于外壳11的驱动腔112内，在进行转矩输出时，主轴23通过磁悬浮轴承24悬浮在驱动腔112中部，通过对定子22的线圈供电，从而驱动转子21转动，通过转子21输出转矩，带动叶轮转动，从而进行气体压缩。

如图1~图3所示，驱动腔112远离叶轮一侧设有进风区116，冷却装置3包括风扇31，风扇31置于进风区116内，主轴23和风扇31传动连接，外壳11上设有隔水层111，隔水层111进水口位于上层，隔水层111出水口位于下层；

磁悬浮轴承24包括铁芯241、支承磁轭243，沿驱动腔112周向设有多个限位槽115，多个铁芯241置于限位槽115内，铁芯241外侧设有绕组242，支承磁轭243套设在主轴23上，支承磁轭243和主轴23传动连接，支承磁轭243沿周向设有多个安装槽2431，安装槽2431内设有磁钢244，绕组242一侧设有驱动电源245，绕组242和驱动电源245电连接，驱动电源245和驱动腔112紧固连接；

通电时：磁钢244和铁芯241相向端为异名磁极。

为了提高系统的冷却效果，冷却装置3采用外壳11水冷和转子21风冷的组合冷却系统结构，提高了系统的冷却效果，通过实验研究系统在持续工作情况下，能耗与转速、负载之间的关系，优化系统运行参数，提高主轴23上的转子21持续工作下的高效性和安全性，驱动腔112一侧设置进风区116，通过内置的风扇31，在主轴23转动过程中，向驱动腔112送风，从而对驱动腔112内的零部件进行强制风冷，提高连续性使用寿命，在外壳11上设置隔水层111，通过外置的海水循环装置，对整机进行强制水冷，通过限位槽115对铁芯241进行安装，铁芯241外侧设有绕组242，通过驱动电源245供电，形成磁场，主轴23上套设支承磁轭243，通过内置的磁钢244提供异名磁极，使得转动过程中，周向布置的铁芯241和绕组242对磁钢244形成吸力，通过调控各驱动电源245的输出电流，调节铁芯241端部的磁极吸力大小，从而使主轴23旋转过程中位于驱动腔112中部，通过磁悬浮支撑的形式，降低零器件磨损，提高整机使用寿命。

如图1~图6所示，风扇31靠近驱动腔112一侧设有的挡板32，支撑装置1上设有若干整流风道113，整流风道113进口和进风区116连通，整流风道113出口和驱动腔112连通，整流风道113包括螺旋段1131和平直段1132，螺旋段1131和平直段1132连通，铁芯241和磁钢244之间设有气隙，平直段1132出口朝向气隙。

通过风扇31一侧的挡板32，对风扇31压缩的气体进行引流，使紊流的气体进入整流风道113内，整流风道113为分段式设置，包括螺旋段1131和平直段1132，通过隔水层111进水口上置，出水口下置，经过螺旋段1131时，由于换热行程被延长，对螺旋段1131内的气体进行换热降温，保证风冷质量，通过对紊流的气体进行整流，螺旋段1131和平直段1132之间设置尺寸渐变的过渡段，使得气体经过平直段1132后呈层流状态，并射流进入气隙中，保证对磁钢244和铁芯241降温的同时，降低冲击，从而减小振动，提高支承、传动稳定性。

如图4~图7所示，冷却装置3还包括多个检测组件33，外壳11上设有检测腔114，检测组件33置于检测腔114内，检测组件33包括回风板331、凸柱332和感应线圈333，平直段1132竖向高度和气隙竖向高度等高，回风板331边线沿着气隙弧形设置，回风板331和凸柱332传动连接，感应线圈333置于检测腔114内，凸柱332中线和感应线圈333中线重合。

通过检测腔114内的凸柱332和感应线圈333对支承稳定性进行检测，当输出端复杂发生变化或者整机震动时，在惯性作用下，容易导致主轴23产生偏移量，由于平直段1132的竖向高度和气隙的竖向高度等高，平直段1132射流的气体大部分直接进入气隙内，当气隙变窄时，平直段1132射流的气体部分冲击到磁钢244上，形成反向流动，并冲击到回风板331上，通过回风板331推动凸柱332移动，凸柱332为磁铁材质，使得感应线圈333做切割磁感线运动，气隙变得越窄，则产生的反向气流越多，即感应线圈333上产生的感应电流越大，凸柱332一侧可以设置灵敏度较高的弹簧，用于对凸柱332进行复位，从而对气隙进行实时监测，检测腔114位于平直段1132内侧，壁面可以设置一些屏蔽磁场的材料，对外界磁场进行削弱，防止外界磁场影响气隙检测精度。

如图5所示的，感应线圈333和凸柱332构成检测电路，检测电路和相邻的驱动电源245电连。

驱动电源245和相邻的驱动电源245连接，驱动电源245通过控制输入绕组242的电流大小进行磁场调节，由于铁芯241通电时对磁钢244的作用力表现为吸力，当检测到气隙变窄时，减小此处驱动电源245的输出电流，从而使磁钢244带动支承磁轭反向移动 扩大气隙，对气隙的偏移量进行补偿。

作为优化，挡板32直径渐变设置，挡板32末端朝向螺旋段1131进口。通过挡板32沿着气流输出方向渐扩设置，将压缩的气流导向螺旋段1131，进行整流，提高后期降温性能。

作为优化，螺旋段1131为16个螺旋。例如铁芯241个数为六个时，螺旋段1131为16个螺旋，防止增大整机的轴向尺寸。

作为优化，外壳11下端设有机座12，机座12位于外壳11下侧远离叶轮一端。外壳11下方设置机座12，作为整机的支撑基础，便于对整机进行固定。

本发明的工作原理：为了提高系统的冷却效果，冷却装置3采用外壳11水冷和转子21风冷的组合冷却系统结构，提高了系统的冷却效果，通过实验研究系统在持续工作情况下，能耗与转速、负载之间的关系，优化系统运行参数，提高主轴23上的转子21持续工作下的高效性和安全性；通过隔水层111进水口上置，出水口下置，经过螺旋段1131时，由于换热行程被延长，对螺旋段1131内的气体进行换热降温，保证风冷质量，通过对紊流的气体进行整流，螺旋段1131和平直段1132之间设置尺寸渐变的过渡段，使得气体经过平直段1132后呈层流状态，并射流进入气隙中，保证对磁钢244和铁芯241降温的同时，降低冲击，从而减小震动，提高支承、传动稳定性；由于平直段1132的竖向高度和气隙的竖向高度等高，平直段1132射流的气体大部分直接进入气隙内，当气隙变窄时，平直段1132射流的气体部分冲击到磁钢244上，形成反向流动，并冲击到回风板331上，通过回风板331推动凸柱332移动，凸柱332为磁铁材质，使得感应线圈333做切割磁感线运动，气隙变得越窄，则产生的反向气流越多，即感应线圈333上产生的感应电流越大；由于铁芯241通电时对磁钢244的作用力表现为吸力，当检测到气隙变窄时，减小此处驱动电源245的输出电流，从而使磁钢244带动支承磁轭反向移动 扩大气隙，对气隙的偏移量进行补偿。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。