永磁同步磁悬浮电机

技术领域

本发明涉及电机领域，特别涉及一种永磁同步磁悬浮电机。

背景技术

传统电机是由定子和转子组成，定子与转子之间通过机械轴承连接或者存在机械接触，因此转子运动过程中存在机械摩擦，机械摩擦不仅增加动子的摩擦阻力，使运动部件磨损，产生机械振动和噪音，而且会造成部件发热，使润滑剂性能变差，严重的会使电机气隙不均匀，绕组发热，温升增大，从而降低电机效能，缩短电机使用寿命。磁悬浮电机是利用定子和转子励磁磁场之间的“同性相斥、异性相吸”原理使转子悬浮起来，同时产生推动力驱动转子在悬浮状态下运动。因此，定子与转子之间不存在任何机械接触，可以产生较高的加速度和减速度，机械磨损小，机械与电机保护容易，维修、检修和更换方便，适用于恶劣环境、极其洁净无污染和特殊需要的领域。

现有的磁悬浮电机大多结构相对复杂，无法实现结构紧凑和轻量化，进而限制了磁悬浮电机的进一步应用空间。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种永磁同步磁悬浮电机，通过改良优化电机构造，从而实现磁悬浮电机的结构紧凑和轻量化。

为实现上述目的，本发明提出的永磁同步磁悬浮电机，包括：

转子，包括第一永磁环、第二永磁环及转子铁芯，所述转子铁芯具有沿径向朝外延伸有多个凸极，多个所述凸极沿所述转子铁芯的周向分布，所述第一永磁环和所述第二永磁环分别设于所述转子铁芯的两端，且所述第一永磁环和所述第二永磁环均为轴向充磁，且充磁方向相反；

定子，所述转子可旋转地设置于所述定子内，所述定子包括：

多个线圈绕组，沿所述转子的周向呈间隔分布，每一所述线圈绕组包括：

定子铁芯，所述定子铁芯沿轴向延伸，且所述定子铁芯上沿其延伸方向排列绕制有悬浮线圈和驱动线圈，所述悬浮线圈用以将所述转子悬浮于所述定子内，所述驱动线圈用以驱动所述转子悬浮；

永磁限位组件，固设于所述定子铁芯上，所述转子可旋转地设置于所述永磁限位组件内，所述永磁限位组件分别与所述第一永磁环和所述第二永磁环形成封闭磁场，以限制所述转子相对所述定子的轴向偏移；以及

传感器，与所述悬浮线圈相连接，用以控制所述转子相对所述定子的径向悬浮间隙。

优选地，所述永磁限位组件包括均为轴向充磁的第三永磁环和第四永磁环，所述第三永磁环和所述第四永磁环沿轴向呈间隔设置，且所述转子位于所述第三永磁环和所述第四永磁环的内部；所述第一永磁环对应所述第三永磁环设置，且两者的充磁方向相反，以形成封闭磁场；所述第二永磁环对应所述第四永磁环设置，且两者的充磁方向相反，以形成封闭磁场；

所述凸极位于所述第三永磁环和所述第四永磁环之间。

优选地，所述定子铁芯包括铁芯杆部和引磁部，所述铁芯杆部呈轴向延伸设置，所述悬浮线圈和所述驱动线圈绕制于所述铁芯杆部，所述引磁部自所述铁芯杆部的一端沿所述定子的径向朝内侧延伸；

所述引磁部位于所述第三永磁环和所述第四永磁环之间，且所述引磁部与所述凸极呈相对的间隔设置。

优选地，所述悬浮线圈位于所述驱动线圈靠近所述引磁部的一侧。

优选地，所述悬浮线圈与所述引磁部呈间隔设置。

优选地，所述永磁限位组件还包括第五永磁环，所述第五永磁环层叠设置于所述第三永磁环背对所述第四永磁环的一端，所述第五永磁环的充磁方向为径向充磁，以使所述第三永磁环和所述第五永磁环呈海尔贝克阵列状排布；和/或

所述永磁限位组件还包括第六永磁环，所述第六永磁环层叠设置于所述第四永磁环背对所述第三永磁环的一端，所述第六永磁环的充磁方向为径向充磁，以使所述第四永磁环和所述第六永磁环呈海尔贝克阵列状排布。

优选地，所述凸极的数量至少为四个，所述线圈绕组的数量至少为四组。

优选地，所述凸极的数量为四个或六个，所述线圈绕组的数量为六组。

优选地，所述定子还包括导磁固定座，所述定子铁芯的一端固定于所述导磁固定座，多个所述线圈绕组和所述导磁固定座围合形成一供容置所述转子旋转的容纳空间。

优选地，所述悬浮线圈和所述驱动线圈呈间隔设置。

本发明技术方案通过采用设计新的定子结构和转子结构，分别通过定子上的悬浮线圈和驱动线圈实现转子悬浮和驱动旋转，永磁限位组件限制转子的轴向偏移，通过传感器反馈控制悬浮线圈实现对转子径向悬浮间隙的控制；如此，本永磁同步磁悬浮电机的悬浮结构简单，简化了电机结构，从而实现永磁同步磁悬浮电机的结构紧凑和轻量化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明永磁同步磁悬浮电机一实施例的结构示意图；

图2为图1中永磁同步磁悬浮电机的转子的结构示意图；

图3为图1中永磁同步磁悬浮电机的定子的结构示意图；

图4为图1中永磁同步磁悬浮电机在另一视角的结构示意图；

图5为图4中沿A-A线的剖视图；

图6为图1中永磁同步磁悬浮电机的磁场磁感线传递示意图；

图7为图1中永磁同步磁悬浮电机的爆炸图；

图8为本发明本发明永磁同步磁悬浮电机另一实施例的结构示意图；

图9为图8中永磁同步磁悬浮电机的转子与定子的拆分示意图；

图10为图8中永磁同步磁悬浮电机在另一视角的结构示意图；

图11为图10中沿B-B线的剖视图；

图12为图8中永磁同步磁悬浮电机的磁场磁感线传递示意图；

图13为图10中第三永磁环与第五永磁环呈海尔贝克阵列状排布、第四永磁环与第六永磁环呈海尔贝克阵列状排布的示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

心脏是人生命中的永动机，一旦发生故障难以修复，利用人工心脏部分或全部替代心脏功能成为心脏病患者生命延续的关键，过去利用机械轴承人工心脏泵会产生摩擦和发热，使血细胞破损，引起溶血、凝血和血栓，甚至危及病人生命，而采用磁悬浮电机的血液泵不仅效率高，而且可以防止血细胞破损，避免溶血、凝血和血栓等问题，有助于缓解心血管病患者的疾苦，提高患者生活质量。

超大规模集成电路的发展要求半导体硅片在超真空、无杂质密封室内加工，对传送硅片的机器人具有苛刻的要求：既不能用润滑油，也不能产生尘粒和气体，因此采用磁悬浮电机直接控制机器人及其操纵手臂成为理想的选择。

在化工领域，环境污染严重的放射性环境或者高温辐射环境，如用磁悬浮电机进行驱动工作，可以解决机械轴承磨损与定期维修的难题。

本发明提出一种永磁同步磁悬浮电机，适用于上述医疗血液泵以及半导体、化工领域。

在本发明一实施例中，参照图1至图7，该永磁同步磁悬浮电机1包括：

转子10，包括第一永磁环101、第二永磁环102及转子铁芯100，所述转子铁芯100具有沿径向朝外延伸有多个凸极100a，多个所述凸极100a沿所述转子铁芯100的周向分布，所述第一永磁环101和所述第二永磁环102分别设于所述转子铁芯100的两端，且所述第一永磁环101和所述第二永磁环102均为轴向充磁，且充磁方向相反；

定子20，所述转子10可旋转地设置于所述定子20内，所述定子20包括：

多个线圈绕组20a，沿所述转子10的周向呈间隔分布，每一所述线圈绕组20a包括：

定子铁芯200，所述定子铁芯200沿轴向延伸，且所述定子铁芯200上沿其延伸方向排列绕制有悬浮线圈210和驱动线圈220，所述悬浮线圈210用以将所述转子10悬浮于所述定子20内，所述驱动线圈220用以驱动所述转子10悬浮；

永磁限位组件230，固设于所述定子铁芯200上，所述转子10可旋转地设置于所述永磁限位组件230内，所述永磁限位组件230分别与所述第一永磁环101和所述第二永磁环102形成封闭磁场，以限制所述转子10相对所述定子20的轴向偏移；以及

传感器，与所述悬浮线圈210相连接，用以控制所述转子10相对所述定子20的径向悬浮间隙。

具体地，本永磁同步磁悬浮电机1包括定子20、转子10和传感器(图未示出)；，其中定子20对转子10可产生悬浮力以及旋转驱动力，进而使得转子10在定子20内悬浮转动。转子10包括第一永磁环101、第二永磁环102及转子铁芯100，转子铁芯100呈柱状设置，转子铁芯100的外周表面沿径向朝外延伸有凸极100a，凸极100a的数量为多个，多个凸极100a沿转子铁芯100的周向分布，且优选为均匀分布。第一永磁环101和第二永磁环102分别位于转子铁芯100的两端，由于第一永磁环101和第二永磁环102均为轴向充磁且充磁方向相反，第一永磁环101和第二永磁环102相互朝向彼此的一侧的磁场极性相同，为了抑制克服第一永磁环101和第二永磁环102之间的磁排斥力，第一永磁环101和第二永磁环102分别采用胶粘、卡扣连接等方式固定于转子铁芯100的端部，对于具体采用的固定方式，此处不作具体限定。第一永磁环101和第二永磁环102可以采用高磁通密度永磁材料制成，例如钕铁硼永磁、永磁铁氧体、铁铬钴系永磁合金材料等。

对于定子20而言，定子20具有一外壳(图为示出)，线圈绕组20a固定于外壳内，定子铁芯200上分别绕制有两组线圈，即悬浮线圈210和驱动线圈220，其中悬浮线圈210和驱动线圈220沿定子20的轴向排布；悬浮线圈210和驱动线圈220相互独立通电工作，悬浮线圈210通过产生励磁悬浮磁场，使得转子10悬浮于该励磁悬浮磁场内，驱动线圈220产生励磁驱动磁场，从而驱动转子10旋转。需要说明的是，悬浮线圈210和驱动线圈220分别独立工作，通入悬浮线圈210和驱动线圈220的电流大小、频率以及波形均不相同，进而产生的励磁驱动磁场和励磁悬浮磁场不存在发生磁场耦合的现象，保证了转子10相对定子20分别独立地实现悬浮和转动，互不影响。驱动线圈220驱动转子10转动的方式采用永磁同步方式，此处不作具体说明。

悬浮线圈210和驱动线圈220可以依次抵接设置，或者悬浮线圈210和驱动线圈220呈间隔设置。在本实施例中，悬浮线圈210和驱动线圈220优选采用间隔排布的方式，从而可以减少励磁驱动磁场和励磁悬浮磁场的相互干扰。

为了保障转子10可稳定地在定子20内悬浮转动，定子铁芯200还固定设置有永磁限位组件230，转子10可旋转地设置于永磁限位组件230内，永磁限位组件230分别与第一永磁环101和第二永磁环102形成封闭磁场，进而使得第一永磁环101和第二永磁环102不会在沿本永磁同步磁悬浮电机1的轴线方向上发生轴向偏移。

本永磁同步磁悬浮电机1中，悬浮线圈210可产生励磁悬浮磁场，转子10在悬浮过程中，转子10与定子20之间始终保持有一定的间隔气隙，在电机的径向方向上，传感器(图未示出)用于检测转子10的径向偏移，根据传感器反馈的转子10的径向偏移来控制悬浮线圈210的电流大小，调整转子10的径向偏移，进而以保证转子10与定子20之间保持稳定的径向气隙。

上述传感器的设置位置有多处，可以设于转子10上，也可以设于定子20上。例如当传感器位于定子20上时，传感器可以设置在相邻的两个线圈绕组20a之间，即传感器分布在相邻的两个定子铁芯200的间隙内。传感器可以采用霍尔元器件实现对转子10径向偏移的检测。

本发明技术方案通过采用设计新的定子20结构和转子10结构，分别通过定子20上的悬浮线圈210和驱动线圈220实现转子10悬浮和驱动旋转，永磁限位组件230限制转子10的轴向偏移，通过传感器反馈控制悬浮线圈210实现对转子10径向悬浮间隙的控制；如此，本永磁同步磁悬浮电机1的悬浮结构简单，简化了电机结构，从而实现永磁同步磁悬浮电机1的结构紧凑和轻量化。

进一步地，上述永磁限位组件230包括均为轴向充磁的第三永磁环231和第四永磁环232，第三永磁环231和第四永磁环232沿轴向呈间隔设置，且转子10位于第三永磁环231和第四永磁环232的内部；第一永磁环101对应第三永磁环231设置，且两者的充磁方向相反，以形成封闭磁场；第二永磁环102对应第四永磁环232设置，且两者的充磁方向相反，以形成封闭磁场；上述转子10的凸极100a位于第三永磁环231和第四永磁环232之间。其中，第三永磁环231和第四永磁环232可以采用高磁通密度永磁材料制成，例如钕铁硼永磁、永磁铁氧体、铁铬钴系永磁合金材料等。第三永磁环231间隔地套设于第一永磁环101的外部，且第一永磁环101的极性与第三永磁环231的极性相反，进而在第一永磁环101和第三永磁环231之间能够形成封闭磁场，进而使得第一永磁环101受到第三永磁环231的磁场作用，限制第一永磁环101沿电机轴线方向的移动，从而限制转子10的轴向偏移；同理，第四永磁环232间隔地套设于第二永磁环102的外部，且第四永磁环232的极性与第二永磁环102的极性相反，进而在第四永磁环232和第二永磁环102之间能够形成封闭磁场，进而使得第二永磁环102受到第四永磁环232的磁场作用，限制第二永磁环102沿电机轴线方向的移动，从而限制转子10的轴向偏移。由于第三永磁环231和第四永磁环232的充磁方向是相反的，转子10受到第三永磁环231的磁场作用力与转子10受到第四永磁环232的磁场作用力的方向正好相反，从而确保转子10能稳定地悬浮在第三永磁环231和第四永磁环232之间，从而实现对转子10的轴向偏移的限制作用。

在本实施例中，上述定子铁芯200包括铁芯杆部201和引磁部202，铁芯杆部201呈轴向延伸设置，定子铁芯200大体上呈倒“L”设置，悬浮线圈210和驱动线圈220绕制于铁芯杆部201，引磁部202自铁芯杆部201的一端沿定子20的径向朝内侧延伸；引磁部202位于第三永磁环231和第四永磁环232之间，且引磁部202与凸极100a呈相对的间隔设置。转子铁芯100上的凸极100a和引磁部202相对设置，进而使得转子10上的磁感线集中在凸极100a处，定子铁芯200的磁感线集中在引磁部202，定子20与转子10形成封闭磁场时，磁感线分别通过凸极100a和引磁部202。由于存在凸极100a和引磁部202，转子10相对于定子20内沿轴向方向的位置得以确定。此外，悬浮线圈210优选位于驱动线圈220靠近引磁部202的一侧，进而以保障悬浮线圈210产生的磁感线尽可能地向引磁部202处集中。

为了确保转子10相对定子20在轴向悬浮过程中具有一定轴向移动空间，上述悬浮线圈210和引磁部202呈间隔设置，进而使得转子10在轴向悬浮过程中，可以允许适当的轴向偏移。当然，于其它实施例中，悬浮线圈210和引磁部202之间可以不保留间隙，而是悬浮线圈210与引磁部202抵接在一起

参照图8至图13，在本实施例的另一优选实施方案中，永磁限位组件230还包括第五永磁环233，第五永磁环233层叠设置于第三永磁环231背对第四永磁环232的一端，第五永磁环233的充磁方向为径向充磁，以使第三永磁环231和第五永磁环233呈海尔贝克阵列状(Halbach Array)排布。由于第三永磁环231和第五永磁环233组成呈海尔贝克阵列(Halbach Array)，即可实现通过最少量的永磁铁产生最强的磁场，海尔贝克阵列磁环结构分解后的轴向磁场与径向磁场的相互迭加使得朝向引磁部202一侧的磁场强度大幅度提升，可有效地减小电机的体积，提升电机的功率密度。

同理，永磁限位组件230还包括第六永磁环234，第六永磁环234层叠设置于第四永磁环232背对第三永磁环231的一端，第六永磁环234的充磁方向为径向充磁，以使第四永磁环232和第六永磁环234呈海尔贝克阵列状(Halbach Array)排布。由于第四永磁环232和第六永磁环234组成呈海尔贝克阵列(Halbach Array)，即可实现通过最少量的永磁铁产生最强的磁场，海尔贝克阵列磁环结构分解后的轴向磁场与径向磁场的相互迭加使得朝向引磁部202一侧的磁场强度大幅度提升。

需要说明的是，本实施例中，上述永磁限位组件230中除了设置第五永磁环233、第六永磁环234之外，还可以根据电机的设计要求，再次层叠增设相应的永磁环，并且这些永磁环仍可分别与第三永磁环231、第五永磁环233组成海尔贝克阵列状(Halbach Array)永磁结构，从而进一步提升朝向引磁部202一侧的磁场强度。当然，增设的永磁环，也可以与第四永磁环232、第六永磁环234组成海尔贝克阵列状(Halbach Array)永磁结构，此处不再一一赘叙。

在本实施例中，对于转子10而言，其凸极100a的数量至少为四个；对于定子20而言，其线圈绕组20a的数量至少为四组，多个线圈绕组20a沿转子10的周向呈间隔均匀的分布，转位于多个线圈绕组20a围合形成的空间区域内。参照图1至图7，作为本发明实施例的第一优选实施方案，凸极100a的数量为四个且成十字型排布，线圈绕组20a的数量为六组；参照图8至图12，作为本发明实施例的第二优选实施方案，凸极100a的数量为六个，线圈绕组20a的数量为六组，第三永磁环231和第五永磁环233组成呈海尔贝克阵列(HalbachArray)永磁结构，第四永磁环232和第六永磁环234组成呈海尔贝克阵列(Halbach Array)永磁结构。

进一步地，上述定子20还包括导磁固定座240，定子铁芯200的一端固定于导磁固定座240230，多个线圈绕组20a210和导磁固定座240230围合形成一供容置转子1010旋转的容纳空间。导磁固定座240一方面用于固定定子铁芯200，使得定子20的多个线圈绕组20a固定于导磁固定座240处，实现定子20结构的稳固；另一方面，导磁固定座240与定子铁芯200相互接触，线圈绕组20a上形成的磁场磁感线可以通过定子铁芯200在导磁固定座240内传递，提高磁能利用率。

其中，定子铁芯200与导磁固定座240的固定方式有多种，对于定子铁芯200而言，铁芯杆部201的一端设置有引磁部202，其另一端可直接采用插接固定或者焊接固定的方式与导磁固定座240相连接，此处不作具体限定。如图8所示，铁芯杆部201与导磁固定座240采用插接固定方式，进而可以便于定子20的装配。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。