[發明專利]五自由度懸浮的電動-發電系統

有效

• 申請號: 201210040637.4
• 申請日: 2012-02-22
• 公開（公告）號: CN102570926A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 仇志堅;許偉躍;戚振亞
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: H02N15/00
• 分類號: H02N15/00
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術領域

本發明涉及一種五自由度懸浮的電動-發電系統，是一種集電動、發電以及懸浮功能于一體的高速電機系統，屬于電力傳動控制設備的技術領域。

背景技術

隨著現代工業的飛速發展，高速電機和超高速電機已經得到了越來越廣泛的應用，諸如高速高精度機床、渦輪分子泵、高速離心機、壓縮機、飛輪儲能以及航空航天領域等。要實現電機的高速、超高速可靠運轉，必須解決高速下轉子的支撐問題。傳統的機械軸承在轉子高速旋轉時所受的摩擦阻力增加，磨損加劇，造成電機發熱，不僅降低了電機的工作效率，縮短了電機和軸承的使用壽命，也增加了對電機和軸承維護的負擔。

無軸承電機技術將電機轉矩輸出和轉子電磁懸浮支撐功能集成于一體，解決了傳統機械軸承在高速、超高速場合的磨損問題，不但具有的無接觸、無潤滑、無磨損、無機械噪聲、高速度、高精度、長壽命等優良特性，而且具有體積小、軸向空間利用率高、電能消耗小等優點，是高速電機領域研究的一個重大突破。

要實現電機的穩定懸浮，需要控制其空間上的五個自由度。傳統的五自由度磁懸浮系統通常有三種結構：1.采用兩個徑向磁軸承、一個軸向磁軸承和一臺電機構成；2.采用一個軸向磁軸承和兩臺兩自由度無軸承電機構成；3.采用一個三自由度軸向徑向混合磁軸承和一臺兩自由度無軸承電機構成。其中，第一種結構徑向磁軸承和軸向磁軸承均占據了一定軸向空間，?使得轉子上產生轉矩的有效軸向長度減小，且剛度降低，此外控制系統也相當復雜；第二種結構具有多重冗余與容錯功能，但軸向長度仍較長；第三種結構將軸向徑向磁軸承結合為一體，有效縮短了軸向長度，但軸向徑向混合磁軸承僅有支撐功能，系統不具備冗余與容錯功能。因此需要尋求一種結構更加緊湊，功能更為全面的新型無軸承電機系統。

在航空航天、生命科學、化工、半導體等眾多運用無軸承電機的特殊場合，特別是密封的真空場合或超潔凈領域，對密封系統內的控制電路或者傳感器供電可能會存在困難。若采用電池供電，電池的更換可能比較麻煩；若采用外部電源輸入，對密封性的要求就會加大。此外，在一些特殊場合可能不便安裝光碼盤等機械式傳感器來測量電機的轉速，因此給系統運行狀況的監測帶來了困難。為了解決無軸承技術在應用中遇到的上述問題，擴大無軸承技術的應用領域，就需要尋求一種新型的結構或裝置。

發明內容

本發明的目的在于提供一種五自由度懸浮的電動-發電系統，該系統集電動、發電和懸浮功能于一體，不但能夠實現電機系統的五自由度懸浮，還同時具備轉矩輸出和電能輸出的功能，可應用于各種特殊的高速場合。

為達到上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種五自由度懸浮的電動-發電系統，包括一個機殼和一根轉軸，器特征在于：有一個左端軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機和一個右端軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機安裝于所述機殼內部左右兩端并套裝在所述轉軸上，有兩個輔助軸承分別安裝于電機轉軸的兩側而支承轉軸。

所述左端軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機和右端軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機的結構特征是：在徑向定子鐵心上分別嵌繞有一套三相四對極轉矩控制繞組用于控制電機的轉矩輸出和一套三相一對極徑向懸浮控制繞組用于控制轉子鐵心所受的徑向懸浮力。徑向定子鐵心的左右兩端分別安裝有兩塊軸向定子鐵心，在兩塊軸向定子鐵心上分別嵌繞有一套軸向懸浮控制繞組，兩套軸向懸浮控制繞組串聯相接，用于控制轉子鐵心所受的軸向懸浮力。轉子永磁體以徑向方向安裝在轉子鐵心外圓周上，轉子永磁體沿徑向方向均為同極性排列，轉子永磁體之間的轉子鐵心被交替磁化成相同的另一極性，裝有轉子轉軸的轉子鐵心置放于徑向定子鐵心的正中間位置。

為了防止系統過熱，影響系統的可靠運行，它還具有一套冷卻系統，包括出水孔、入水孔和冷卻水槽，其中出水孔和入水孔分別位于機殼軸向的兩側，冷卻水槽則環設于機殼上。

為了對本系統進行有效控制，它還包括傳感器檢測系統，采用的位移傳感器均為電渦流位移傳感器。具體包括左端發電機徑向位移傳感器、右端電動機徑向位移傳感器和軸向位移傳感器。