[发明专利]五自由度悬浮的电动-发电系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种五自由度悬浮的电动-发电系统，是一种集电动、发电以及悬浮功能于一体的高速电机系统，属于电力传动控制设备的技术领域。

背景技术

随着现代工业的飞速发展，高速电机和超高速电机已经得到了越来越广泛的应用，诸如高速高精度机床、涡轮分子泵、高速离心机、压缩机、飞轮储能以及航空航天领域等。要实现电机的高速、超高速可靠运转，必须解决高速下转子的支撑问题。传统的机械轴承在转子高速旋转时所受的摩擦阻力增加，磨损加剧，造成电机发热，不仅降低了电机的工作效率，缩短了电机和轴承的使用寿命，也增加了对电机和轴承维护的负担。

无轴承电机技术将电机转矩输出和转子电磁悬浮支撑功能集成于一体，解决了传统机械轴承在高速、超高速场合的磨损问题，不但具有的无接触、无润滑、无磨损、无机械噪声、高速度、高精度、长寿命等优良特性，而且具有体积小、轴向空间利用率高、电能消耗小等优点，是高速电机领域研究的一个重大突破。

要实现电机的稳定悬浮，需要控制其空间上的五个自由度。传统的五自由度磁悬浮系统通常有三种结构：1.采用两个径向磁轴承、一个轴向磁轴承和一台电机构成；2.采用一个轴向磁轴承和两台两自由度无轴承电机构成；3.采用一个三自由度轴向径向混合磁轴承和一台两自由度无轴承电机构成。其中，第一种结构径向磁轴承和轴向磁轴承均占据了一定轴向空间， 使得转子上产生转矩的有效轴向长度减小，且刚度降低，此外控制系统也相当复杂；第二种结构具有多重冗余与容错功能，但轴向长度仍较长；第三种结构将轴向径向磁轴承结合为一体，有效缩短了轴向长度，但轴向径向混合磁轴承仅有支撑功能，系统不具备冗余与容错功能。因此需要寻求一种结构更加紧凑，功能更为全面的新型无轴承电机系统。

在航空航天、生命科学、化工、半导体等众多运用无轴承电机的特殊场合，特别是密封的真空场合或超洁净领域，对密封系统内的控制电路或者传感器供电可能会存在困难。若采用电池供电，电池的更换可能比较麻烦；若采用外部电源输入，对密封性的要求就会加大。此外，在一些特殊场合可能不便安装光码盘等机械式传感器来测量电机的转速，因此给系统运行状况的监测带来了困难。为了解决无轴承技术在应用中遇到的上述问题，扩大无轴承技术的应用领域，就需要寻求一种新型的结构或装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种五自由度悬浮的电动-发电系统，该系统集电动、发电和悬浮功能于一体，不但能够实现电机系统的五自由度悬浮，还同时具备转矩输出和电能输出的功能，可应用于各种特殊的高速场合。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种五自由度悬浮的电动-发电系统，包括一个机壳和一根转轴，器特征在于：有一个左端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机和一个右端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机安装于所述机壳内部左右两端并套装在所述转轴上，有两个辅助轴承分别安装于电机转轴的两侧而支承转轴。

所述左端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机和右端轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机的结构特征是：在径向定子铁心上分别嵌绕有一套三相四对极转矩控制绕组用于控制电机的转矩输出和一套三相一对极径向悬浮控制绕组用于控制转子铁心所受的径向悬浮力。径向定子铁心的左右两端分别安装有两块轴向定子铁心，在两块轴向定子铁心上分别嵌绕有一套轴向悬浮控制绕组，两套轴向悬浮控制绕组串联相接，用于控制转子铁心所受的轴向悬浮力。转子永磁体以径向方向安装在转子铁心外圆周上，转子永磁体沿径向方向均为同极性排列，转子永磁体之间的转子铁心被交替磁化成相同的另一极性，装有转子转轴的转子铁心置放于径向定子铁心的正中间位置。

为了防止系统过热，影响系统的可靠运行，它还具有一套冷却系统，包括出水孔、入水孔和冷却水槽，其中出水孔和入水孔分别位于机壳轴向的两侧，冷却水槽则环设于机壳上。

为了对本系统进行有效控制，它还包括传感器检测系统，采用的位移传感器均为电涡流位移传感器。具体包括左端发电机径向位移传感器、右端电动机径向位移传感器和轴向位移传感器。