專利名稱：永磁同步磁懸浮高速電機直驅空氣壓縮機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及空氣壓縮機，尤其涉及永磁同步磁懸浮高速電機直驅空氣壓縮機。
背景技術：
空氣壓縮機是廣泛應用于冶金、礦山、化工、天然氣輸送和環(huán)境處理等領域的高能耗設備。據(jù)統(tǒng)計，空氣壓縮機的電機系統(tǒng)能耗占工業(yè)部門電能總消耗量的30%以上。由于空氣壓縮機能耗總量大，通過提高工作效率產生的節(jié)能經濟效益十分顯著，而現(xiàn)在我國生產的高效率電機僅占電機總銷量的1%左右，因此在我國空氣壓縮機行業(yè)產量大、能耗高、涉及國民經濟面廣的現(xiàn)實條件下，開發(fā)高速高效節(jié)能的空氣壓縮機顯得尤為迫切。傳統(tǒng)的空氣壓縮機產品廣泛采用“中低速電機——齒輪增速箱——葉輪”模式，其電機轉速低、齒輪增速箱結構復雜、體積大、噪音高、能耗高、調速控制困難，數(shù)字化智能化 程度低，系統(tǒng)維護成本較高?，F(xiàn)有高速電機按照類型可分為交流異步電機和永磁同步電機。與交流異步電機相t匕，永磁同步電機功率因素高，功率密度大，工作效率高，節(jié)能降耗效果明顯，非常適合于提高電機的工作轉速和工作效率，如果能夠采用永磁同步高速電機直驅葉輪的結構制作空氣壓縮機，將大大提高空氣壓縮機產品的各項性能，但是，受現(xiàn)有永磁同步高速電機自身結構的限制，這種直驅結構還無法直接應用，原因如下
I、現(xiàn)有永磁同步高速電機的轉子結構無法滿足直接驅動空氣壓縮機所需要的高轉速和高強度要求?？諝鈮嚎s機通常需要很大的輸出功率，電機轉子結構的徑向尺寸較大，在高速運轉時轉子結構需要承受的離心力相應也非常大，但現(xiàn)有的永磁同步高速電機的轉子結構難以滿足這種高強度需求。目前，永磁同步高速電機的轉子結構主要有整體式磁鋼、表貼式加碳纖維固定磁鋼兩種。整體式磁鋼的不足之處在于，磁鋼套裝到主軸上高速運轉時由于離心力使環(huán)形磁鋼膨脹導致過盈量減小，從而導致磁鋼與轉子之間的正壓力減小，可傳遞的摩擦力和扭矩減小，容易出現(xiàn)電機轉子相對主軸的圓周方向滑動，而如果增大預加的過盈量，脆性的轉子磁鋼可能出現(xiàn)斷裂等故障；表貼式加碳纖維固定磁鋼結構的主要弱點在于碳纖維包裹轉子磁鋼非常不利于轉子的散熱，而如果轉子溫度過高會使永磁體退磁導致電機功能故障，且碳纖維在使用時間長或裝配過程中出現(xiàn)微量破損后，高速運轉時很容易在離心力作用下不斷擴展，最終導致轉子磁鋼甩出甚至出現(xiàn)爆炸事故。2、現(xiàn)有永磁同步高速電機的主軸軸承結構不適應空氣壓縮機轉速高、軸向負荷大等工況要求?，F(xiàn)有高速電機上采用的軸承主要有滾動軸承、液體滑動軸承和空氣軸承等。滾動軸承的優(yōu)點是容易實現(xiàn)標準化和系列化生產，但是由于空氣壓縮機工作時葉輪的高速旋轉會產生很大的軸向力，將滾動軸承類型的止推軸承用來承受空氣壓縮機軸向載荷時，高速運轉時滾動體的離心力會對滾道產生很大的動載荷，導致溫升增大甚至燒毀軸承或滾動體甩出軸承外造成事故。液體滑動軸承剛度高、承載能力大，但是由于高速時液體介質磨損發(fā)熱，導致無功損耗大，降低了電機的有效輸出功率，不適應空氣壓縮機的大輸出功率要求?？諝廨S承有利于實現(xiàn)高速度，但是剛度低、承載能力有限，只適用于輕型轉子，不能滿足空氣壓縮機的工況要求。除了軸承本身的原因外，現(xiàn)有高速電機中的止推軸承和徑向軸承是分離的，導致電機結構尺寸大，軸向跨距大，不利于提高電機的臨界工作轉速，不適應空氣壓縮機的高轉速要求；其次，由于電機兩端的軸承結構不對稱，不利于將兩端軸承做成同樣的結構，軸承互換性不好，不利于降低制造成本，縮短生產周期。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種結構簡單、體積小、可控性好、能耗低、維護成本低的永磁同步磁懸浮高速電機直驅空氣壓縮機。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案
一種永磁同步磁懸浮高速電機直驅空氣壓縮機，包括電機主軸、電機定子、永磁體電機轉子、殼體、壓縮機葉輪和一對分設于殼體前后兩端的軸承總成，所述電機定子套設于殼體內，所述電機主軸置于電機定子內，并通過一對軸承總成支承于殼體上，所述壓縮機葉輪裝 設于所述電機主軸前端，所述軸承總成為磁懸浮軸承總成，所述永磁體電機轉子包括多個永磁體磁條和設于所述電機主軸外周面上的多個磁條固定槽，所述永磁體磁條鑲嵌于所述磁條固定槽內。所述永磁體磁條和磁條固定槽相互楔緊配合。所述永磁體磁條和磁條固定槽的橫截面為相互配合的倒梯形，所述倒梯形的長底邊的兩角部設有圓弧倒角。所述空氣壓縮機還包括兩個轉子動平衡環(huán)，所述兩個轉子動平衡環(huán)分設于永磁體電機轉子兩端，并對所述永磁體磁條軸向限位。所述一對軸承總成結構相同且對稱設置。所述軸承總成包括軸承座、徑向磁懸浮軸承、止推磁懸浮軸承、傳感組件和端蓋組件，所述軸承座與所述殼體固定連接，所述徑向磁懸浮軸承裝設于軸承座內，所述止推磁懸浮軸承裝設于端蓋組件內，所述傳感組件設于徑向磁懸浮軸承和止推磁懸浮軸承之間。所述徑向磁懸浮軸承包括磁懸浮軸承定子和磁懸浮軸承轉子，所述磁懸浮軸承定子固定于所述軸承座內，所述磁懸浮軸承轉子置于磁懸浮軸承定子內并固定于所述電機主軸上。所述止推磁懸浮軸承包括止推盤、止推磁懸浮線圈和止推葉輪，所述止推葉輪固定于所述端蓋組件內，所述止推磁懸浮線圈繞設于所述止推葉輪上，所述止推盤設于所述止推磁懸浮線圈一側并固定于所述電機主軸上。所述傳感組件包括傳感器、傳感器座和一對環(huán)形墊，所述傳感器座固定于所述軸承座上，所述一對環(huán)形墊固定于傳感器座兩側，所述傳感器設于一對環(huán)形墊之間。所述端蓋組件包括蓋體和輔助軸承，所述蓋體罩設于止推磁懸浮軸承和傳感組件外并與所述軸承座固定連接，所述輔助軸承支承于所述蓋體與電機主軸之間。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于
本發(fā)明的永磁同步磁懸浮高速電機直驅空氣壓縮機，永磁體電機轉子采用永磁體磁條鑲嵌于磁條固定槽內的結構，使其在大尺寸、高轉速、大離心力的工況下具備足夠的強度，從而能夠滿足空氣壓縮機的工作需求，為提高空氣壓縮機最高轉速創(chuàng)造了條件，且由于不需要外加碳纖維纏繞固定，有利于轉子散熱并降低溫升；同時，本發(fā)明采用磁懸浮軸承總成支承電機主軸，磁懸浮軸承的定子和轉子間間隙大，對機械加工和裝配要求不高，降低了加工和裝配成本，縮短了生產周期；磁懸浮軸承沒有接觸磨損，提高了電機的有效輸出功率和工作效率；通過對永磁體電機轉子的結構改進，并配以最合適的軸承支承系統(tǒng)，使得壓縮機葉輪可以直接裝設于電機主軸上，通過電機主軸直接驅動壓縮機葉輪，從而實現(xiàn)永磁同步磁懸浮高速電機對空氣壓縮機的直接驅動，使空氣壓縮機的結構簡化、體積減小、能耗降低、維護成本降低。永磁體磁條和磁條固定槽相互楔緊配合，其安裝方便，連接強度高，運行穩(wěn)定可靠，克服了整體轉子過盈套裝到主軸上高速運轉時由于離心膨脹導致過盈量減小、電機轉子相對主軸滑動的缺點，并且克服了表貼式加碳纖維固定磁鋼結構的轉子不利于散熱的缺點，避免因轉子溫升高導致退磁，還克服了表貼式加碳纖維固定磁鋼結構的轉子在大離心力作用下轉子磁鋼易被甩出的缺點，大大提升了安全性；當永磁體磁條和磁條固定槽的橫截面為相互配合的倒梯形時，在倒梯形的長底邊的兩角部設有圓弧倒角，使轉軸上相應的凹面結構通過圓弧均勻過度,在高速工作狀態(tài)下,永磁體磁條和磁條固定槽受到的離心應力分布較均勻，避免了應力集中問題，提高了連接強度和可靠性。一對軸承總成結構相同且對稱設置，提高了軸承總成的互換性，有利于批量生產，降低了制造加工成本，且省掉了傳統(tǒng)的單獨的止推軸承，簡化了電機結構。


圖I是本發(fā)明的主剖視結構示意圖。圖2是圖I的A —A剖視圖。圖中各標號表不
I、電機主軸；2、電機定子；3、永磁體電機轉子；4、殼體；5、壓縮機葉輪；6、軸承總成；7、轉子動平衡環(huán)；31、永磁體磁條；32、磁條固定槽；61、軸承座；62、徑向磁懸浮軸承；63、止推磁懸浮軸承；64、傳感組件；65、端蓋組件；621、磁懸浮軸承定子；622、磁懸浮軸承轉子；631、止推盤；632、止推磁懸浮線圈；633、止推葉輪；641、傳感器；642、傳感器座；643、環(huán)形墊；651、蓋體；652、輔助軸承。
具體實施例方式圖I和圖2不出了本發(fā)明的一種永磁同步磁懸浮高速電機直驅空氣壓縮機實施例，該空氣壓縮機包括電機主軸I、電機定子2、永磁體電機轉子3、殼體4、壓縮機葉輪5和一對分設于殼體4前后兩端的軸承總成6,電機定子2套設于殼體4內，電機主軸I置于電機定子2內，并通過一對軸承總成6支承于殼體4上,壓縮機葉輪5裝設于電機主軸I前端，軸承總成6為磁懸浮軸承總成,永磁體電機轉子3包括多個永磁體磁條31和設于電機主軸I外周面上的多個磁條固定槽32，永磁體磁條31鑲嵌于磁條固定槽32內，采用鑲嵌結構的永磁體電機轉子3，使其在大尺寸、高轉速、大離心力的工況下具備足夠的強度，從而能夠滿足空氣壓縮機的工作需求，為提高空氣壓縮機最大轉速做好了準備；同時，本發(fā)明采用磁懸浮軸承總成支承電機主軸1，可提高電機主軸I的工作轉速，降低高速工作狀態(tài)下的溫升，降低加工裝配精度要求、節(jié)省成本、減少功耗、提高工作效率；通過對永磁體電機轉子3的結構改進，并配以最合適的軸承支承系統(tǒng)，使得壓縮機葉輪5可以直接裝設于電機主軸I上，通過電機主軸I直接驅動壓縮機葉輪5，從而實現(xiàn)永磁同步磁懸浮高速電機對空氣壓縮機的直接驅動，使空氣壓縮機的結構簡化、體積減小、噪音減弱、能耗降低、可控性提升、維護成本降低。本實施例中，永磁體磁條31和磁條固定槽32相互楔緊配合，其安裝方便，連接強度高，運行穩(wěn)定可靠，克服了整體轉子過盈套裝到主軸上高速運轉時由于離心膨脹導致過盈量減小、轉子會相對主軸滑動的缺點，并且克服了表貼式加碳纖維固定磁鋼結構的轉子不利于散熱的缺點，避免因轉子溫升高導致退磁，還克服了表貼式加碳纖維固定磁鋼結構的轉子在大離心力作用下轉子磁鋼易被甩出的缺點，大大提升了安全性。本實施例中，永磁體磁條31和磁條固定槽32的橫截面為相互配合的倒梯形，在倒梯形的長底邊的兩角部設有圓弧倒角，使轉軸上相應的凹面結構通過圓弧均勻過度，種結構使得電機主軸I在高速工作狀態(tài)下，永磁體磁條31和磁條固定槽32受到的離心應力分布最均勻，避免了應力集中問題，進一步提高了連接強度和可靠性。本實施例中，空氣壓縮機還包括兩個轉子動平衡環(huán)7，兩個轉子動平衡環(huán)7分設于永磁體電機轉子3兩端，一方面兩個轉子動平衡環(huán)7用于調整電機主軸I的動平衡，另一方面對永磁體磁條31軸向限位。 本實施例中，一對軸承總成6結構相同且對稱設置，可提高軸承總成6的互換性，有利于批量生產，降低了制造加工成本，且省掉了傳統(tǒng)的單獨的止推軸承，簡化了電機結構。本實施例中，軸承總成6包括軸承座61、徑向磁懸浮軸承62、止推磁懸浮軸承63、傳感組件64和端蓋組件65，軸承座61與殼體4固定連接，徑向磁懸浮軸承62裝設于軸承座61內，止推磁懸浮軸承63裝設于端蓋組件65內，傳感組件64設于徑向磁懸浮軸承62和止推磁懸浮軸承63之間。徑向磁懸浮軸承62包括磁懸浮軸承定子621和磁懸浮軸承轉子622,磁懸浮軸承定子621固定于軸承座61內，磁懸浮軸承轉子622置于磁懸浮軸承定子621內并固定于電機主軸I上。止推磁懸浮軸承63包括止推盤631、止推磁懸浮線圈632和止推葉輪633，止推葉輪633固定于端蓋組件65內，止推磁懸浮線圈632繞設于止推葉輪633上，止推盤631設于止推磁懸浮線圈632 —側并固定于電機主軸I上。傳感組件64包括傳感器641、傳感器座642和一對環(huán)形墊643,傳感器座642固定于軸承座61上,一對環(huán)形墊643固定于傳感器座642兩側，傳感器641設于一對環(huán)形墊643之間。傳感器641通過檢測電機主軸I徑向浮起量并發(fā)送給磁懸浮軸承控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)據(jù)此調控磁懸浮軸承線圈的電流大小，從而調整電機主軸I的位置。本實施例中，端蓋組件65包括蓋體651和輔助軸承652,蓋體651罩設于止推磁懸浮軸承63和傳感組件64外并與軸承座61固定連接，輔助軸承652支承于蓋體651與電機主軸I之間，在磁懸浮軸承通電前和斷電后，由輔助軸承652支承電機主軸I。雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍的情況下，都可利用上述揭示的技術內容對本發(fā)明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內容，依據(jù)本發(fā)明技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應落在本發(fā)明技術方案保護的范圍內。
權利要求
1.一種永磁同步磁懸浮高速電機直驅空氣壓縮機,包括電機主軸(I)、電機定子(2)、永磁體電機轉子(3)、殼體(4)、壓縮機葉輪(5)和一對分設于殼體(4)前后兩端的軸承總成(6 )，所述電機定子(2 )套設于殼體(4)內，所述電機主軸(I)置于電機定子(2 )內，并通過一對軸承總成(6)支承于殼體(4)上，其特征在于所述壓縮機葉輪(5)裝設于所述電機主軸(O前端，所述軸承總成(6)為磁懸浮軸承總成，所述永磁體電機轉子(3)包括多個永磁體磁條(31)和設于所述電機主軸(I)外周面上的多個磁條固定槽(32 )，所述永磁體磁條(31)鑲嵌于所述磁條固定槽(32)內。
2.根據(jù)權利要求I所述的永磁同步磁懸浮高速電機直驅空氣壓縮機，其特征在于所述永磁體磁條(31)和磁條固定槽(32)相互楔緊配合。
3.根據(jù)權利要求2所述的永磁同步磁懸浮高速電機直驅空氣壓縮機，其特征在于所述永磁體磁條(31)和磁條固定槽(32)的橫截面為相互配合的倒梯形，所述倒梯形的長底邊的兩角部設有圓弧倒角。
4.根據(jù)權利要求I至3中任一項所述的永磁同步磁懸浮高速電機直驅空氣壓縮機，其特征在于所述空氣壓縮機還包括兩個轉子動平衡環(huán)(7)，所述兩個轉子動平衡環(huán)(7)分設于永磁體電機轉子(3 )兩端，并對所述永磁體磁條(31)軸向限位。
5.根據(jù)權利要求I至3中任一項所述的永磁同步磁懸浮高速電機直驅空氣壓縮機，其特征在于所述一對軸承總成(6)結構相同且對稱設置。
6.根據(jù)權利要求5所述的永磁同步磁懸浮高速電機直驅空氣壓縮機，其特征在于所述軸承總成(6)包括軸承座(61)、徑向磁懸浮軸承(62)、止推磁懸浮軸承(63)、傳感組件(64)和端蓋組件(65)，所述軸承座(61)與所述殼體(4)固定連接，所述徑向磁懸浮軸承(62)裝設于軸承座(61)內，所述止推磁懸浮軸承(63)裝設于端蓋組件(65)內，所述傳感組件(64)設于徑向磁懸浮軸承(62)和止推磁懸浮軸承(63)之間。
7.根據(jù)權利要求6所述的永磁同步磁懸浮高速電機直驅空氣壓縮機，其特征在于所述徑向磁懸浮軸承(62)包括磁懸浮軸承定子(621)和磁懸浮軸承轉子(622)，所述磁懸浮軸承定子(621)固定于所述軸承座(61)內，所述磁懸浮軸承轉子(622)置于磁懸浮軸承定子(621)內并固定于所述電機主軸(I)上。
8.根據(jù)權利要求6所述的永磁同步磁懸浮高速電機直驅空氣壓縮機，其特征在于所述止推磁懸浮軸承(63 )包括止推盤(631)、止推磁懸浮線圈(632 )和止推葉輪(633 )，所述止推葉輪(633)固定于所述端蓋組件(65)內，所述止推磁懸浮線圈(632)繞設于所述止推葉輪(633 )上，所述止推盤(631)設于所述止推磁懸浮線圈(632 ) —側并固定于所述電機主軸(I)上。
9.根據(jù)權利要求6所述的永磁同步磁懸浮高速電機直驅空氣壓縮機，其特征在于所述傳感組件(64)包括傳感器(641)、傳感器座(642)和一對環(huán)形墊(643)，所述傳感器座(642)固定于所述軸承座(61)上,所述一對環(huán)形墊(643)固定于傳感器座(642)兩側,所述傳感器(641)設于一對環(huán)形墊(643)之間。
10.根據(jù)權利要求6所述的永磁同步磁懸浮高速電機直驅空氣壓縮機，其特征在于所述端蓋組件(65)包括蓋體(651)和輔助軸承(652),所述蓋體(651)罩設于止推磁懸浮軸承(63)和傳感組件(64)外并與所述軸承座(61)固定連接，所述輔助軸承(652)支承于所述蓋體(651)與電機主軸(I)之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種永磁同步磁懸浮高速電機直驅空氣壓縮機，包括電機主軸、電機定子、永磁體電機轉子、殼體、壓縮機葉輪和一對分設于殼體前后兩端的軸承總成，所述電機定子套設于殼體內，所述電機主軸置于電機定子內，并通過一對軸承總成支承于殼體上，所述壓縮機葉輪裝設于所述電機主軸前端，所述軸承總成為磁懸浮軸承總成，所述永磁體電機轉子包括多個永磁體磁條和設于所述電機主軸外周面上的多個磁條固定槽，所述永磁體磁條鑲嵌于所述磁條固定槽內。該永磁同步磁懸浮高速電機直驅空氣壓縮機具有結構簡單、體積小、可控性好、能耗低、維護成本低的優(yōu)點。
文檔編號F04D25/06GK102828973SQ20121035122
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月20日 優(yōu)先權日2012年9月20日
發(fā)明者熊萬里, 蔣旭光, 姚永利, 鐘添明, 呂浪 申請人:湖南大學