CN101832335B - 永磁偏置轴向径向磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁轴承技术领域的永磁偏置轴向径向磁轴承，所述的定子组件包括轴向定子、径向定子、环形永磁体、轴向控制绕组和径向控制绕组，轴向控制绕组设于轴向定子一端的磁极上，轴向定子的另一端的内端面和环形永磁体相接触，径向控制绕组设于径向定子的磁极上，环形永磁体贴附于径向定子的外端，所述的转子组件包括第一转子铁心、转轴和第二转子铁心，第一转子铁心和第二转子铁心分别套接于转轴上，第一转子铁心和第二转子铁心相连，第一转子铁心和第一转子铁心设于轴向定子和径向定子的内部。本发明简化了磁轴承的结构，安装便利，功耗小，轴向长度短。

Description

永磁偏置轴向径向磁轴承

技术领域

本发明涉及的是一种磁轴承技术领域的混合磁轴承，尤其涉及的是一种永磁偏置轴向径向磁轴承。

背景技术

磁悬浮轴承又简称为磁轴承，是利用定子和转子之间的磁力作用将转子悬浮于空间，使定子和转子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承。由于定、转子之间不存在机械上的接触，所以磁悬浮轴承的转子可达到很高的运转转速，并且具有机械磨损小、能耗低、寿命长、无润滑、无污染等优点，特别适合高速、真空和超洁净等特殊的应用场合。

目前，磁轴承按照磁力提供的方式分为以下几种：第一种是主动磁轴承，这种磁轴承线圈中存在偏置电流，以提供偏置磁场，由控制电流流经控制绕组产生的控制磁通与偏置磁通进行叠加，从而产生可控的悬浮力，体积、重量和功耗都比较大。第二种是被动磁轴承，这种磁轴承的悬浮力完全由永磁体提供，其所需的控制器简单，悬浮功耗小，但是刚度和阻尼都较小，一般运用于仅在一个方向上支撑物体或者是减轻作用在传统轴承上的负荷。第三种是混合磁轴承，这种磁轴承采用永磁材料替代主动磁轴承中的电磁铁来产生偏置磁场，电磁铁提供的只是平衡负载或干扰的控制磁场，大大降低了因偏置电流产生的功率损耗，电磁铁所需的安匝数只是主动磁轴承的一半，缩小了磁轴承的体积，减轻了其重量，并提高了承载能力。

经对现有技术的文献检索发现：中国发明专利申请号：200810236276.4，名称：一种异极性永磁偏置轴向径向磁轴承，该磁轴承的径向定子为对称布置的八磁极结构，分别为4个套装有控制绕组的控制磁极，4个嵌放片状永磁体的永磁磁体，置于控制磁极之间。该技术的永磁偏置轴向径向磁轴承是一种异极性的混合磁轴承，即定子磁极为N、S交替排列，转子铁心在高速运行时会产生较大的磁滞和涡流损耗。

目前国际上研究的永磁偏置轴向径向磁轴承结构形式分为两种，一种是将径向磁轴承与轴向磁轴承分离开来，利用同一永磁体提供径向和轴向偏置磁通，这种结构转子轴向长度长，转子临界转速低；另一种是将轴向和径向集成在一起，结构紧凑，体积小，转子动态性能大大提高，降低了轴承成本，但其设计、安装相对比较复杂，尤其对轴向安装要求较高。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种永磁偏置轴向径向磁轴承，结构简单，易于控制，便于加工，并且很好地解决了轴向安装的问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括定子组件和转子组件，其中：定子组件设于转子组件的外周。

所述的定子组件包括轴向定子、径向定子、环形永磁体、轴向控制绕组和径向控制绕组，其中：轴向控制绕组设于轴向定子的一端的磁极上，轴向定子的另一端的内端面和环形永磁体相接触，径向控制绕组设于径向定子的磁极上，环形永磁体贴附于径向定子的外端。

所述的转子组件包括第一转子铁心、转轴和第二转子铁心，其中：第一转子铁心和第二转子铁心分别套接于转轴上，第一转子铁心设于轴向磁极内部，第一转子铁心和第二转子铁心相连，第二转子铁心设于径向定子的内部。

为便于轴向控制绕组的布置，所述的轴向定子的磁极上设有磁槽。

为了产生轴向分量的偏置磁通，所述的第一转子铁心靠近轴向控制绕组的一端上设有突起，所述的突起的宽度小于轴向定子上设有轴向控制绕组的磁极的宽度。

所述的径向定子是四齿两对磁极的结构，相对的两个齿上的径向控制绕组串联连接。

本发明的轴向工作原理是：轴向定子的磁极宽度大于第一转子铁心的宽度，径向充磁的环形永磁体产生的偏置磁通经过轴向定子、径向气隙到达转子铁心时，产生了具有轴向分量的偏置磁通，当转子铁心位于轴向平衡位置时，由于结构的对称性，转子铁心的左右两端面磁路相等，则在转子铁心的轴向端面的右面气隙和左面气隙处的磁通是相等的，此时左右吸力相等。如果在此时转子铁心受到一个向左的外扰力，就会偏离平衡位置向左运动，造成环状永磁体产生的左右的磁通变化，即右面的磁路增长，磁通减小，即轴向磁通分量减小；左面的磁路缩，磁通增大，即轴向磁通分量增大。由于磁场吸力与磁通的平方成正比，因此右边的吸力小于左边的吸力，在加入控制磁通前，转子铁心将无法回到平衡位置。此时位移传感器检测出转子偏离其参考位置的位移量，控制器将这一位移信号变换成控制信号，功率放大器又将此控制信号变换成控制电流，这个电流流经轴向控制绕组，在端面气隙产生一个电磁磁通，这个电磁磁通与端面气隙处的永磁磁通轴向分量叠加，使转子铁心的右端面气隙处的磁通增加，左端面气隙处的磁通减小，产生一个向右的吸力，将转子铁心拉回平衡位置。同理，转子铁心受到轴向向左的外扰动，同样能使转子铁心回复到平衡位置。

本发明的径向工作原理是：当转子铁心位于中间平衡位置时，由于结构的对称性，环形永磁体产生的磁通在转子铁心的右面气隙和左面气隙处是相等的，此时左右吸力相等。如果在此时转子铁心受到一个向左的外扰力，转子铁心就会偏离平衡位置向左运动，造成环形永磁体产生的左右气隙的磁通变化，即右面的气隙增大，磁通减小；左面的气隙减小，磁通增大。依靠环形永磁体的磁阻力并不能使转子回复到平衡位置，需通过径向控制绕组产生控制磁通与气隙中的永磁磁通叠加，使转子铁心右面气隙中的磁通增加，左面气隙中的磁通减小，产生一个向右的吸力，将转子铁心拉回平衡位置。同理，不论转子铁心受到向左、向右、向上或向下的外扰动，上述控制始终能保持转子铁心在平衡位置。

有益效果：本发明是一种同极性混合磁轴承，即定子磁极都为同一极性，在高速运行时可大为减小转子铁心的磁滞和涡流损耗，本发明利用一个径向充磁的环形永磁体来建立静态偏置磁场，通过轴向定子、转子铁心和径向定子来形成闭合磁路，利用比转子铁心宽的轴向磁极，产生具有轴向分量的偏置磁通，大为简化了磁轴承的结构，安装便利。同时，该磁轴承利用永磁体产生偏置磁通，还具有功耗小，轴向长度短的优点，在飞轮储能、空调压缩机、涡轮分子泵等高速应用场合具有广阔的应用前景，将其利用于航空航天和舰艇等国防领域则更具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的磁路原理图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括定子组件和转子组件，其中：定子组件设于转子组件的外周。

所述的定子组件包括轴向定子1、径向定子2、环形永磁体3、轴向控制绕组4和径向控制绕组5，其中：轴向控制绕组4设于轴向定子1的磁极上，径向控制绕组5设于径向定子2一端的磁极上，环形永磁体3贴附于径向定子2的外端，轴向定子1另一端的内端面和环形永磁体3相接触。

所述的转子组件包括第一转子铁心6、第二转子铁心7和转轴8，其中：第一转子铁心6和第二转子铁心7分别套接于转轴8上；第一转子铁心6和第二转子铁心7相连；第一转子铁心6设于轴向定子1内部，只用于流通偏置磁通，可用实心的软磁材料制成；第二转子铁心7设于径向定子2的内部，在旋转时会通过交变磁通，为进一步减少磁滞和涡流损耗，用硅钢片叠压制成，也可用高电阻率的实心软磁材料制成。

轴向定子1的磁极上设有磁槽，磁槽便于轴向控制绕组4的布置。轴向定子1是软磁材料制成。

为了产生轴向分量的偏置磁通，所述的第一转子铁心6靠近轴向控制绕组4的一端上设有突起，所述的突起的宽度小于轴向定子1上设有轴向控制绕组4的磁极的宽度。

径向定子2是四齿两对磁极的结构，相对的两个齿上的径向控制绕组5串联连接，径向定子2是由硅钢片叠压制成。

如图2中的实线所示，环形永磁体3产生的偏置磁通依次经过轴向定子1、轴向气隙A、第一转子铁心6、第二转子铁心7、径向气隙B和径向定子2构成回路。如双虚线所示，轴向控制绕组4产生的控制磁通只经过轴向定子1和轴向气隙A。如单虚线所示，径向控制绕组5产生的控制磁通只经过径向气隙B和径向定子2，不经过轴向气隙A。轴向控制磁通和径向控制磁通彼此解耦，互不干扰。

Claims (5)

1.一种永磁偏置轴向径向磁轴承，包括定子组件和转子组件，其特征在于：所述的定子组件包括轴向定子(1)、径向定子(2)、环形永磁体(3)、轴向控制绕组(4)和径向控制绕组(5)，其中：轴向控制绕组(4)设于轴向定子(1)的磁极上，径向控制绕组(5)设于径向定子(2)的磁极上，环形永磁体(3)贴附于径向定子(2)的外端，轴向定子(1)的内端面和环形永磁体(3)相接触，所述的转子组件包括第一转子铁心(6)、第二转子铁心(7)和转轴(8)，其中：第一转子铁心(6)和第二转子铁心(7)分别套接于转轴(8)上，第一转子铁心(6)和第二转子铁心(7)相连，第一转子铁心(6)设于轴向定子(1)的内部，第二转子铁心(7)设于径向定子(2)的内部，轴向定子(1)的磁极上设有便于轴向控制绕组布置的磁槽，所述的第一转子铁心(6)靠近轴向控制绕组(4)的一端上设有突起，所述的突起的宽度小于轴向定子(1)上设有轴向控制绕组(4)的磁极的宽度。

2.根据权利要求1所述的永磁偏置轴向径向磁轴承，其特征在于：所述的径向定子(2)是四齿两对磁极的结构，相对的两个齿上的径向控制绕组(5)串联连接。

3.根据权利要求1所述的永磁偏置轴向径向磁轴承，其特征在于：所述的径向定子(2)是由硅钢片叠压制成。

4.根据权利要求1所述的永磁偏置轴向径向磁轴承，其特征在于：所述的第一转子铁心(6)是实心软磁材料制成。

5.根据权利要求1所述的永磁偏置轴向径向磁轴承，其特征在于：所述的第二转子铁心(7)是实心软磁材料或硅钢片叠压制成。

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