CN105275990B - 一种电网发电机用自稳定被动磁轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种电网用自稳定被动磁轴承，可作为小型电网用发电机等机械设备中旋转部件的无接触支撑。本发明的被动磁轴承由两组被动磁轴承对组成，每一组被动磁轴承有两个永磁体环组成，它们共同组成了定子部分和转子部分，定子部分和转子部分之间形成磁气隙，每个永磁体环的磁化方向有着特别的要求。本发明节省了传感器***、控制线圈以及控制线圈所需要的功放电路，特别地，本发明采用了被动磁轴承对的结构形式，可实现被动磁轴承的五自由度全悬浮。
Description
技术领域
本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种电网发电机用自稳定被动磁轴承结构，可实现电网用小型发电机、电动机等旋转部件的无接触支撑。
背景技术
电网技术错综复杂，在电网电力***中，发电机是其重要的环节之一，为了提高发电机效率，提升发电机技术水平，实现国家节能环保的目标，磁悬浮电机的发展在近年来迅猛发展，传统的磁悬浮电机***实现五自由度的悬浮，其需采用主动磁轴承和被动磁轴承结合的方式，我们知道，磁悬浮轴承分为主动式和被动式，主动式磁悬浮轴承是在偏置磁场的基础上叠加控制线圈所产生的磁场而成的磁悬浮轴承，被动式磁悬浮轴承是只有永磁磁场而成的磁悬浮轴承，现有的被动磁轴承分为吸力型和斥力型被动磁轴承，大多都是利用定子永磁体与转子永磁体在气隙中的相互作用产生稳定时需要的作用力，根据恩休定理，单个被动磁轴承无法实现五自由度的全悬浮，但是该定理并没有对将被动磁轴承进行组合配置进行说明，目前的单个被动磁轴承确实无法实现五自由度的全悬浮。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种电网发电机用自稳定被动磁轴承，这种轴承通过被动磁轴承的组合配置以及永磁体磁化方向的优化选择，可以实现***的全悬浮。
本发明的技术解决方案是：一种电网发电机用自稳定被动磁轴承，由两组被动磁轴承对组成，每一组被动磁轴承对分为两个永磁体环，一个作为定子部分，另一个作为转子部分，两组被动磁轴承对的转子部分通过非导磁材料进行粘接固定，定子部分安装于发电机机壳上。每一组被动磁轴承对的永磁体环完全相同，其充磁磁化方向必须介于40度～60度之间。
所述的两组被动磁轴承对的安装还可以是关于y轴对称安装。
所述的永磁体对一组充磁方向为45度，另一组充磁方向为58度。
所述的永磁体环为烧结钐钴永磁体或钕铁硼永磁体。
本发明的原理是：根据两个永磁体环在不同充磁角度下产生的径向力和轴向力的大小和方向的不同，通过仿真和实验寻求产生径向力和轴向力稳定的组合，通过不同永磁体对的组合，可以实现五自由度的全悬浮。
本发明与现有技术相比的优点在于：与现有主动式磁悬浮轴承相比，节省传感器***、控制线圈以及控制线圈所需要的控制器，缩小了体积、减轻了重量、消除了损耗、提高了***的可靠性；与现有被动式磁悬浮轴承相比，本发明采用了不同充磁角度的永磁体对的组合，可以实现磁悬浮***的五自由度全悬浮。
附图说明
图1为本发明的单组被动磁轴承对的基本结构图。
图2为本发明的单组被动磁轴承对在充磁方向为15度时的受力曲线，其中图2a为轴向力曲线，图2b为径向力曲线。
图3为本发明的单组被动磁轴承对在充磁方向为45度时的受力曲线，其中图3a为轴向力曲线，图3b为径向力曲线。
图4为本发明的单组被动磁轴承对在充磁方向为70度时的受力曲线，其中图4a为轴向力曲线，图4b为径向力曲线。
图5为本发明的所述两组被动磁轴承对(充磁方向相同)的结构示意图。
图6为本发明的所述两组被动磁轴承对在最优充磁角度下的结构示意图。
图7为本发明的所述两组被动磁轴承对(充磁方向沿y轴对称)的结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明所述的单组被动磁轴承对，图中a为充磁角度，Di为永磁体环的内径，本实施例中为250mm，Do为永磁体环的外径，本实施例中为350mm，L为永磁体环的轴向长度，本实施例中为100mm，每个永磁体环的厚度在本实施例中为100mm，图中d为气隙长度，在本实施例中为1mm，当其中一个永磁体环发生轴向移动时，所产生的位移我们称为偏移量，沿z轴正向或y轴正向运动为正，沿z轴负向或y轴负向运动为负。
当永磁体环的充磁角度a为15度时，可以得到单个永磁体环受到的轴向力曲线和径向力曲线，如图2所示，从图2a中可以看出，随着轴向偏移量的增加，轴向力绝对值减小，方向为负，也就是说，当一个永磁体环从平衡位置往z轴负向移动时，所受轴向力的方向为负，且偏移量越大，轴向力越大；同理，当一个永磁体环从平衡位置往z轴正向移动时，所受轴向力的方向仍为负，且偏移量越大，轴向力越小，因此在轴向上是半稳定状态(即仅往正方向偏移稳定)，从图2b可以看出，当径向偏移量沿正向增加时，一个永磁体环的所受径向力为负值，且越来越大，当径向偏移量沿负向增加时，一个永磁体环所受径向力为正值，且越来越大，因此这种情况，该组被动磁轴承为径向方向稳定。
当永磁体环充磁角度a为45度时，可以得到单个永磁体环受到的轴向力曲线和径向力曲线，如图3所示，从图3a中可以看出，随着轴向偏移量的增加，轴向力为正且在减小，也就是说，当一个永磁体环沿z轴负向移动时，其所受的轴向力为正向，且负向移动距离越大轴向力正向越大，同理，当一个永磁体环沿z轴正向移动时，尽管所受轴向力也为正，但是随着轴向偏移量的增加，轴向力在减小，这说明如果采用图5所示的两组所述被动磁轴承对时，如果一端的一组被动磁轴承间隙变大，即转子对于这端来说出现正向偏移量，则随着偏移量的增大这端转子所受轴向力减小，而对于另一端来说，相当于出现负向偏移，随着偏移量的减小，该端转子所受轴向力与偏移量方向相反且增大，因此可以实现轴向上的自稳定；从图3b可以看出，当径向偏移量沿正向增加时，一个永磁体环所受径向力为负值，且越来越大，当径向偏移量沿负向增加时，一个永磁体环的所受径向力为正值，且越来越大，因此这种情况，该组磁轴承为径向方向稳定。由此可以看出，采用永磁环充磁角度为45度时，一组被动磁轴承的径向方向是自稳定的，当采用相同的两组被动磁轴承后，轴向方向也是自稳定的。
当永磁体环充磁角度a为70度时，可以得到单个永磁体环受到的轴向力曲线和径向力曲线，如图4所示，从图4a中可以看出，随着轴向偏移量的增加，轴向力绝对值减小，方向为正，也就是说，当一个永磁体环从平衡位置往z轴负向移动时，所受轴向力的方向为正，且偏移量越大，轴向力越大；同理，当一个永磁体环从平衡位置往z轴正向移动时，所受轴向力的方向仍为正，且偏移量越大，轴向力越小，因此在轴向上可认为是半稳定状态(即仅往负方向偏移稳定)，从图4b可以看出，当径向偏移量沿正向增加时，一个永磁体环的所受径向力为正值，且越来越大，当径向偏移量沿负向增加时，一个永磁体环所受径向力为负值，且越来越大，因此这种情况，该组磁轴承在径向方向不稳定。
本发明所述的电网发电机用自稳定被动磁轴承，由上述的两组被动磁轴承对组成，每一组被动磁轴承对分为两个永磁体环，一个作为定子部分，另一个作为转子部分，两组被动磁轴承对的转子部分通过非导磁材料(如铝合金、1Cri8Ni9Ti以及钛合金等材料)进行粘接固定，定子部分安装于发电机机壳上。每一组被动磁轴承对的永磁体环完全相同，根据大量仿真和实验，可以得出本发明所述永磁体的充磁磁化方向必须介于40度～60度之间，可以实现整个***的五自由度自稳定。特别地，当所述的永磁体对一组充磁角度为45度，而另一组充磁角度为58度时，如图6所示，可以实现稳定程度最优，即径向刚度和轴向刚度均可达到最大值。
根据永磁体环充磁角度的对称性可知，本发明所述两组永磁体对的充磁角度可以采用图7所示的沿y轴对称的充磁角度。所述的永磁体环为烧结钐钴永磁体或钕铁硼永磁体。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (3)
1.一种电网发电机用自稳定被动磁轴承，其特征在于：由两组被动磁轴承对组成，每一组被动磁轴承对分为两个永磁体环，一个作为定子部分，另一个作为转子部分，两组被动磁轴承对的转子部分通过非导磁材料进行粘接固定，定子部分安装于发电机机壳上，当永磁体环充磁角度α为45度时，随着轴向偏移量的增加，轴向力为正且在减小，也就是说，当一个永磁体环沿z轴负向移动时，其所受的轴向力为正向，且负向移动距离越大轴向力正向越大，同理，当一个永磁体环沿z轴正向移动时，尽管所受轴向力也为正，但是随着轴向偏移量的增加，轴向力在减小，这说明如果采用两组所述被动磁轴承对时，如果一端的一组被动磁轴承间隙变大，即转子对于这端来说出现正向偏移量，则随着偏移量的增大这端转子所受轴向力减小，而对于另一端来说，相当于出现负向偏移，随着偏移量的减小，该端转子所受轴向力与偏移量方向相反且增大，因此可以实现轴向上的自稳定；当径向偏移量沿正向增加时，一个永磁体环所受径向力为负值，且越来越大，当径向偏移量沿负向增加时，一个永磁体环的所受径向力为正值，且越来越大，因此这种情况，该组磁轴承为径向方向稳定，由此可以看出，采用永磁环充磁角度为45度时，一组被动磁轴承的径向方向是自稳定的，当采用相同的两组被动磁轴承后，轴向方向也是自稳定的；每一组被动磁轴承对的永磁体环完全相同，所述的两组被动磁轴承对的安装关于y轴对称。
2.根据权利要求1所述的自稳定被动磁轴承，其特征在于：所述的永磁体对一组充磁方向为45度，另一组充磁方向为58度。
3.根据权利要求1所述的自稳定被动磁轴承，其特征在于：所述的永磁体环为烧结钐钴永磁体或钕铁硼永磁体。
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