CN108716480B - 一种磁悬浮结构及风机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁悬浮结构和风机，包括永磁偏置磁轴承以及转子轴；永磁偏置磁轴承包括轴向磁悬浮轴承以及设置在轴向磁悬浮轴承一侧的径向导磁环，轴向磁悬浮轴承与导磁环通过永磁体连接；径向导磁环的圆环内部设有径向定子铁芯，径向定子铁芯的中心形成锥形孔；还包括内外表面均设置为锥形的径向转子铁芯，径向转子铁芯的内外表面均与径向定子铁芯的锥形孔表面相平行；径向转子铁芯设置在转子轴的外表面；径向转子铁芯套设在径向定子铁芯的内部，且与径向定子铁芯之间形成锥形工作间隙；转子轴与轴向磁悬浮轴承配合处设置有推力盘。通过永磁体在径向转子铁芯处产生的转子轴方向的轴向卸载力对轴向载荷进行卸载，减小了轴向磁轴承负担。

Description

一种磁悬浮结构及风机
技术领域
本发明涉及磁悬浮技术领域，尤其涉及一种磁悬浮结构及风机。
背景技术
为了实现超高转速运行和设备的长寿命、清洁无油目前在很多设备的驱动设备中采用磁悬浮支撑方式。
当磁轴承应用于鼓风机、压缩机等场合时，由于叶轮进出口压力差，会在转子上产生非常大的轴向载荷。因此对轴向磁轴承的设计提出了较高的要求。为在轴向磁轴承上实现高的负载能力，通常采取以下几种方式：
1.采用一个较大外径的轴向磁轴承转子推力盘。但一方面推力盘最大外径受转子材料强度限制。另一方面，推力盘部分的风摩耗大约与推力盘外径的五次方成正比，因此，大的推力盘会产生相当大的转子风摩耗。
2.定子中的线圈和磁通路径的尺寸较大，这会导致定子的轴向尺寸很大，这继而导致转子轴向长度较长，而转子的轴向长度收到轴模态频率的限制。
3.线圈中通较大的电流。但这受到绕组温升的限制，以及电子设备功率的限制。
因此，现有的使轴向磁轴承负载能力提高的方式在提高轴向负载能力的同时对于整体磁悬浮结构其他方面带来的不利影响较大，难以得到较好的效果。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是解决如何提高磁轴承的轴向负载能力的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种磁悬浮结构，包括永磁偏置磁轴承以及转子轴；所述永磁偏置磁轴承包括轴向磁悬浮轴承以及设置在所述轴向磁悬浮轴承一侧的径向导磁环，所述轴向磁悬浮轴承与所述导磁环通过永磁体连接；所述径向导磁环的圆环内部设有径向定子铁芯，所述径向定子铁芯由多个硅钢片叠制而成，多个所述硅钢片的内径自靠近所述轴向磁悬浮轴承的一侧到远离所述轴向磁悬浮轴承的一侧逐渐减小，形成内部锥形孔；还包括内外表面均设置为锥形的径向转子铁芯，所述径向转子铁芯的内外表面均与所述径向定子铁芯的锥形孔表面相平行；所述径向转子铁芯设置在所述转子轴的外表面；所述径向转子铁芯套设在所述径向定子铁芯的内部，且与所述径向定子铁芯之间形成锥形工作间隙；所述转子轴与所述轴向磁悬浮轴承配合处设置有推力盘。
根据本发明，所述径向定子铁芯包括设置在所述圆环内部的4个磁极以及连接多个所述磁极的径向铁芯轭部，每个所述磁极外绕制有径向线圈；所述径向铁芯轭部的外圈与所述径向导磁环的内圈紧贴设置。
根据本发明，所述径向导磁环的采用电工纯铁或低碳钢制成的整体式环状结构。
根据本发明，所述径向定子铁芯和径向转子铁芯采用硅钢片制成。
根据本发明，所述转子轴与所述推力盘采用40Cr或45号钢制成。
根据本发明，所述锥形孔的侧面与所述径向定子铁芯的硅钢片平面之间形成的锐角为倾斜角θ，所述倾斜角θ的取值范围为30°～45°。
本发明还提供了一种风机，包括上述的磁悬浮结构。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本发明提供的磁悬浮结构通过永磁体在径向转子铁芯处产生的转子轴方向的轴向卸载力对轴向载荷进行卸载，减小轴向磁轴承负担，从而可以在设计时减小推力盘体积从而减小风摩耗，减小轴向电流，减小铜耗。同时，本发明采用径向和轴向一体化结构，减小了该磁悬浮结构的体积。
附图说明
图1是本发明实施例提供的磁悬浮结构的示意图；
图2是图1的左视图；
图3是本发明实施例提供的磁悬浮结构的磁路示意图；
图4是图3的左视图；
图5是本发明提供的风机的示意图。
图中：1：转子轴；2：轴向间隙；3：推力盘；4：轴向定子铁芯；5：轴向线圈；6：永磁体；7：径向导磁环；8：径向线圈；9：径向定子铁芯；10：锥形工作间隙；11：径向转子铁芯；12：径向定子铁芯轭部；101：磁悬浮结构；102：电机定子铁芯；103：径向磁轴承；104：叶轮。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种磁悬浮结构，包括永磁偏置磁轴承以及转子轴1；永磁偏置磁轴承包括轴向磁悬浮轴承以及设置在轴向磁悬浮轴承一侧的径向导磁环7，轴向磁悬浮轴承与导磁环通过永磁体6连接；径向导磁环7的圆环内部设有径向定子铁芯9，径向定子铁芯9由多个硅钢片叠制而成，多个硅钢片的内径自靠近轴向磁悬浮轴承的一侧到远离轴向磁悬浮轴承的一侧逐渐减小，形成内部锥形孔；还包括内外表面均设置为锥形的径向转子铁芯，径向转子铁芯的内外表面均与径向定子铁芯9的锥形孔表面相平行；径向转子铁芯设置在转子轴1的外表面；径向转子铁芯套设在径向定子铁芯9的内部，且与径向定子铁芯9之间形成锥形工作间隙；转子轴1与轴向磁悬浮轴承配合处设置有推力盘3。具体地，本实施例中径向定子铁芯9包括设置在圆环内部的4个磁极以及连接多个磁极的径向铁芯轭部，每个磁极外绕制有径向线圈8；径向铁芯轭部的外圈与径向导磁环7的内圈紧贴设置。磁极的个数不限于4个，也可以是其他的数值。轴向磁悬浮轴承包括轴向定子铁芯4以及设置在轴向定子铁芯4内部的轴向线圈5。轴向定子铁芯4与推力盘3之间留有轴向间隙2。本发明提供的磁悬浮结构通过永磁体在径向转子铁芯处产生的转子轴方向的轴向卸载力对轴向载荷进行卸载，减小轴向磁轴承负担，从而可以在设计时减小推力盘体积从而减小风摩耗，减小轴向电流，减小铜耗。
工作原理：
永磁磁路L如图3中的实线所示，永磁体6产生的磁通从永磁体6的N极出发，依次经过轴线磁悬浮轴承的定子铁芯、轴向间隙2、推力盘3、转子轴1、径向转子铁芯、径向定子铁芯9以及径向导磁环7，最终到达永磁体6的S极。永磁体6不仅同时为轴向间隙2、径向间隙提供偏置工作磁通，并且由于径向定子铁芯9内部采用了锥形结构，永磁磁通在每个锥形结构处产生了一个垂直于径向转子表面的力Fr，合力表现为Z轴负方向(设定以转子轴1与径向转子铁芯配合的一端朝向转子轴1设有推力盘3的一端为Z轴正方向)。本发明的磁悬浮结构应用在鼓风机、压缩机等场合中可以抵消由转子叶轮差产生的Z轴正方向的力。
轴向电磁磁路M如图3中虚线所示，控制磁通依次经过轴向定子铁芯4、Z轴方向上远离永磁体6的轴向间隙2、推力盘3、Z轴方向上靠近永磁体6的轴向间隙2，形成磁通闭合回路。在轴向间隙2中轴向线圈5中通过控制电流形成调节磁场，与永磁体6产生的偏置磁场进行叠加，改变推力盘3两侧轴向间隙2中的磁场强弱，从而可以产生主动调节的轴向电磁力。
径向电磁磁路P以图4中Y方向径向线圈8通电后产生的磁通为例，电磁磁场分别通过Y轴正方向锥形工作间隙、Y轴正方向径向定子铁芯9的磁极、径向定子铁芯9轭部，Y轴负方向径向定子铁芯9的磁极，Y轴负方向锥形工作间隙，最后通过径向转子铁芯形成闭合回路。在锥形工作间隙中，径向线圈8中通过控制电流形成调节磁场，与永磁体6产生的偏置磁场进行叠加，改变锥形工作间隙中的磁场强弱，从而产生可主动调节的径向电磁力。
本发明提供的磁悬浮结构产生的轴向卸载力Fz与倾斜角θ满足关系式A：
该磁悬浮结构产生的最大径向承载力Frmax与倾斜角θ满足关系式B：
关系式A、B中，μ0为真空磁导率4e-7*π，kp为磁极的极弧系数，取值为0.7～0.9；Brpm为永磁体6在磁极处产生的偏置磁密，取值为0.5～0.7；R1为锥形孔的孔径较小一段的端面孔半径，R2为锥形孔的孔径较大一段的端面孔半径；倾斜角θ为锥形孔的侧面与径向定子铁芯9的硅钢片平面之间形成的锐角。
从以上关系式可以看出，轴向卸载力Fz与cosθ平方成正比，而最大径向承载力Frmax与sinθcosθ(即sin(2θ))成正比。因此轴向卸载力Fz随着倾斜角θ的增加而减小；径向最大承载力Frmax在倾斜角θ＝45°时最大，在倾斜角θ<45°时随着倾斜角θ的增加而增加，在倾斜角θ>45°时随着倾斜角θ的增加而减小。因此，为了获得最大的轴向卸载力，同时保证较大的径向承载力，倾斜角取值范围优选为30°～45°之间。
本发明提供的磁悬浮结构通过永磁体6在径向转子铁芯处产生的转子轴1方向的轴向卸载力对轴向载荷进行卸载，减小轴向磁轴承负担，从而可以在设计时减小推力盘3体积从而减小风摩耗，减小轴向电流，减小铜耗。同时，本发明采用径向和轴向一体化结构，减小了该磁悬浮结构的体积。
进一步地，本实施例中径向导磁环7的采用电工纯铁或低碳钢制成的整体式环状结构。
进一步地，本实施例中径向定子铁芯9和径向转子铁芯采用硅钢片制成。径向导磁环7与径向定子铁芯9采用不同的材质制成，两者设置为两个相互接触的不同结构，且径向导磁环7为一实心整体式结构，保证了磁路在转角处的磁路畅通。径向转子铁芯设置为叠片状结构减少了磁损耗。
进一步地，本实施例中转子轴1与推力盘3采用40Cr或45号钢制成。保证转子轴1与推力盘3的刚度。
本发明实施例还提供了一种风机，包括电机定子铁芯102、径向磁轴承103、叶轮104以及上述的磁悬浮结构101。径向磁轴承103和电机定子铁芯102依次套设于转子轴1上，且电机定子铁芯102位于径向磁轴承103与该磁悬浮结构的轴向磁悬浮轴承之间。叶轮104固定于转子轴1设有径向磁轴承103一端的端部。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种磁悬浮结构，其特征在于：包括永磁偏置磁轴承以及转子轴；
所述永磁偏置磁轴承包括轴向磁悬浮轴承以及设置在所述轴向磁悬浮轴承一侧的径向导磁环，所述轴向磁悬浮轴承与所述导磁环通过永磁体连接；所述径向导磁环的圆环内部设有径向定子铁芯，所述径向定子铁芯由多个硅钢片叠制而成，多个所述硅钢片的内径自靠近所述轴向磁悬浮轴承的一侧到远离所述轴向磁悬浮轴承的一侧逐渐减小，形成内部锥形孔；
还包括内外表面均设置为锥形的径向转子铁芯，所述径向转子铁芯的内外表面均与所述径向定子铁芯的锥形孔表面相平行；所述径向转子铁芯设置在所述转子轴的外表面；所述径向转子铁芯套设在所述径向定子铁芯的内部，且与所述径向定子铁芯之间形成锥形工作间隙；
所述转子轴与所述轴向磁悬浮轴承配合处设置有推力盘。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮结构，其特征在于：所述径向定子铁芯包括设置在所述圆环内部的4个磁极以及连接多个所述磁极的径向铁芯轭部，每个所述磁极外绕制有径向线圈；所述径向铁芯轭部的外圈与所述径向导磁环的内圈紧贴设置。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮结构，其特征在于：所述径向导磁环采用电工纯铁或低碳钢制成的整体式环状结构。
4.根据权利要求1所述的磁悬浮结构，其特征在于：所述径向定子铁芯和径向转子铁芯采用硅钢片制成。
5.根据权利要求1所述的磁悬浮结构，其特征在于：所述转子轴与所述推力盘采用40Cr或45号钢制成。
6.根据权利要求1所述的磁悬浮结构，其特征在于：所述锥形孔的侧面与所述径向定子铁芯的硅钢片平面之间形成的锐角为倾斜角θ，所述倾斜角θ的取值范围为30°～45°。
7.一种风机，其特征在于：包括如权利要求1-6任一项所述的磁悬浮结构。
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