CN109681525B - 磁悬浮轴承及电机 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种磁悬浮轴承及电机，所述磁悬浮轴承包括第一永磁体环、第一磁极组、第二磁极组，其中：所述第一磁极组和第二磁极组分别以环绕轴孔的方式固定安装，所述第一磁极组位于所述第二磁极组的轴向内侧，且所述第一磁极组的径向尺寸小于所述第二磁极组的径向尺寸；所述第一永磁体环位于所述第二磁极组和第一磁极组之间；所述第一磁极组包括第一径向磁极部、第一轴向磁极部以及第一绕组；所述第二磁极组包括第二径向磁极部、第二轴向磁极部以及第二绕组。相对于现有同类型永磁偏置型磁悬浮轴承，本发明实施例的结构更为紧凑、体积更小、能量损耗更小。

Description

磁悬浮轴承及电机

技术领域

本发明涉及轴承领域，更具体地说，涉及一种磁悬浮轴承及电机。

背景技术

磁悬浮轴承的基本原理是利用定子铁芯与转子铁芯之间的磁场力来实现转轴的无接触支承。由于定、转子之间没有机械接触，磁悬浮轴承具有以下优点：

(1)能够承受极高的转速。采用磁悬浮轴承支承的转轴可以在超临界、每分钟数十万转的工况下运行，其圆周速度只受转轴材料强度的限制。通常来说，在轴颈直径相同的情况下，采用磁悬浮轴承支承的转轴能达到的转速比采用滚动轴承支承的转轴大约高2倍，比采用滑动轴承支承的转轴大约高3倍。

(2)摩擦功耗较小。在10000r/min时，磁悬浮轴承的功耗大约只有流体动压润滑支承的6％，只有滚动支承的17％，节能效果明显。

(3)使用寿命长，维护成本低。由于磁悬浮轴承依靠磁场力悬浮支承转轴，定、转子之间无机械接触，因此不存在由磨擦、磨损和接触疲劳所带来的寿命问题，所以磁悬浮轴承的寿命与可靠性均远高于传统的机械轴承。

(4)无需添加润滑剂。由于定、转子之间不存在机械摩擦，工作时不需要添加润滑剂，因此不存在润滑剂对环境所造成的污染问题，在禁止使用润滑剂和禁止污染的场合，如真空设备、超净无菌室等场合，磁悬浮轴承有着无可比拟的优势。

根据磁场建立方式的不同，目前的磁悬浮轴承可分为永磁型、电磁偏置型和永磁偏置型三种类型。

永磁型磁悬浮轴承主要利用磁性材料之间固有的斥力或吸力(如永磁材料之间，永磁材料与软磁材料之间)来实现转轴的悬浮，其结构简单，能量损耗少，但刚度和阻尼也都比较小。

电磁偏置型磁悬浮轴承由通入直流电的偏磁绕组在气隙中建立偏置磁场，由通入大小和方向都受到实时控制的交变电流的控制绕组来在气隙中建立控制磁场，上述偏置磁场和控制磁场在气隙中的叠加和抵消，产生了大小和方向都可以主动控制的磁场吸力，从而实现了转子的稳定悬浮。该类型的磁悬浮轴承刚度大，可以精密控制，但产生单位承载力所需的体积、重量和功耗也都比较大。

永磁偏置型磁悬浮轴承采用永磁材料替代偏磁线圈来产生所需的偏置磁场，能够较大程度地降低磁悬浮轴承的能量损耗。随着磁悬浮轴承技术在航空航天、能量存储以及能量转换等领域的广泛应用，对磁悬浮轴承的功耗、体积、性能等方面提出了越来越高的要求，永磁偏置型磁悬浮轴承的特点使它在这些领域有着不可替代的优势。然而，现有的永磁偏置型磁悬浮轴承仍然存在漏磁较大、利用率不高、体积较大、能耗较高等问题。

发明内容

本发明实施例针对上述永磁偏置型磁悬浮轴承存在漏磁较大、利用率不高、体积较大、能耗较高等问题，提供一种新的磁悬浮轴承及电机。

本发明实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种磁悬浮轴承，包括第一永磁体环、第一磁极组、第二磁极组，其中：所述第一磁极组和第二磁极组分别以环绕轴孔的方式固定安装，所述第一磁极组位于所述第二磁极组的轴向内侧，且所述第一磁极组的径向尺寸小于所述第二磁极组的径向尺寸；所述第一永磁体环位于所述第二磁极组和第一磁极组之间；

所述第一磁极组包括第一径向磁极部、第一轴向磁极部以及第一绕组，所述第一径向磁极部、第一轴向磁极部通过所述第一永磁体环在所述轴孔处建立第一偏置磁场，且所述第一径向磁极部、第一轴向磁极部通过所述第一绕组在所述轴孔处建立第一控制磁场；

所述第二磁极组包括第二径向磁极部、第二轴向磁极部以及第二绕组，所述第二径向磁极部、第二轴向磁极部通过所述第一永磁体环在所述轴孔处建立第二偏置磁场，且所述第二径向磁极部、第二轴向磁极部通过所述第二绕组在所述轴孔处建立第二控制磁场。

优选地，所述第一轴向磁极部和第一绕组分别紧贴在所述第一径向磁极部的轴向的内侧，所述第一绕组位于所述第一轴向磁极部的径向的内侧，且所述第一轴向磁极部和第一绕组的径向尺寸之和等于所述第一径向磁极部的径向尺寸。

优选地，所述第二轴向磁极部和第二绕组分别紧贴在所述第二径向磁极部的轴向的内侧，所述第二绕组位于所述第二轴向磁极部的径向的内侧，且所述第二轴向磁极部和第二绕组的径向尺寸之和等于所述第二径向磁极部的径向尺寸。

优选地，所述第二轴向磁极部的径向尺寸大于所述第一径向磁极部的径向尺寸。

优选地，所述第一永磁体环的径向尺寸与所述第一径向磁极部的径向尺寸相同，且所述第一永磁体环轴向的外侧面紧贴所述第二轴向磁极部轴向的内侧面、所述第一永磁体环轴向的内侧面紧贴所述第一径向磁极部轴向的外侧面。

本发明实施例还提供一种电机，所述电机包括定子和转子，所述转子的转轴包括轴身以及与所述轴身同轴的第一轴颈部、第二轴颈部，所述第一轴颈部连接于所述轴身的端部、所述第二轴颈部连接在所述第一轴颈部的外端，且所述第一轴颈部的直径小于所述轴身的直径、所述第二轴颈部的直径小于所述第一轴颈部的直径；所述电机还包括如上所述的磁悬浮轴承，所述转轴的第一轴颈部***到所述第一磁极组中间的通孔内、所述第二轴颈部***到所述第二磁极组中间的通孔内，且所述轴身的端面与所述第一磁极组之间具有第一气隙、所述第一轴颈部的周面与第一磁极组之间具有第二气隙、所述第一轴颈部的端面与所述第二磁极组之间具有第三气隙、所述第二轴颈部的周面与所述第二磁极组之间具有第四气隙。

优选地，所述第一气隙、第二气隙、第三气隙以及第四气隙的宽度相同。

优选地，所述第二磁极组和第一磁极组固定在所述定子的内壁上。

优选地，所述转子的转轴还包括与所述轴身同轴的第三轴颈部，所述第三轴颈部连接在所述第二轴颈部的外端，且所述第三轴颈部的直径小于所述第二轴颈部的直径；

所述磁悬浮轴承包括第三磁极组以及第二永磁体环，所述第三磁极组以环绕所述轴孔的方式固定安装，所述第三磁极组位于所述第二磁极组的轴向外侧，且所述第三磁极组的径向尺寸大于所述第二磁极组的径向尺寸；所述第二永磁体环位于所述第二磁极组和第三磁极组之间；所述第三磁极组包括第三径向磁极部、第三轴向磁极部以及第三绕组，所述第三径向磁极部、第三轴向磁极部通过所述第二永磁体环在所述轴孔处建立第三偏置磁场，且所述第三径向磁极部、第三轴向磁极部通过所述第三绕组在所述轴孔处建立第三控制磁场；

所述第三轴颈部***到所述第三磁极组中间的通孔内，且所述第二轴颈部的端面与所述第三磁极组之间具有第五气隙、所述第三轴颈部的周面与第三磁极组之间具有第六气隙。

优选地，所述第一气隙、第二气隙、第三气隙、第四气隙、第五气隙以及第六气隙的宽度相同。

本发明实施例的磁悬浮轴承及电机，通过第一永磁体建立偏置磁场、通过第一绕组和第二绕组建立控制磁场，并通过轴身的端面与第一磁极组之间、第一轴颈部的端面与第二磁极组之间的相互作用实现转子轴向的稳定悬浮，相对于现有同类型永磁偏置型磁悬浮轴承，本发明实施例的结构更为紧凑、体积更小、能量损耗更小。

附图说明

图1是本发明实施例提供的磁悬浮轴承的结构示意图；

图2是图1中A部的局部放大示意图；

图3是本发明另一实施例提供的磁悬浮轴承的局部放大示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-2所示，是本发明实施例提供的磁悬浮轴承的结构示意图，该磁悬浮轴承可应用于电机，并可实现转子的无接触支承。本实施例的磁悬浮轴承包括第一永磁体环23、第一磁极组21、第二磁极组22，其中：上述第一磁极组21以环绕轴孔(即供转轴穿过的通孔)的方式固定安装，第二磁极组22也以环绕轴孔的方式固定安装，上述第一磁极组21位于第二磁极组22的轴向内侧(即第一磁极组21和第二磁极组22安装在电机轴OO’向的不同段上，且第二磁极组22更接近电机端盖，以下以朝向端盖的一侧为轴向的外侧，背向端盖的一侧为轴向的内侧)，且第一磁极组21的径向尺寸小于第二磁极组22的径向尺寸(即第二磁极组22的径向自由端更靠近转轴的中心轴)，从而形成外小、内大的轴孔。第一永磁体环23呈片状，并位于第二磁极组22和第一磁极组21之间。

上述第一磁极组21包括第一径向磁极部211、第一轴向磁极部212以及第一绕组213(其中第一径向磁极部211、第一轴向磁极部212由导磁材料加工而成)，上述第一径向磁极部211、第一轴向磁极部212通过第一永磁体环23在轴孔处建立第一偏置磁场，且第一径向磁极部211、第一轴向磁极部212通过第一绕组213在轴孔处建立第一控制磁场。同样地，第二磁极组22包括第二径向磁极部221、第二轴向磁极部222以及第二绕组223(其中第二径向磁极部221、第二轴向磁极部222由导磁材料加工而成)，第二径向磁极部221、第二轴向磁极部222通过第一永磁体环23在轴孔处建立第二偏置磁场，且第二径向磁极部221、第二轴向磁极部222通过第二绕组223在轴孔处建立第二控制磁场。

上述磁悬浮轴承通过第一永磁体23建立偏置磁场、通过第一绕组213和第二绕组223建立控制磁场，并通过轴身的端面与第一磁极组21之间、第一轴颈部的端面与第二磁极组22之间的相互作用实现转子轴向的稳定悬浮。

具体地，在上述第一磁极组21中，第一轴向磁极部212和第一绕组213分别紧贴在第一径向磁极部211的轴向的内侧，第一绕组213位于第一轴向磁极212的径向的内侧(即靠近转轴的轴心的一侧)，且第一轴向磁极部212和第一绕组213的径向尺寸之和等于第一径向磁极部211的径向尺寸。上述第一径向磁极部211和第一轴向磁极部212可采用一体结构，且朝向轴孔一侧构成台阶形。通过上述结构，可使得第一磁极组21结构紧凑、体积较小，且由于第一径向磁极部211和第一轴向磁极部212分别紧贴第一绕组213，能量损耗相对较小。

类似地，在上述第二磁极组22中，第二轴向磁极部222和第二绕组223分别紧贴在第二径向磁极部221的轴向的内侧，第二绕组223位于第二轴向磁极222的径向的内侧，且第二轴向磁极部222和第二绕组223的径向尺寸之和等于第二径向磁极部221的径向尺寸。上述第二径向磁极部221和第二轴向磁极部222可采用一体结构，且朝向轴孔一侧构成台阶形。通过上述结构，可使得第二磁极组22结构紧凑、体积较小，且由于第二径向磁极部221和第二轴向磁极部222分别紧贴第二绕组223，能量损耗相对较小。

为更好地实现轴向支承，上述第二轴向磁极部222的径向尺寸大于第一径向磁极部211的径向尺寸，即第二轴向磁极部222突出于第一径向磁极部211。

为提高建立偏置磁场时磁场的利用率，上述第一永磁体环23的径向尺寸与第一径向磁极部211的径向尺寸相同，且第一永磁体环23轴向的外侧面紧贴第二轴向磁极部222轴向的内侧面、第一永磁体环23轴向的内侧面紧贴第一径向磁极部211轴向的外侧面。通过上述结构，不仅使得第一磁极组21和第二磁极组22可通过同一第一永磁体环23建立偏置磁场，而且可使得磁悬浮轴承的结构更加紧凑。

结合图1、图2，本发明实施例还提供一种电机，该包括定子、转子以及如上所述的磁悬浮轴承。上述转子的转轴包括轴身11以及与轴身11同轴的第一轴颈部12、第二轴颈部13，其中第一轴颈部12连接于轴身11的端部、第二轴颈部13连接在第一轴颈部12的外端，且第一轴颈部12的直径小于轴身11的直径、第二轴颈部13的直径小于第一轴颈部12的直径，即在转轴的端部形成两级阶梯形。

上述转轴的第一轴颈部12***到第一磁极组21中间的通孔(即轴孔对应于第一磁极组21所在位置的段)内、第二轴颈部13***到第二磁极组22中间的通孔(即轴孔对应于第二磁极组22所在位置的段)内，且轴身11的端面与第一磁极组21之间具有第一气隙31、第一轴颈部12的周面与第一磁极组21之间具有第二气隙32、第一轴颈部12的端面与第二磁极组22之间具有第三气隙33、第二轴颈部13的周面与第二磁极组22之间具有第四气隙34。并通过上述第一气隙31和第三气隙33可实现磁场能量的储存。

上述第一气隙31和第三气隙33分别沿电机的径向设置，第二气隙32以及第四气隙34则沿电机的周向设置，且第一气隙31、第二气隙32、第三气隙33以及第四气隙34收尾依次相通，从而使上述磁悬浮轴承与转轴无接触。

优选地，上述第一气隙31、第二气隙32、第三气隙33以及第四气隙34的宽度相同，即第一气隙31的轴向尺寸、第二气隙32的径向尺寸、第三气隙33的轴向尺寸以及第四气隙34径向尺寸相同，从而使电机的磁悬浮轴承位置结构紧凑，漏磁较小。

为减小外部振动对转轴悬浮的影响，上述磁悬浮轴承中的第二磁极组22和第一磁极组21固定在定子的内壁上。装配时，可先将转轴置于定子内，再将磁悬浮轴承固定到定子。当然，在实际应用中，上述磁悬浮轴承中的第二磁极组22和第一磁极组21也可固定在机壳或端盖。

如图3所示，对于具有较大质量和尺寸的转轴的电机，其转轴除了包括第一轴颈部12和第二轴颈部13外，还可包括与轴身同轴的第三轴颈部14，该第三轴颈部14连接在第二轴颈部13的外端，且第三轴颈部14的直径小于第二轴颈部13的直径。

相应地，磁悬浮轴承包括第三磁极组以及第二永磁体环25，上述第三磁极组以环绕轴孔的方式固定安装，第三磁极组位于第二磁极组22的轴向外侧，且第三磁极组的径向尺寸大于第二磁极组22的径向尺寸。第二永磁体环25位于第二磁极组22和第三磁极组之间。类似地，上述第三磁极组包括第三径向磁极部241、第三轴向磁极部242以及第三绕组243，第三径向磁极部241、第三轴向磁极部242通过第二永磁体环25在轴孔处建立第三偏置磁场，且第三径向磁极部241、第三轴向磁极部242通过第三绕组243在轴孔处建立第三控制磁场。

在上述第三磁极组中，第三轴向磁极部242和第三绕组243分别紧贴在第三径向磁极部241的轴向的内侧，第三绕组243位于第三轴向磁极242的径向的内侧，且第三轴向磁极部242和第三绕组243的径向尺寸之和等于第三径向磁极部241的径向尺寸。上述第三径向磁极部241和第三轴向磁极部242可采用一体结构，且朝向轴孔一侧构成台阶形。通过上述结构，可使得第三磁极组结构紧凑、体积较小，且由于第三径向磁极部241和第三轴向磁极部242分别紧贴第三绕组243，能量损耗相对较小。

上述第三轴颈部14***到第三磁极组中间的通孔内，且第二轴颈部13的端面与第三磁极组之间具有第五气隙35、第三轴颈部14的周面与第三磁极组之间具有第六气隙36。上述第五气隙35可实现磁场能量的储存，且第五气隙35和第六气隙36与第一气隙31、第二气隙32、第三气隙33、第四气隙34相通。

同样地，为了使电机结构紧凑，减少漏磁，上述第一气隙31、第二气隙32、第三气隙33、第四气隙34、第五气隙35以及第六气隙36的宽度相同。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种磁悬浮轴承，其特征在于，包括第一永磁体环、第一磁极组、第二磁极组，其中：所述第一磁极组和第二磁极组分别以环绕轴孔的方式固定安装，所述第一磁极组位于所述第二磁极组的轴向内侧，且所述第一磁极组的径向尺寸小于所述第二磁极组的径向尺寸；所述第一永磁体环位于所述第二磁极组和第一磁极组之间；

所述第一磁极组包括第一径向磁极部、第一轴向磁极部以及第一绕组，所述第一径向磁极部、第一轴向磁极部通过所述第一永磁体环在所述轴孔处建立第一偏置磁场，且所述第一径向磁极部、第一轴向磁极部通过所述第一绕组在所述轴孔处建立第一控制磁场；

所述第二磁极组包括第二径向磁极部、第二轴向磁极部以及第二绕组，所述第二径向磁极部、第二轴向磁极部通过所述第一永磁体环在所述轴孔处建立第二偏置磁场，且所述第二径向磁极部、第二轴向磁极部通过所述第二绕组在所述轴孔处建立第二控制磁场。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一轴向磁极部和第一绕组分别紧贴在所述第一径向磁极部的轴向的内侧，所述第一绕组位于所述第一轴向磁极部的径向的内侧，且所述第一轴向磁极部和第一绕组的径向尺寸之和等于所述第一径向磁极部的径向尺寸。

3.根据权利要求2所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述第二轴向磁极部和第二绕组分别紧贴在所述第二径向磁极部的轴向的内侧，所述第二绕组位于所述第二轴向磁极部的径向的内侧，且所述第二轴向磁极部和第二绕组的径向尺寸之和等于所述第二径向磁极部的径向尺寸。

4.根据权利要求3所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述第二轴向磁极部的径向尺寸大于所述第一径向磁极部的径向尺寸。

5.根据权利要求3所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一永磁体环的径向尺寸与所述第一径向磁极部的径向尺寸相同，且所述第一永磁体环轴向的外侧面紧贴所述第二轴向磁极部轴向的内侧面、所述第一永磁体环轴向的内侧面紧贴所述第一径向磁极部轴向的外侧面。

6.一种电机，包括定子和转子，其特征在于，所述转子的转轴包括轴身以及与所述轴身同轴的第一轴颈部、第二轴颈部，所述第一轴颈部连接于所述轴身的端部、所述第二轴颈部连接在所述第一轴颈部的外端，且所述第一轴颈部的直径小于所述轴身的直径、所述第二轴颈部的直径小于所述第一轴颈部的直径；所述电机还包括如权利要求1-5中任一项所述的磁悬浮轴承，所述转轴的第一轴颈部***到所述第一磁极组中间的通孔内、所述第二轴颈部***到所述第二磁极组中间的通孔内，且所述轴身的端面与所述第一磁极组之间具有第一气隙、所述第一轴颈部的周面与第一磁极组之间具有第二气隙、所述第一轴颈部的端面与所述第二磁极组之间具有第三气隙、所述第二轴颈部的周面与所述第二磁极组之间具有第四气隙。

7.根据权利要求6所述的电机，其特征在于，所述第一气隙、第二气隙、第三气隙以及第四气隙的宽度相同。

8.根据权利要求6所述的电机，其特征在于，所述第二磁极组和第一磁极组固定在所述定子的内壁上。

9.根据权利要求6所述的电机，其特征在于，所述转子的转轴还包括与所述轴身同轴的第三轴颈部，所述第三轴颈部连接在所述第二轴颈部的外端，且所述第三轴颈部的直径小于所述第二轴颈部的直径；

所述磁悬浮轴承包括第三磁极组以及第二永磁体环，所述第三磁极组以环绕所述轴孔的方式固定安装，所述第三磁极组位于所述第二磁极组的轴向外侧，且所述第三磁极组的径向尺寸大于所述第二磁极组的径向尺寸；所述第二永磁体环位于所述第二磁极组和第三磁极组之间；所述第三磁极组包括第三径向磁极部、第三轴向磁极部以及第三绕组，所述第三径向磁极部、第三轴向磁极部通过所述第二永磁体环在所述轴孔处建立第三偏置磁场，且所述第三径向磁极部、第三轴向磁极部通过所述第三绕组在所述轴孔处建立第三控制磁场；

所述第三轴颈部***到所述第三磁极组中间的通孔内，且所述第二轴颈部的端面与所述第三磁极组之间具有第五气隙、所述第三轴颈部的周面与第三磁极组之间具有第六气隙。

10.根据权利要求9所述的电机，其特征在于，所述第一气隙、第二气隙、第三气隙、第四气隙、第五气隙以及第六气隙的宽度相同。

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