CN111173838B - 径向无耦合三自由度直流混合磁轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种径向无耦合三自由度直流混合磁轴承，包括径向定子、轴向定子和位于定子内圈的转子，径向定子由左径向铁心和右径向铁心组成；左、右径向铁心分别沿内圆周均匀分布两个悬浮齿；左右定子铁心的外侧分别为左、右径向磁化永磁环；悬浮齿上均绕制集中式径向控制绕组；轴向定子由左轴向铁心和右轴向铁心组成；在左径向铁心和右径向铁心两侧，且靠近轴向定子内侧设置有相串联的轴向控制绕组；所述转子包括圆柱形转子铁心与转轴。本发明由永磁环作用提供静态偏置磁通，径向控制绕组通电产生的径向控制磁通调节相应的偏置磁通；该结构的混合磁轴承X和Y方向悬浮独立设计，实现悬浮力在X‑Y方向无耦合，控制简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种非机械接触磁轴承，特指一种径向无耦合三自由度直流混合磁轴承，可作为飞轮***、机床电主轴、离心机等高速传动部件的无接触悬浮支承。
背景技术
磁轴承是利用定子和转子之间的电磁力将转子悬浮于空间，使定、转子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承。目前，磁轴承按照磁力提供的方式分为以下三种：（1）主动磁轴承，由偏置电流产生偏置磁场，控制电流产生的控制磁通与偏置磁通相互叠加，从而产生可控的悬浮力，该种磁轴承体积、重量和功耗都比较大；（2）被动磁轴承，悬浮力完全由永磁体提供，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；（3）混合磁轴承，是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，控制电流仅提供平衡负载或干扰的控制磁通，大大降低了磁轴承的功率损耗，缩小了磁轴承的体积，减轻其重量，并提高了承载能力。
现有的混合磁轴承结构共性都是径向所有悬浮齿在同一平面的单片结构设计，径向悬浮齿绕制控制绕组产生径向控制磁通，与相应的偏置磁通相互作用产生径向悬浮力。该结构的混合磁轴承径向两自由度悬浮在单片中实现，导致悬浮力在XY方向存在耦合，控制复杂。
发明内容
本发明的目的是提出一种可简化控制，结构紧凑，制造与装配方便的径向无耦合三自由度直流混合磁轴承,采用双片式结构，X-Y两个方向的悬浮分别由独立的定子铁心实现，悬浮力在X-Y方向无耦合，控制简单。
本发明通过以下技术方案实现：
一种径向无耦合三自由度直流混合磁轴承，包括径向定子、轴向定子和位于定子内圈的转子，所述径向定子包括左径向铁心和右径向铁心，所述转子包括转子铁心与转轴；所述左径向铁心沿内圆周且与+x轴和-x轴方向对称位置均匀分布两个悬浮齿；右径向铁心沿内圆周且与+y轴和-y轴方向对齐位置均匀分布两个悬浮齿；所述四个悬浮齿均为曲折型结构，其靠近转子铁心一端面与所述转子铁心圆周面匹配，且其与所述转子铁心轴向宽度相同且位置正对，悬浮齿与转子铁心间形成了气隙长度相等的径向气隙；所述悬浮齿上均绕制集中式径向控制绕组；所述左、右径向铁心的外侧分别设置左、右径向磁化永磁环；
所述轴向定子包括左轴向铁心和右轴向铁心，所述左、右轴向铁心的内径与左、右径向磁化永磁环的外径相同且其分别套设于左、右径向磁化永磁环上；所述左、右径向铁心相对外侧且靠近左、右轴向铁心内环壁设置有一对相互串联的轴向控制绕组，所述转轴贯穿于所述转子铁心、左、右轴向铁心以及左、右径向铁心内。
进一步地，所述左、右轴向铁心相对设置，其相对远离一侧面均设置封闭面，所述左、右轴向铁心上的封闭面上均以中心为圆心向内延伸形成一圆柱环，所述圆柱环内径略大于转轴外径且其延伸至靠近转子铁心处，与所述转子铁心左、右侧面之间分别形成左、右轴向气隙。
进一步地，所述左轴向气隙与所述右轴向气隙宽度相同。
进一步地，所述左、右径向铁心、左、右轴向铁心和转子铁心均由导磁材料制成；
进一步地，所述左、右径向磁化永磁环为稀土永磁材料制成。
有益效果：
1．本发明由永磁环作用提供静态偏置磁通，径向控制绕组通电产生的径向控制磁通调节相应的偏置磁通；该结构的混合磁轴承X和Y方向悬浮独立设计，采用双片式结构，并且将悬浮齿设计成曲折型结构，使X方向与Y方向的悬浮齿与转子铁心共面，实现悬浮力在X-Y方向无耦合，控制简单。
2．本发明增加一对轴向定子，使得本发明混合磁轴承产生三自由度。
附图说明
图1为本发明径向无耦合三自由度直流混合磁轴承结构图；
图2为本发明左、右轴向铁心结构图；
图3为本发明径向无耦合三自由度直流混合磁轴承悬浮磁通图。
1-左径向铁心，101-悬浮齿A，102-悬浮齿B，2-右径向铁心，201-悬浮齿C，202-悬浮齿D，3-左轴向铁心，301-左封闭面，302-左圆柱环，4-右轴向铁心，401-右封闭面，402-右圆柱环，5-左径向磁化永磁环，6-右径向磁化永磁环，7-左轴向控制绕组，8-径向控制绕组，9-右轴向控制绕组，10-转子铁心，11-转轴，12-静态偏置磁通，13-右轴向气隙，14-径向气隙，15-轴向控制磁通，16-左轴向气隙。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体介绍。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、 “顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
具体结构如图1所示，本发明公开的径向无耦合三自由度直流混合磁轴承，包括径向定子、轴向定子和位于定子内圈的转子。
径向定子包括左径向铁心1和右径向铁心2，左径向铁心1和右径向铁心2为尺寸相同的圆环结构，左径向铁心1沿内圆周均匀分布两个悬浮齿，分别记为悬浮齿A 101和悬浮齿B 102，悬浮齿A 101和悬浮齿B 102分别与+x轴和-x轴方向对齐。右径向铁心2沿内圆周均匀分布两个悬浮齿，分别记为悬浮齿C 201、悬浮齿D 202，悬浮齿C 201、悬浮齿D 202分别与+y轴和-y轴方向对齐。参见附图1，即悬浮齿A与悬浮齿B位于左径向铁心1内圆环直径的两端，悬浮齿C与悬浮齿D位于右径向铁心2内圆环的直径两端，而且悬浮齿A与悬浮齿B的连线与悬浮齿C与悬浮齿D的连线垂直。
转子包括圆柱形转子铁心10与转轴11，转轴11贯穿于转子铁心10上。
左、右径向铁心（1、2）的外侧分别设置左、右径向磁化永磁环（5、6）。四个悬浮齿A101、悬浮齿B102、悬浮齿C201、悬浮齿D202均为曲折型结构，参见附图3。悬浮齿A101、悬浮齿B102、悬浮齿C201、悬浮齿D202与转子铁心10垂直部分的左右边缘的正视投影重合，即四个悬浮齿靠近转子铁心10一端与转子铁心10轴向宽度相同且位置正对，而且这四个悬浮齿靠近转子铁心10的一端面为弧形端面，其弧度与转子铁心10圆周面弧度匹配。四个悬浮齿与转子铁心10间形成了气隙长度相等的径向气隙14。悬浮齿A101、悬浮齿B102、悬浮齿C201、悬浮齿D202上均绕制集中式径向控制绕组8。
轴向定子包括左轴向铁心3和右轴向铁心4，左轴向铁心3与右轴向铁心4为相对设置的外径相同的圆环结构，左轴向铁心3左侧面设置左封闭面301，右轴向铁心4的有侧面设置右封闭面401。这样左轴向铁心3与右轴向铁心4两者组合形成一个圆柱形，在左、右轴向铁心（3、4）上的封闭面均以圆心为中心向内延伸形成一圆柱环，参见附图2，左轴向铁心3的左封闭面301以中心点为原点向靠近右轴向铁心4一侧延伸，形成左圆柱环302，右轴向铁心4的右封闭面401以中心点为原点向靠近左轴向铁心3一侧延伸，形成右圆柱环402。左圆柱环302与右圆柱环402内径略大于转轴11外径，转轴11贯穿于转子铁心10后亦贯穿于左圆柱环302与右圆柱环402内。左圆柱环302靠近转子铁心10的左侧面处，与转子铁心10的左侧面之间形成左轴向气隙16，右圆柱环402靠近转子铁心10的右侧面处，与转子铁心10的右侧面之间形成右轴向气隙13。左轴向气隙16与右轴向气隙13的宽度相同。
左、右轴向铁心（3、4）的圆环内径与左、右径向磁化永磁环（5、6）的外径相同，这样左轴向铁心3套在左径向磁化永磁环5上，右轴向铁心4套在右径向磁化永磁环6上。因为左、右轴向铁心（3、4）的左、右侧面均设置一个封闭面，所以左、右径向磁化永磁环（5、6）与左、右径向铁心（1、2）以及转子铁心10等均设置在左、右轴向铁心（3、4）内，参见附图2。
在左径向铁心1的左侧且靠近左轴向铁心3的左封闭面301处设置左轴向控制绕组7，在右径向铁心2且靠近右轴向铁心4的右封闭面401处设置右轴向控制绕组9，左轴向控制绕组7与右轴向控制绕组9两者相互串联且其外径与左、右轴向铁心（3、4）的圆环内径相等。
右径向磁化永磁环6产生的静态偏置磁通12，从N极出发，通过右轴向铁心4，右轴向气隙13，转子铁心10，径向气隙14，右轴向铁心2上的悬浮齿C201、悬浮齿D202，回到S极。永磁环5在左轴向铁心1上产生的偏置磁通原理相同。
径向控制绕组8在左径向铁心1上产生的径向控制磁通，通过左径向铁心1的轭部，悬浮齿A101、B102和转子铁心10形成闭合回路。在右径向铁心2上产生的径向控制磁通原理相同。
左、右轴向控制绕组（7、9）产生的轴向控制磁通15，通过左、右轴向铁心（3、4）和左、右轴向气隙（16、13）形成闭合路径。
悬浮原理：由静态偏置磁通12分别与径向控制磁通和轴向控制磁通15相互作用，使得与转子径向偏心方向相同一侧气隙磁场叠加减弱，而相反方向气隙磁场叠加增强，在转子上产生与转子偏移方向相反的力，将转子拉回径向平衡位置。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种径向无耦合三自由度直流混合磁轴承，包括径向定子、轴向定子和位于定子内圈的转子，其特征在于，
所述径向定子包括左径向铁心和右径向铁心，所述转子包括转子铁心与转轴；所述左径向铁心沿内圆周且与+x轴和-x轴方向对称位置均匀分布两个悬浮齿；右径向铁心沿内圆周且与+y轴和-y轴方向对称位置均匀分布两个悬浮齿；所述四个悬浮齿均为曲折型结构，其靠近转子铁心一端面与所述转子铁心圆周面匹配，且其与所述转子铁心轴向宽度相同且位置正对，悬浮齿与转子铁心间形成了气隙长度相等的径向气隙；所述悬浮齿上均绕制集中式径向控制绕组；所述左、右径向铁心的外侧分别设置左、右径向磁化永磁环；
所述轴向定子包括左轴向铁心和右轴向铁心，所述左、右轴向铁心的内径与左、右径向磁化永磁环的外径相同且其分别套设于左、右径向磁化永磁环上；所述左、右径向铁心相对外侧且靠近左、右轴向铁心内环壁设置有一对相互串联的轴向控制绕组，所述转轴贯穿于所述转子铁心、左、右轴向铁心以及左、右径向铁心内；
所述左、右轴向铁心相对设置，其相对远离一侧面均设置封闭面，所述左、右轴向铁心上的封闭面上均以中心为圆心向内延伸形成一圆柱环，所述圆柱环内径略大于转轴外径且其延伸至靠近转子铁心处，与所述转子铁心左、右侧面之间分别形成左、右轴向气隙；
所述左轴向气隙与所述右轴向气隙宽度相同；
所述左、右径向铁心、左、右轴向铁心和转子铁心均由导磁材料制成；
所述左、右径向磁化永磁环为稀土永磁材料制成。
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Legal Events
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Application publication date: 20200519 Assignee: Shanghai Yanqiao Information Technology Co.,Ltd. Assignor: HUAIYIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980047724 Denomination of invention: Radial uncoupled three degree of freedom DC hybrid magnetic bearing Granted publication date: 20230526 License type: Common License Record date: 20231121 |
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