CN117366103A - 一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承及其设计方法 - Google Patents

一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承及其设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN117366103A
CN117366103A CN202311201122.2A CN202311201122A CN117366103A CN 117366103 A CN117366103 A CN 117366103A CN 202311201122 A CN202311201122 A CN 202311201122A CN 117366103 A CN117366103 A CN 117366103A
Authority
CN
China
Prior art keywords
radial
permanent magnet
magnet ring
air gap
pole
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202311201122.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN117366103B (zh
Inventor
姚俊永
唐霄
姚瑶
叶小婷
张涛
武莎莎
张晨
鲁庆
莫丽红
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huaiyin Institute of Technology
Original Assignee
Huaiyin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huaiyin Institute of Technology filed Critical Huaiyin Institute of Technology
Priority to CN202311201122.2A priority Critical patent/CN117366103B/zh
Publication of CN117366103A publication Critical patent/CN117366103A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN117366103B publication Critical patent/CN117366103B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F16C32/0474—Active magnetic bearings for rotary movement
    • F16C32/0487—Active magnetic bearings for rotary movement with active support of four degrees of freedom

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Abstract

本发明公开了一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承及其设计方法。由定子和转子组成，转子包括转子铁心和转轴，定子铁心分为铁心I、II、III，I与II之间有主永磁环提供偏置磁通，II与III之间有辅助永磁环提供补偿偏置磁通。I与II内圆周均布有四个磁极，其上有线圈。设计方法包括：根据两侧最大悬浮力和饱和气隙磁密确定各自的磁极面积；以悬浮力小侧的偏置磁密达到饱和值的一半确定主永磁环参数；计算另一侧偏置磁密差值并确定辅助永磁环参数；最后，确定两侧悬浮线圈参数。本发明可设计出两侧悬浮力不等的四自由度混合磁轴承，满足实际应用需求，并充分利用材料。

Description

一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承及其设计方法
技术领域
本发明涉及磁悬浮轴承技术领域，具体涉及一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承及其设计方法。
背景技术
磁悬浮轴承是借助磁力作用产生悬浮力，从而使转子悬浮的一种区别于传统轴承的非接触式轴承。径向四自由度混合磁轴承常采取双侧双自由度独立悬浮的方法，兼备磁轴承无摩擦，无磨损，不需润滑及密封，高速度，高精度及使用寿命长等特点，基于以上的优点使其在超高速超精密数控机、磁悬浮电机、飞轮储能技术及人造卫星等悬浮支承***中有着重要的应用价值和发展前景。
在磁悬浮电机方案中，常采用两个独立的两自由度混合磁轴承支承电机转子径向四自由度悬浮，造成磁悬浮电机体积庞大，临界转速低，悬浮力密度和转矩密度不大。因此，可将上述两个独立的两自由度混合磁轴承集成在一起，由一个永磁环给两侧的径向两自由度混合磁轴承提供偏置磁通，这种结构的四自由度混合磁轴承优势明显，但是在设计过程中，常采用左右对称结构，气隙长度、磁极面积等参数均相同，两侧的径向悬浮力相等。众所周知，负载常常安装在电机轴的一端，导致转子两侧的负载力分配不均匀，如果按照现有方法设计四自由度混合磁轴承，会导致靠近负载一侧控制绕组会超过额定电流，严重时会烧毁绕组，所以，为解决上述问题，混合磁轴承设计都留有很大的设计余量，用铜量和用铁量增大，浪费材料。
发明内容
针对背景技术中指出的问题，本发明提出一种悬浮力不对称的四自由度混合磁轴承及其设计方法，由一个主永磁环提供两侧径向偏置磁通，由辅助永磁环提供辅助磁通，使两侧径向悬浮力可以独立设计，不受两侧磁极面积的固定比例限制，并充分利用材料。
技术方案：本发明公开了一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承，包括定子组件和转子组件，其特征在于，定子组件包括铁心I、铁心II、主永磁环、铁心III、辅助永磁环、左控制线圈，右控制线圈；主永磁环、辅助永磁环将所述铁心I、铁心II以及铁心III连接为一个整体，所述铁心I、铁心II内圆周均分布4个径向磁极，分为左径向磁极、右径向磁极两组，其上分别环绕左、右径向控制线圈；所述铁心III是圆盘型辅助磁极；所述转子组件包括转子铁心以及转轴，所述转轴贯穿所述转子铁心。
进一步地，所述右径向磁极与转子铁心之间存在右径向气隙，左径向磁极与转子铁心之间存在左径向气隙，辅助磁极与转子铁心之间存在辅助径向气隙。
进一步地，所述左径向磁极的单个磁极面积S左＜右径向磁极的单个磁极面积S右，辅助磁极面积为右径向磁极面积之和与左径向磁极径向磁极面积之和之差的一半。
进一步地，所述主永磁环、辅助永磁环均为轴向磁化，并且主永磁环和辅助永磁环面向定子铁心II一侧的极性相同。
进一步地，铁心Ⅰ、铁心Ⅱ、铁心Ⅲ与转子铁心由实心导磁材料制作。
进一步地，所述主永磁环提供偏置磁通；偏置磁通从主永磁环的N极出发，通过铁心II、右径向磁极、右径向气隙、转子铁心、左径向气隙、左径向磁极、铁心I回到主永磁环的S极；所述辅助永磁环提供补偿偏置磁通，补偿偏置磁通从辅助永磁环的N极出发，通过铁心III、铁心II、右径向磁极、右径向气隙、转子铁心、辅助径向气隙、辅助磁极、铁心III回到辅助永磁环的S极；所述左径向控制线圈产生的径向控制磁通经过左径向磁极、左径向气隙、转子铁心、左径向气隙、左径向磁极、铁心I形成回路；所述右径向控制线圈(8)产生的径向控制磁通经过右径向磁极、右径向气隙、转子铁心、右径向气隙、右径向磁极、铁心II形成回路。
进一步地，所述主永磁环为左、右径向气隙提供偏置磁通，让左径向气隙的气隙偏置磁密到达气隙饱和磁密的一半，右径向气隙的气隙偏置磁密小于气隙饱和磁密的一半，右径向气隙处所缺少的气隙偏置磁密让辅助永磁环提供。
本发明还公开一种基于上述一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承的设计方法，步骤如下：
步骤1：选定主永磁环、辅助永磁环材料，确定气隙饱和磁密Bs，确定各气隙长度，其中g左、g右为左、右径向气隙长度，ga为辅助径向气隙长度；
步骤2：根据给定的径向最大悬浮力F左与F右，且F左＜F右确定左径向磁极的单个磁极面积S左、右径向磁极的单个磁极面积S右：μ0为真空磁导率，μ0＝4π×10-7H/m；
步骤3：确定主永磁环的磁动势Fm：
步骤4：确定辅助磁极的面积S辅：S辅＝0.5(S右-S左)；
步骤5：确定辅助永磁环需要提供的偏置磁通Φa：Φa＝0.5BsS辅；
步骤6：确定辅助永磁环的参数Fa：
步骤7：确定左、右控制线圈参数：其中Ni为线圈的安匝数。
本发明和现有技术相比有以下优点：
本发明通过主永磁环为左、右径向气隙提供偏置磁通，让左径向气隙的气隙磁通密度到达饱和磁密的一半，而右径向气隙的气隙磁密小于饱和磁密的一半，右径向气隙处所缺少的磁密由辅助永磁环提供，保持转子的稳定悬浮，突破两侧径向磁极面积的比例限制，使两侧径向悬浮力可以独立设计并充分利用材料。
附图说明
图1为本发明一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承的结构图；
图2为本发明一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承的轴向图(右)；
图3为本发明一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承的轴向图(左)。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明公开了一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承及其设计方法，包括定子组件1和转子组件2，定子组件包括铁心Ⅰ21、铁心Ⅱ3、主永磁环4、铁心Ⅲ5、辅助永磁环6、左控制线圈7，右控制线圈8，主永磁环4、辅助永磁环6将所述铁心I21、铁心II3以及铁心III5连接为一个整体，铁心I21、铁心II3内圆周均分布4个径向磁极，分为左径向磁极15、右径向磁极17两组，其上分别环绕左、右径向控制线圈7、8。铁心III5是圆盘型辅助磁极11转子组件包括转子铁心10以及转轴9，转轴9贯穿转子铁心10。
右径向磁极17与转子铁心10之间存在右径向气隙13，左径向磁极15与转子铁心10之间存在左径向气隙16，辅助磁极11与转子铁心10之间存在辅助径向气隙12。
右径向磁极17的单个磁极面积大于左径向磁极15的单个磁极面积，辅助磁极11面积为右径向磁极17面积之和与左径向磁极径向磁极面积之和之差的一半。主永磁环4为轴向磁化，辅助永磁体6为轴向充磁，并且主永磁环4和辅助永磁环6面向定子铁心II3一侧的极性相同。
铁心Ⅰ、铁心Ⅱ、铁心Ⅲ与转子铁心由实心导磁材料制作。
主永磁环4提供偏置磁通18，偏置磁通18从主永磁环4的N极出发，通过铁心Ⅱ3、右径向磁极17、右径向气隙13、转子铁心10、左径向气隙16、左径向磁极15、铁心Ⅰ21回到主永磁环4的S极。
辅助永磁环6提供补偿偏置磁通14，补偿偏置磁通14从辅助永磁环6的N极出发，通过铁心Ⅲ5、铁心Ⅱ3、右径向磁极17、右径向气隙13、转子铁心10、辅助径向气隙12、辅助磁极11、铁心Ⅲ5回到辅助永磁环6的S极。
左径向控制线圈7产生的径向控制磁通19经过左径向磁极15、左径向气隙16、转子铁心10、左径向气隙16、左径向磁极15、铁心Ⅰ21形成回路。
右径向控制线圈8产生的径向控制磁通22经过右径向磁极17、右径向气隙13、转子铁心10、右径向气隙13、右径向磁极17、铁心Ⅱ3形成回路。
主永磁环4为左、右径向气隙16、13提供偏置磁通18，让左径向气隙16的气隙偏置磁密到达气隙饱和磁密的一半，右径向气隙13的气隙偏置磁密小于气隙饱和磁密的一半，右径向气隙13处所缺少的气隙偏置磁密让辅助永磁环6提供。
永磁环、辅助永磁环参数设计方法具体步骤如下：
步骤1：选定主永磁环4、辅助永磁环6材料，确定气隙饱和磁密Bs，确定各气隙长度，其中g左、g右为左、右径向气隙长度16、13，ga为辅助径向气隙长度12。
步骤2：根据给定的径向最大悬浮力F左与F右，且F左＜F右确定S左、S右：μ0为真空磁导率，μ0＝4π×10-7H/m。
步骤3：确定主永磁环的磁动势Fm：
步骤4：确定辅助磁极的面积S辅：S辅＝0.5(S右-S左)。
步骤5：确定辅助永磁环需要提供的偏置磁通Φa：Φa＝0.5BsS辅。
步骤6：确定辅助永磁环的参数Fa：
步骤7：确定左、右控制线圈参数：
其中Ni为线圈的安匝数。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承，其特征在于：包括定子组件(1)和转子组件(2)，其特征在于，定子组件(1)包括铁心I(21)、铁心II(3)、主永磁环(4)、铁心III(5)、辅助永磁环(6)、左控制线圈(7)，右控制线圈(8)；主永磁环(4)、辅助永磁环(6)将所述铁心I(21)、铁心II(3)以及铁心III(5)连接为一个整体，所述铁心I(21)、铁心II(3)内圆周均分布4个径向磁极，分为左径向磁极(15)、右径向磁极(17)两组，其上分别环绕左、右径向控制线圈(7、8)；所述铁心III(5)是圆盘型辅助磁极(11)；所述转子组件(2)包括转子铁心(10)以及转轴(9)，所述转轴(9)贯穿所述转子铁心(10)。
2.根据权利要求1所述的一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承，其特征在于，所述右径向磁极(17)与转子铁心(10)之间存在右径向气隙(13)，左径向磁极(15)与转子铁心(10)之间存在左径向气隙(16)，辅助磁极(11)与转子铁心(10)之间存在辅助径向气隙(12)。
3.根据权利要求1所述的一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承，其特征在于，所述左径向磁极(15)的单个磁极面积S左＜右径向磁极(17)的单个磁极面积S右，辅助磁极(11)面积为右径向磁极(17)面积之和与左径向磁极径向磁极面积之和之差的一半。
4.根据权利要求1所述的一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承，其特征在于，所述主永磁环(4)、辅助永磁环(6)均为轴向磁化，并且主永磁环(4)和辅助永磁环(6)面向定子铁心II(3)一侧的极性相同。
5.根据权利要求1所述的一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承，其特征在于，铁心Ⅰ(21)、铁心Ⅱ(3)、铁心Ⅲ(5)与转子铁心由实心导磁材料制作。
6.根据权利要求2所述的一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承，其特征在于，所述主永磁环(4)提供偏置磁通(18)；偏置磁通(18)从主永磁环(4)的N极出发，通过铁心II(3)、右径向磁极(17)、右径向气隙(13)、转子铁心(10)、左径向气隙(16)、左径向磁极(15)、铁心I(21)回到主永磁环(4)的S极；所述辅助永磁环(6)提供补偿偏置磁通(14)，补偿偏置磁通(14)从辅助永磁环(6)的N极出发，通过铁心III(5)、铁心II(3)、右径向磁极(17)、右径向气隙(13)、转子铁心(10)、辅助径向气隙(12)、辅助磁极(11)、铁心III(5)回到辅助永磁环(6)的S极；所述左径向控制线圈(7)产生的径向控制磁通(19)经过左径向磁极(15)、左径向气隙(16)、转子铁心(10)、左径向气隙(16)、左径向磁极(15)、铁心I(21)形成回路；所述右径向控制线圈(8)产生的径向控制磁通(22)经过右径向磁极(17)、右径向气隙(13)、转子铁心(10)、右径向气隙(13)、右径向磁极(17)、铁心II(3)形成回路。
7.根据权利要求6所述的一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承，其特征在于，所述主永磁环(4)为左、右径向气隙(16)、(13)提供偏置磁通(18)，让左径向气隙(16)的气隙偏置磁密到达气隙饱和磁密的一半，右径向气隙(13)的气隙偏置磁密小于气隙饱和磁密的一半，右径向气隙(13)处所缺少的气隙偏置磁密让辅助永磁环(6)提供。
8.一种基于权利要求2所述的一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承的设计方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：选定主永磁环(4)、辅助永磁环(6)材料，确定气隙饱和磁密Bs，确定各气隙长度，其中g左、g右为左、右径向气隙长度(16、13)，ga为辅助径向气隙(12)长度；
步骤2：根据给定的径向最大悬浮力F左与F右，且F左＜F右确定左径向磁极(15)的单个磁极面积S左、右径向磁极(17)的单个磁极面积S右：μ0为真空磁导率，μ0＝4π×10-7H/m；
步骤3：确定主永磁环的磁动势Fm：
步骤4：确定辅助磁极的面积S辅：S辅＝0.5(S右-S左)；
步骤5：确定辅助永磁环需要提供的偏置磁通Φa：Φa＝0.5BsS辅；
步骤6：确定辅助永磁环的参数Fa：
步骤7：确定左、右控制线圈参数：其中Ni为线圈的安匝数。
CN202311201122.2A 2023-09-15 2023-09-15 一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承及其设计方法 Active CN117366103B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311201122.2A CN117366103B (zh) 2023-09-15 2023-09-15 一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承及其设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311201122.2A CN117366103B (zh) 2023-09-15 2023-09-15 一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承及其设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN117366103A true CN117366103A (zh) 2024-01-09
CN117366103B CN117366103B (zh) 2024-06-21

Family

ID=89388251

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311201122.2A Active CN117366103B (zh) 2023-09-15 2023-09-15 一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承及其设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117366103B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104121289A (zh) * 2014-08-06 2014-10-29 贾新涛 一种外转子磁轴承
CN104141685A (zh) * 2014-08-06 2014-11-12 贾新涛 一种主被动内转子磁轴承
CN104214216A (zh) * 2014-08-06 2014-12-17 北京航空航天大学 一种四自由度内转子磁轴承
CN108808916A (zh) * 2018-06-30 2018-11-13 淮阴工学院 一种新型的三自由度永磁型无轴承电机
CN213575191U (zh) * 2020-10-27 2021-06-29 珠海格力电器股份有限公司 径向混合式磁悬浮轴承组件及具有其的电机
WO2021143766A1 (zh) * 2020-01-17 2021-07-22 淮阴工学院 新结构交叉齿四极混合磁轴承

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104121289A (zh) * 2014-08-06 2014-10-29 贾新涛 一种外转子磁轴承
CN104141685A (zh) * 2014-08-06 2014-11-12 贾新涛 一种主被动内转子磁轴承
CN104214216A (zh) * 2014-08-06 2014-12-17 北京航空航天大学 一种四自由度内转子磁轴承
CN108808916A (zh) * 2018-06-30 2018-11-13 淮阴工学院 一种新型的三自由度永磁型无轴承电机
WO2021143766A1 (zh) * 2020-01-17 2021-07-22 淮阴工学院 新结构交叉齿四极混合磁轴承
CN213575191U (zh) * 2020-10-27 2021-06-29 珠海格力电器股份有限公司 径向混合式磁悬浮轴承组件及具有其的电机

Also Published As

Publication number Publication date
CN117366103B (zh) 2024-06-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101737425B (zh) 一种低功耗单稳态零重力作用径向磁轴承
CN106812797B (zh) 一种双层定子永磁偏置径向磁轴承
CN104214216A (zh) 一种四自由度内转子磁轴承
CN116658520B (zh) 一种外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承及参数设计方法
CN112117861B (zh) 一种飞轮储能电机
WO2024078087A1 (zh) 磁悬浮主动式三自由度轴承、电机和压缩机
CN201696492U (zh) 低功耗混合式磁轴承
WO2014007851A1 (en) Active magnetic bearing assembly and arrangement of magnets therefor
CN109302026A (zh) 一种径向磁化双环磁钢永磁电机
CN111043156B (zh) 新结构交叉齿四极混合磁轴承
CN111102234B (zh) 一种永磁偏置磁悬浮轴承
CN117366103B (zh) 一种不对称悬浮力四自由度混合磁轴承及其设计方法
CN216951299U (zh) 一种两个半自由度混合磁轴承
CN112983988B (zh) 一种复合磁悬浮轴承及磁悬浮轴承***
CN117489701B (zh) 一种混合励磁不对称四自由度磁轴承及其参数设计方法
CN108895085B (zh) 一种逆变器驱动式外转子轴向-径向六极混合磁轴承
CN211574037U (zh) 新结构交叉齿四极混合磁轴承
CN117249163B (zh) 一种带径向辅助励磁的三自由度混合磁轴承
CN117307606B (zh) 一种带轴向辅助励磁的三自由度混合磁轴承及偏置磁路设计方法
CN117307604B (zh) 一种径轴向磁路无耦合三自由度混合磁轴承
CN112152363A (zh) 一种单定子励磁的盘式全自由度无轴承电机及其控制方法
CN107740813A (zh) 一种混合励磁型径向磁轴承
CN117307603B (zh) 一种径向轴向悬浮力独立的混合励磁磁轴承
JPH0226310A (ja) 磁気スラスト軸受
CN117386721A (zh) 一种非对称四自由度混合磁轴承及其参数设计方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant