CN211623964U - 永磁偏置型磁悬浮轴承 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种永磁偏置型磁悬浮轴承，包括同轴设置的转子、轴向定子铁芯、径向定子铁芯、永磁体组件，所述径向定子铁芯和永磁体组件分别位于轴向定子铁芯的环形腔体内，并通过所述永磁体组件在所述轴向定子铁芯、转子以及径向定子铁芯内形成偏置磁场；所述永磁偏置型磁悬浮轴承还包括用于在所述轴向定子铁芯及转子内形成轴向控制磁场的第一轴向控制绕组和第二轴向控制绕组；所述第一轴向控制绕组分别与所述套筒部、第一轴向定子圆盘相邻设置，所述第二轴向控制绕组分别与所述套筒部、第二轴向定子圆盘相邻设置。本实用新型实施例可大大简化轴向控制绕组的组装，同时减轻了永磁偏置型磁悬浮轴承体积和重量。

Description

永磁偏置型磁悬浮轴承

技术领域

本实用新型实施例涉及轴承领域，更具体地说，涉及一种永磁偏置型磁悬浮轴承。

背景技术

磁悬浮轴承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。由于定子、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。德国FAG公司通过试验得出：滚动轴承的dn值，即轴承平均直径与主轴极限转速的乘积，约为2.5～3×10⁶mm·r/min，滑动轴承的dn值约为0.8～2×10⁶ mm·r/min，磁悬浮轴承的dn值约为4～6×10⁶mm·r/min。

(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)寿命长，维护成本低。由于磁悬浮轴承依靠磁场力悬浮转轴，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，其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。由于定子、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，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。其中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，这两个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，这种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，永磁偏置型磁悬浮轴承技术也成为磁悬浮轴承技术研究与发展的一个重要方向。

然而，现有的永磁偏置型磁悬浮轴承普遍存在体积和重量较大、生产和装配相对繁琐的问题。

实用新型内容

本实用新型实施例针对上述永磁偏置型磁悬浮轴承体积和重量较大、生产和装配相对繁琐的问题，提供一种永磁偏置型磁悬浮轴承。

本实用新型实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种永磁偏置型磁悬浮轴承，包括同轴设置的转子、轴向定子铁芯、径向定子铁芯、永磁体组件，所述轴向定子铁芯包括套筒部、分别位于所述套筒部的轴向的两端的第一轴向定子圆盘和第二轴向定子圆盘，且所述套筒部、第一轴向定子圆盘和第二轴向定子圆盘围合形成环形腔体，所述径向定子铁芯和永磁体组件分别位于所述环形腔体内，所述转子位于所述环形腔体的开口处，并通过所述永磁体组件在所述轴向定子铁芯、转子以及径向定子铁芯内形成偏置磁场；所述永磁偏置型磁悬浮轴承还包括用于在所述轴向定子铁芯及转子内形成轴向控制磁场的第一轴向控制绕组和第二轴向控制绕组；所述第一轴向控制绕组和第二轴向控制绕组分别位于所述环形腔体内，且所述第一轴向控制绕组分别与所述套筒部、第一轴向定子圆盘相邻设置，所述第二轴向控制绕组分别与所述套筒部、第二轴向定子圆盘相邻设置。

优选地，所述永磁偏置型磁悬浮轴承包括隔磁支撑件，所述隔磁支撑件位于所述永磁体组件与套筒部之间；所述隔磁支撑件的外周的轴向两端分别下凹形成第一安装环和第二安装环，所述第一轴向控制绕组装配到所述第一安装环，所述第二轴向控制绕组装配到所述第二安装环。

优选地，所述第一安装环固定有第一绕组支架，且所述第一轴向控制绕组绕设于所述第一绕组支架；所述第二安装环固定有第二绕组支架，且所述第二轴向控制绕组绕设于所述第二绕组支架。

优选地，所述隔磁支撑件以过盈配合方式固定在所述套筒部内。

优选地，所述永磁体组件包括径向定子磁轭、第一永磁体环以及第二永磁体环，且所述径向定子磁轭、第一永磁体环以及第二永磁体环具有相同的环宽；所述径向定子磁轭位于所述径向定子铁芯与所述隔磁支撑件之间，且所述第一永磁体环和第二永磁体环分别位于所述径向定子磁轭的轴向的两端；所述第一永磁体环的N极朝向第一轴向定子圆盘，并在所述第一轴向定子圆盘、转子、径向定子铁芯及径向定子磁轭之间形成第一路偏置磁场；所述第二永磁体环的 N极朝向第二轴向定子圆盘，并在所述第二轴向定子圆盘、转子、径向定子铁芯及径向定子磁轭之间形成第二路偏置磁场。

优选地，所述径向定子磁轭以过盈配合方式固定在所述隔磁支撑件内。

优选地，所述径向定子铁芯与所述径向定子磁轭一体。

优选地，所述径向定子铁芯包括向转子延伸的多个径向磁极，所述多个径向磁极沿所述径向定子铁芯的周向均匀分布，且每一所述径向磁极上绕设有径向控制绕组。

本实用新型实施例的永磁偏置型磁悬浮轴承，通过独立的第一轴向控制绕组和第二轴向控制绕组在轴向定子铁芯和转子内形成轴向控制磁场，大大简化了轴向定子的组装，同时减轻了永磁偏置型磁悬浮轴承体积和重量。并且，本实用新型实施例还通过由径向定子磁轭、第一永磁体环以及第二永磁体环构成的永磁体组件，进一步减轻了永磁偏置型磁悬浮轴承的重量。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的永磁偏置型磁悬浮轴承的径向剖面示意图；

图2是本实用新型实施例提供的永磁偏置型磁悬浮轴承中径向定子铁芯的轴向剖面示意图；

图3是本实用新型实施例提供的永磁偏置型磁悬浮轴承中第一绕组支架的径向剖面示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，是本实用新型实施例提供的永磁偏置型磁悬浮轴承的径向剖面示意图，该永磁偏置型磁悬浮轴承可实现电机转轴的非接触式支承。本实施例的永磁偏置型磁悬浮轴承包括同轴设置的转子2、轴向定子铁芯、径向定子铁芯5、永磁体组件。上述转子2装配到电机的转轴1上，并环绕转轴1的外周设置。

轴向定子铁芯具体可包括套筒部4、第一轴向定子圆盘31和第二轴向定子圆盘32，上述套筒部4的横截面呈环形，其中第一轴向定子圆盘31和第二轴向定子圆盘32分别位于套筒部4的轴向的两端，且套筒部4、第一轴向定子圆盘31 和第二轴向定子圆盘32围合形成环形腔体，径向定子铁芯5和永磁体组件分别位于轴向定子铁芯的环形腔体内，转子2则位于轴向定子铁芯的环形腔体的开口处(转子2与轴向定子铁芯的第一轴向定子圆盘31、第二轴向定子圆盘32之间分别具有轴向气隙15)，并通过永磁体组件在轴向定子铁芯、转子2以及径向定子铁芯5内形成偏置磁场121、122。

本实施例中的永磁偏置型磁悬浮轴承还包括第一轴向控制绕组101和第二轴向控制绕组102，该第一轴向控制绕组101和第二轴向控制绕组102在通电状态下可在轴向定子铁芯及转子2内形成轴向控制磁场，从而实现转轴1的轴向定位。具体地，上述第一轴向控制绕组101和第二轴向控制绕组102可分别位于环形腔体内，且第一轴向控制绕组101分别与套筒部4、第一轴向定子圆盘31相邻设置，第二轴向控制绕组102分别与套筒部4、第二轴向定子圆盘32相邻设置。

在第一轴向控制绕组101和第二轴向控制绕组102通电流时，在第二轴向定子圆盘32、套筒部4、第一轴向定子圆盘31、轴向气隙15、转子2产生的磁回路形成轴向控制磁场13(即图1中经过第一轴向定子圆盘31、第二轴向定子圆盘 32套筒部4的带箭头的虚线磁路)，轴向控制磁场13在轴向气隙15中与偏置磁场121、122进行合成，调节轴向气隙15磁场的大小，从而调节轴向悬浮力的大小和方向，实现转子2的稳定悬浮。

由于第一轴向控制绕组101和第二轴向控制绕组102相互独立，因此第一轴向控制绕组101和第二轴向控制绕组102可分别装配到轴向定子铁芯内，大大方便了轴向控制绕组的装配，同时减轻了永磁偏置型磁悬浮轴承体积和重量。

在本实用新型的一个实施例中，永磁偏置型磁悬浮轴承包括隔磁支撑件8，该隔磁支撑件8整体呈环形，其具体可由铝或其他合金材料加工而成，且该隔磁支撑件8位于永磁体组件与套筒部4之间，例如隔磁支撑件8可通过过盈配合方式与套筒部4相固定，当然，在实际应用中，隔磁支撑件8也可通过其他方式与套筒部4相固定。

隔磁支撑件的外周的轴向两端分别下凹形成第一安装环和第二安装环，第一轴向控制绕组101装配在第一安装环，第二轴向控制绕组102装配在第二安装环。通过上述隔磁支撑件8，不仅实现了第一轴向控制绕组101、第二轴向控制绕组102及永磁体组件之间的磁场隔离，而且实现了第一轴向控制绕组101、第二轴向控制绕组102的安装定位。

具体地，上述第一安装环可固定有第一绕组支架91，且第一轴向控制绕组绕101设于第一绕组支架91；类似地，第二安装环固定有第二绕组支架92，且第二轴向控制绕组102绕设于第二绕组支架92。上述第一绕组支架91、第二绕组支架92可由绝缘材料制成，结合图3所示，第一绕组支架91和第二绕组支架 92可由绝缘材料支撑，且第一绕组支架91和第二绕组支架92的径向截面可呈U 形，从而形成U形槽，第一轴向控制绕组绕101和第二轴向控制绕组绕102可分别绕设于上述U形槽内。

在本实用新型的另一实施例中，永磁体组件包括径向定子磁轭6、第一永磁体环71以及第二永磁体环72，径向定子磁轭6整体可呈环形，且径向定子磁轭6、第一永磁体环71以及第二永磁体环72具有相同的环宽。上述径向定子磁轭6的厚度(即轴向尺寸)大于径向定子铁芯5的厚度(即轴向尺寸)，从而使得第一永磁体环71和第二永磁体环72的厚度(即轴向尺寸)相对较小，大大节省了成本。

径向定子磁轭6位于径向定子铁芯5与隔磁支撑件8之间，例如径向定子磁轭6以过盈配合方式固定在所磁支撑件8内，且第一永磁体环71和第二永磁体环 72分别位于径向定子磁轭6的轴向的两端。即隔磁支撑件8设置在径向定子磁轭 6的外壁。

第一永磁体环71的N极朝向第一轴向定子圆盘31，并在第一轴向定子圆盘 31、轴向气隙15、转子2、径向定子铁芯5及径向定子磁轭6之间形成第一路偏置磁场121(图1中带箭头的实线磁路)；第二永磁体环72的N极朝向第二轴向定子圆盘32，并在第二轴向定子圆盘32、轴向气隙15、转子2、径向定子铁芯5 及径向定子磁轭6之间形成第二路偏置磁场122(图1中带箭头的实线磁路)。

上述永磁偏置型磁悬浮轴承通过径向定子磁轭6与第一永磁体环71、第二永磁体环72相结合产生偏置磁场121、122，取代磁轴承采用电磁线圈产生偏置磁场，可明显降低功率损耗。

结合图2所示，径向定子铁芯5包括由内腔壁向转子2延伸的四个径向磁极 51、52、53、54，在实际应用中径向磁极的数量可根据需要调整。上述径向磁极51、52、53、54沿径向定子铁芯5的周向均匀分布，且每一径向磁极上绕设有径向控制绕组111、112、113、114。上述径向磁极51、52、53、54在径向上与转子2的外壁之间留有径向气隙16。在径向控制绕组111、112、113、114通电流时，在径向定子磁轭6、径向定子铁芯5、径向气隙16、转子2产生径向控制磁场14(图2中带箭头的虚线磁路)，该径向控制磁场14在径向气隙16中与偏置磁场121、122进行合成，调节径向气隙16磁场的大小，从而调节径向悬浮力的大小和方向，实现转子2的稳定悬浮。

特别地，为简化结构，上述径向定子磁轭6可与径向定子铁芯5一体。例如，径向定子磁轭6和径向定子铁芯5可分别由硅钢片叠合而成，径向定子磁轭6中与径向定子铁芯5相接的部分由环宽较大的硅钢片构成(该硅钢片的一部分构成径向定子铁芯5)，径向定子磁轭6中径向定子铁芯5的两侧的部分则由环宽较小的硅钢片构成。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种永磁偏置型磁悬浮轴承，包括同轴设置的转子、轴向定子铁芯、径向定子铁芯、永磁体组件，所述轴向定子铁芯包括套筒部、分别位于所述套筒部的轴向的两端的第一轴向定子圆盘和第二轴向定子圆盘，且所述套筒部、第一轴向定子圆盘和第二轴向定子圆盘围合形成环形腔体，所述径向定子铁芯和永磁体组件分别位于所述环形腔体内，所述转子位于所述环形腔体的开口处，并通过所述永磁体组件在所述轴向定子铁芯、转子以及径向定子铁芯内形成偏置磁场；其特征在于，所述永磁偏置型磁悬浮轴承还包括用于在所述轴向定子铁芯及转子内形成轴向控制磁场的第一轴向控制绕组和第二轴向控制绕组；所述第一轴向控制绕组和第二轴向控制绕组分别位于所述环形腔体内，且所述第一轴向控制绕组分别与所述套筒部、第一轴向定子圆盘相邻设置，所述第二轴向控制绕组分别与所述套筒部、第二轴向定子圆盘相邻设置。

2.根据权利要求1所述的永磁偏置型磁悬浮轴承，其特征在于，所述永磁偏置型磁悬浮轴承包括隔磁支撑件，所述隔磁支撑件位于所述永磁体组件与套筒部之间；所述隔磁支撑件的外周的轴向两端分别下凹形成第一安装环和第二安装环，所述第一轴向控制绕组装配到所述第一安装环，所述第二轴向控制绕组装配到所述第二安装环。

3.根据权利要求2所述的永磁偏置型磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一安装环固定有第一绕组支架，且所述第一轴向控制绕组绕设于所述第一绕组支架；所述第二安装环固定有第二绕组支架，且所述第二轴向控制绕组绕设于所述第二绕组支架。

4.根据权利要求2所述的永磁偏置型磁悬浮轴承，其特征在于，所述隔磁支撑件以过盈配合方式固定在所述套筒部内。

5.根据权利要求2所述的永磁偏置型磁悬浮轴承，其特征在于，所述永磁体组件包括径向定子磁轭、第一永磁体环以及第二永磁体环，且所述径向定子磁轭、第一永磁体环以及第二永磁体环具有相同的环宽；所述径向定子磁轭位于所述径向定子铁芯与所述隔磁支撑件之间，且所述第一永磁体环和第二永磁体环分别位于所述径向定子磁轭的轴向的两端；所述第一永磁体环的N极朝向第一轴向定子圆盘，并在所述第一轴向定子圆盘、转子、径向定子铁芯及径向定子磁轭之间形成第一路偏置磁场；所述第二永磁体环的N极朝向第二轴向定子圆盘，并在所述第二轴向定子圆盘、转子、径向定子铁芯及径向定子磁轭之间形成第二路偏置磁场。

6.根据权利要求5所述的永磁偏置型磁悬浮轴承，其特征在于，所述径向定子磁轭以过盈配合方式固定在所述隔磁支撑件内。

7.根据权利要求5所述的永磁偏置型磁悬浮轴承，其特征在于，所述径向定子铁芯与所述径向定子磁轭一体。

8.根据权利要求1所述的永磁偏置型磁悬浮轴承，其特征在于，所述径向定子铁芯包括向转子延伸的多个径向磁极，所述多个径向磁极沿所述径向定子铁芯的周向均匀分布，且每一所述径向磁极上绕设有径向控制绕组。

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