CN100451362C - 一种具有冗余结构的永磁偏置外转子径向磁轴承 - Google Patents

一种具有冗余结构的永磁偏置外转子径向磁轴承 Download PDF

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Abstract

一种具有冗余结构的永磁偏置外转子径向磁轴承，其特征在于：由定子和转子组成，定子和转子之间为气隙，定子由定子铁心及绕在其上的激磁线圈组成，定子铁心共有16个磁极，它们组成左右两端8对磁极，左端的8个磁极和右端的8个磁极沿圆周均匀分布；转子包括左(右)转子铁心、左(右)外导磁环和永磁体，左(右)转子铁心的径向外部是左(右)外导磁环，左、右外导磁环之间为永磁体，两组定子磁极和转子共组成两个互为冗余的外转子径向磁轴承。本发明使外转子径向磁轴承在结构上实现了冗余，当一个磁轴承发生故障时，另一个磁轴承可正常工作，从而降低了冗余磁轴承体积、重量和功耗，并显著提高了磁轴承系统的可靠性。

Description

一种具有冗余结构的永磁偏置外转子径向磁轴承
技术领域
本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种具有冗余结构的永磁偏置外转子径向磁轴承，可作为磁悬浮飞轮、磁悬浮控制力矩陀螺、航空发动机、真空分子泵、高速机床和卫星等系统中旋转部件的无接触支撑部件。
背景技术
磁悬浮轴承按照磁力提供方式，可分为无源磁悬浮轴承(由永久磁铁提供磁力，也称被动磁悬浮轴承)、有源磁悬浮轴承(由电磁铁提供磁力，也称主动磁轴承)和混合磁悬浮轴承(由永久磁铁和电磁铁提供磁力)。由于无源磁悬浮轴承的稳定域很小，而永磁偏置的混合磁轴承利用永磁体取代主动磁轴承中由励磁电流产生的静态偏置磁场，具有降低功率放大器损耗，减少电磁铁安匝数，缩小磁轴承的体积和重量等优点，所以永磁偏置的混合磁悬浮轴承得到了广泛的应用。在航空发动机、航天器等要求高可靠性的领域，为提高磁悬浮轴承系统的可靠性，要求磁悬浮轴承系统具有冗余和容错功能，而目前具有容错结构的径向磁轴承采用主动磁轴承结构，其结构示意图如图1所示，在具有冗余结构的径向磁悬浮轴承上用了6个线圈，其中每3个不相邻的磁极和线圈组成一个径向磁悬浮轴承，实际上这种具有冗余结构的径向磁悬浮轴承相当于有两个径向磁悬浮轴承同时在工作，当某一个轴承出现故障时，另一个轴承可以正常工作。这种结构的径向磁轴承通过电流产生静态偏置磁场，具有功耗、质量和体积大等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有冗余结构的功耗小、易于控制和高可靠性的永磁偏置外转子径向磁轴承。
本发明的技术解决方案为：一种具有冗余结构的永磁偏置外转子径向磁轴承，其特征在于：定子和转子之间为气隙，定子由定子铁心及绕在其上的激磁线圈组成，定子铁心共有16个磁极，它们组成左右两端8对磁极，左端的8个磁极和右端的8个磁极沿圆周均匀分布；转子包括左转子铁心、右转子铁心、左外导磁环、右外导磁环和永磁体，左转子铁心和右转子铁心的外部是左外导磁环和右外导磁环，左外导磁环和右外导磁环之间为永磁体；定子铁心左侧不相邻的4个磁极和右侧定子铁心不相邻的4个磁极及其上的激磁线圈分别组成两组互为冗余的定子磁极，整个装置共组成两个互为冗余的径向磁轴承。
上述方案的原理是：通过永磁体给磁轴承提供永磁偏置磁场，激磁线圈所产生的电磁场起调节作用，用来改变每极下磁场的强弱，保持磁轴承定转子之间的气隙均匀，并使转子得到无接触稳定支撑。本发明的定子由定子铁心及绕在其上的激磁线圈组成，定子铁心共有16个磁极，它们组成左右两端8对磁极，左端的8个磁极和右端的8个磁极沿圆周均匀分布；8对磁极中左右互不相邻的4对磁极分别组成两组定子磁极，这两组定子磁极及转子共组成两个互为冗余的外转子径向磁轴承，当其中一个径向磁轴承正常工作时，另一个径向磁轴承的激磁线圈不通过电流，作为备用磁轴承。以Y轴正方向磁路为例说明磁路，永磁磁路为：磁通从永磁体N极出发，通过左外导磁环、左转子铁心、左侧气隙、定子铁心磁极、右侧气隙、右转子铁心和右外导磁环回到永磁体S极，构成磁悬浮轴承的永磁磁路，在气隙中产生永磁偏置磁场，如图2中的虚线所示。电磁磁路为：以Y轴正方向电磁线圈电流产生的磁通为例，电磁通经过定子铁心+Y方向左端的定子磁极、+Y方向左端的气隙、左转子铁心、-Y方向左端的气隙、定子铁心-Y方向左端的定子磁极、定子铁心-Y方向右端的定子磁极、-Y方向右端的气隙、右转子铁心、+Y方向右端的气隙和定子铁心+Y方向右端的定子磁极构成闭合回路，如图2、图3和图4中的实线所示。整个装置共构成两个外转子径向磁轴承，备用径向磁轴承的永磁磁路与正常工作径向磁轴承的永磁磁路相同，电磁磁路为：以Y’轴正方向电磁线圈电流产生的磁通为例，电磁通经过定子铁心+Y’方向左端的定子磁极、+Y’方向左端的气隙、左转子铁心、-Y’方向左端的气隙、定子铁心-Y’方向左端的定子磁极、定子铁心-Y’方向右端的定子磁极、-Y’方向右端的气隙、右转子铁心、+Y’方向右端的气隙和定子铁心+Y’方向右端的定子磁极构成闭合回路，如图2、图5和图6中的实线所示。当其中一个径向磁轴承发生故障时，另一个备用径向磁轴承进入正常工作状态，从而保证了磁轴承系统的高可靠性。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用8对定子磁极及其上的激磁线圈，与左(右)外导磁环、永磁体、左(右)转子铁心构成了具有冗余结构的外转子径向磁轴承，具有结构简单，而且当其中一个径向混合磁轴承发生故障时，另一个备用的径向磁轴承可进入正常工作状态，从而保证了整个系统的安全可靠运行。
本发明的另一个优点是：本发明的永磁偏置外转子径向磁轴承通过永磁体产生偏置磁场，可显著降低具有冗余结构的磁轴承功耗、体积和重量。
附图说明
图1为现有技术中具有容错结构的径向主动磁轴承结构示意图；
图2为本发明的具有冗余结构的永磁偏置外转子径向磁轴承剖面图；
图3为本发明的具有冗余结构的永磁偏置外转子径向磁轴承左端面截面图；
图4为本发明的具有冗余结构的永磁偏置外转子径向磁轴承右端面截面图；
图5为本发明的具有冗余结构的永磁偏置外转子径向磁轴承左端面备用径向磁轴承电磁磁路示意图；
图6为本发明的具有冗余结构的永磁偏置外转子径向磁轴承右端面备用径向磁轴承电磁磁路示意图。
具体实施方式
如图2、图3、图4、图5和图6所示，本发明的一种具有冗余结构的永磁偏置外转子径向磁轴承由定子和转子组成。定子和转子之间为气隙7，定子由定子铁心8及绕在其上的激磁线圈4组成，定子铁心8共有16个磁极，它们组成左右两端8对磁极，左端的8个磁极和右端的8个磁极沿圆周均匀分布；转子包括左转子铁心3、右转子铁心5、左外导磁环2、右外导磁环6和永磁体1，左转子铁心3和右转子铁心5的外部是左外导磁环2和右外导磁环6，左外导磁环2和右外导磁环6之间为永磁体1；定子铁心8左侧不相邻的4个磁极9、11、13、15或作为冗余的不相邻的4个磁极10、12、14、16和右侧定子铁心不相邻的4个磁极17、19、21、23或作为冗余的不相邻的4个磁极18、20、22、24及其上的激磁线圈4分别组成两组互为冗余的定子磁极，整个装置共组成两个互为冗余的径向磁轴承。
上述本发明所用的左外导磁环2和右外导磁环6均用导磁性能良好的材料制成，如电工纯铁、各种低碳钢、1J50和1J79等磁性材料。左转子铁心3、右转子铁心5和定子铁心8可用导磁性能良好的电工薄钢板如电工硅钢板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79等磁性材料冲压迭制而成。永磁体1的材料为磁性能良好的稀土永磁体或铁氧体永磁体，永磁体1为一圆环，沿轴向充磁。激磁线圈4用导电良好的电磁线绕制后真空浸漆烘干而成。

Claims (5)

1、一种具有冗余结构的永磁偏置外转子径向磁轴承，由定子和转子组成，其特征在于：定子和转子之间为气隙(7)，定子由定子铁心(8)及绕在其上的激磁线圈(4)组成，定子铁心(8)共有16个磁极，它们组成左右两端8对磁极，左端的8个磁极和右端的8个磁极沿圆周均匀分布；转子包括左转子铁心(3)、右转子铁心(5)、左外导磁环(2)、右外导磁环(6)和永磁体(1)，左转子铁心(3)和右转子铁心(5)的外部是左外导磁环(2)和右外导磁环(6)，左外导磁环(2)和右外导磁环(6)之间为永磁体(1)；定子铁心(8)左侧不相邻的4个磁极(9、11、13、15)及其4个磁极上的线圈和右侧不相邻的4个磁极(17、19、21、23)及其4个磁极上的线圈组成一组定子磁极；定子铁心(8)左侧不相邻的另外4个磁极(10、12、14、16)及其4个磁极上的线圈和右侧不相邻的另外4个磁极(18、20、22、24)及其4个磁极上的线圈组成另一组定子磁极；上述两组定子磁极组成互为冗余的定子磁极，整个装置共组成两个互为冗余的径向混合磁轴承。
2、根据权利要求1所述的具有冗余结构的永磁偏置外转子径向磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(1)采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成。
3、根据权利要求1所述的具有冗余结构的永磁偏置外转子径向磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(1)为一个圆环，沿轴向充磁。
4、根据权利要求1所述的具有冗余结构的永磁偏置外转子径向磁轴承，其特征在于：所述的左外导磁环(2)和右外导磁环(6)均采用导磁性能良好的材料制成。
5、根据权利要求1所述的具有冗余结构的永磁偏置外转子径向磁轴承，其特征在于：所述的左转子铁心(3)、右转子铁心(5)和定子铁心(8)采用导磁性能良好的软磁材料制成。
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