CN100487257C - 一种永磁偏置轴向磁轴承 - Google Patents

Abstract

一种永磁偏置轴向磁轴承，由定子部分和转子组成，定子部分由4组定子铁心、永磁体以及线圈组成，4组定子铁心构成整个圆周方向上的8个定子磁极，并沿+X、-X、+Y、-Y方向放置，每个定子铁心磁极上绕制有线圈。定子部分与转子之间形成轴向磁气隙，每组定子铁心中的两个定子铁心磁极之间放置有弧形永磁体，并且永磁体与每组定子铁心的两个定子铁心磁极在径向外侧形成第二气隙，本发明通过分布于+X、-X、+Y、-Y方向的4组定子铁心可实现磁悬浮转子的轴向平动以及径向扭动控制，可大大减小系统的轴向尺寸。该轴向磁轴承还具有功耗低、性能可靠、利于控制等优点。

Description

一种永磁偏置轴向磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种永磁偏置轴向磁轴承，可作为微小型卫星等航天器中旋转部件的无接触支撑，特别适用于磁悬浮飞轮以及磁悬浮控制力矩陀螺的非接触支承。

背景技术

常用磁悬浮轴承分电磁偏置式和永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，前者采用电流产生偏置磁场，因此工作电流大、功耗大，后者利用永磁体替代电流产生偏置磁场，永磁体产生的磁场承担主要的承载力，电磁磁场提供辅助的调节承载力，因而这种轴承可大大减小控制电流，降低损耗。但现有的永磁偏置轴向磁轴承，其电磁磁路经过永磁体，因而仍然功耗大，中国专利申请号：200510011272.2给出的一种永磁偏置轴向磁轴承，如图1所示，该结构通过激磁气隙15可以使得电磁磁路经过轴承体11、气隙以及该激磁气隙15形成回路，避免了电磁磁路直接经过永磁体13，因而功耗低，但是现有所有结构的轴向磁轴承，其定子部分和转子部分均采用实体结构，因而在实体结构的定子和转子中的铁耗仍然较大。更重要的是，现有轴向磁轴承定子结构都是整圆结构，对转子只能进行轴向平动控制，无法利用轴向磁轴承对转子进行径向扭动控制，因而在磁悬浮飞轮等应用领域受到了限制。这是由于在磁悬浮飞轮等应用场合中，其常常要求飞轮轴向长度小而径向长度大，而现有磁悬浮飞轮，为了实现径向平动以及径向扭动控制，需成对使用径向磁轴承，所以轴向长度比较长，如果轴向磁轴承自身可以进行径向转动控制的话，那么径向磁轴承就可以采用一个，且只对转子进行径向平动控制，可大大减小飞轮的轴向尺寸。总之，现有轴向磁轴承存在功耗大、且无法进行径向扭动控制难以满足磁悬浮飞轮对轴向长度要求的缺陷。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种功耗低、可进行轴向平动以及径向扭动控制的永磁偏置轴向磁轴承。

本发明的技术解决方案为：由定子部分和转子组成，定子部分由4组定子铁心、永磁体以及线圈组成，4组定子铁心构成整个圆周方向上的8个定子铁心磁极，并沿+X、-X、+Y、-Y方向放置，每个定子铁心磁极上绕制有线圈，定子部分与转子之间形成轴向磁气隙，每组定子铁心中的两个定子铁心磁极之间放置有弧形永磁体，并且永磁体与每组定子铁心的两个定子铁心磁极在定子铁心的轴向外侧形成第二气隙。

所述的永磁体采用径向充磁，为了保证电磁磁路不经过永磁体且减小永磁体在第二气隙的磁动势损失，应使第二气隙磁阻大于2倍轴向磁气隙磁阻并小于永磁体磁阻。另外，所述的定子铁心与转子之间形成的轴向磁气隙为0.2—0.4mm；所述的转子为导磁性能良好的材料制成的推力圆盘，或者为导磁性能良好的材料制成的系统转动部分的一部分。所述的定子铁心采用导磁性能良好的材料叠压而成。

上述方案的原理是：永磁体给磁轴承提供永磁偏置磁场，承担磁轴承所受的轴向力，激磁线圈产生的磁场起调节作用，保持磁轴承定转子气隙均匀，并使转子得到无接触支撑。如图2实线箭头所示，本发明的永磁磁路通过永磁体、定子铁心磁极、气隙以及转子构成闭合回路，形成磁悬浮轴承的主磁路；如图2虚线箭头所示，电磁磁路通过定子铁心磁极、气隙、转子以及第二气隙构成闭合回路。这样保证了电磁磁路不通过永磁体内部，减小了电磁磁路的磁阻，降低了激磁电流，降低了轴承的功耗，由于定子铁心部分采用叠片压制而成，而铁心的涡流损耗与叠片厚度成正比，因此采用叠片结构的定子相比于现有具有实体结构定子的轴向磁轴承减小了磁轴承的功耗。本发明的轴向磁轴承需成对使用，分别定义为I和II，安装时保证两个轴向磁轴承的定子铁心磁极正对，即同时保证两个轴向磁轴承的4组定子铁心分别沿+X、-X、+Y和-Y方向放置。当对轴向磁轴承的转子进行轴向平动控制时，设轴向磁轴承转子沿z轴向+z方向平动，轴向磁轴承I与转子之间的气隙减小，轴向磁轴承II与转子之间的气隙增大，此时轴向磁轴承I和II的X方向和Y方向线圈通入电流，使得在轴向磁轴承I的定子和转子之间气隙处产生的电磁磁通抵消永磁磁通，同时在轴向磁轴承II的定子和转子之间气隙处产生的电磁磁通与永磁磁通叠加，使得转子恢复到平衡位置；同理，当轴向磁轴承转子沿z轴向-z方向平动时，轴向磁轴承II与转子之间的气隙减小，轴向磁轴承I与转子之间的气隙增大，此时轴向磁轴承I和II的X方向和Y方向线圈通入电流，使得在轴向磁轴承I的定子和转子之间气隙处产生的电磁磁通与永磁磁通叠加，同时在轴向磁轴承II的定子和转子之间气隙处产生的电磁磁通抵消永磁磁通，使得转子恢复到平衡位置；对轴向磁轴承转子进行径向扭动控制时，设轴向磁轴承转子由于扰动绕X方向发生扭动，使轴向磁轴承I+Y方向的定子铁心磁极和转子之间的磁气隙减小，-Y方向的定子铁心磁极和转子之间的磁气隙增大，而轴向磁轴承II+Y方向的定子和转子之间的磁气隙增大，-Y方向的定子铁心磁极和转子之间的磁气隙减小，此时通过轴向磁轴承控制器使得轴向磁轴承IY方向与轴向磁轴承IIY方向的定子铁心磁极线圈通入电流，使轴向磁轴承I+Y方向的定子铁心磁极和转子之间气隙处产生的电磁磁通抵消永磁磁通，在-Y方向定子铁心磁极和转子之间气隙处产生的电磁磁通与永磁磁通叠加，同时轴向磁轴承II+Y方向的定子铁心磁极和转子之间的气隙处产生的电磁磁通与永磁磁通叠加，-Y方向定子铁心磁极和转子之间气隙处产生的电磁磁通抵消永磁磁通，使得转子恢复到原来的平衡位置，实现转子绕X方向的扭动控制。同理，当轴向磁轴承转子由于扰动绕Y方向发生扭动，使轴向磁轴承I+X方向的定子铁心磁极和转子之间的磁气隙减小，-X方向的定子铁心磁极和转子之间的磁气隙增大，而轴向磁轴承II+X方向的定子和转子之间的磁气隙增大，-X方向的定子铁心磁极和转子之间的磁气隙减小，此时通过轴向磁轴承控制器使得轴向磁轴承IX方向与轴向磁轴承IIX方向的定子铁心磁极线圈通入电流，使轴向磁轴承I+X方向的定子铁心磁极和转子之间气隙处产生的电磁磁通抵消永磁磁通，在-X方向定子铁心磁极和转子之间气隙处产生的电磁磁通与永磁磁通叠加，同时轴向磁轴承II+X方向的定子铁心磁极和转子之间的气隙处产生的电磁磁通与永磁磁通叠加，-X方向定子铁心磁极和转子之间气隙处产生的电磁磁通抵消永磁磁通，使得转子恢复到原来的平衡位置，实现转子绕Y方向的扭动控制。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明由于采用永磁磁场作为偏置磁场，与传统电磁轴承相比消除了在线圈电流中占主要分量的偏置电流，降低了绕组铜耗和控制功放损耗，因此功耗低。与现有的永磁偏置磁轴承相比，本发明所述的永磁偏置轴向磁轴承的定子部分采用了4组定子叠片铁心，因此进一步减小了磁轴承功耗。由于本发明采用4组定子铁心构成整个圆周方向上的8个定子磁极，并沿+X、-X、+Y、-Y方向放置，因而既可实现转子的轴向平动控制，还可实现转子的径向扭动控制，这使得现有磁悬浮飞轮系统或者磁悬浮控制力矩陀螺系统的径向磁轴承只使用一个，且仅实现径向平动控制即可，大大减小了磁悬浮飞轮或者磁悬浮控制力矩陀螺的轴向尺寸。

附图说明

图1为已申请专利的永磁偏置轴向磁轴承截面图。

图2为本发明的永磁偏置轴向磁轴承轴向截面图。

图3为本发明的永磁偏置轴向磁轴承端面图。

图4为本发明的永磁偏置轴向磁轴承实际安装时的结构图，其中(a)为轴向截面图，(b)为端面图。

图5为本发明的另一种形式的永磁偏置磁轴承轴向截面图。

具体实施方式

如图2和图3所示，本发明由定子部分和转子1组成，定子部分由4组定子铁心4、永磁体3以及线圈5组成，4组定子铁心4构成整个圆周方向上的8个定子铁心磁极，并沿+X、-X、+Y、-Y方向放置，为了增加定子铁心磁极的截面积以提高轴向磁轴承的承载力，将定子铁心磁极的面积制成圆弧面。每个定子铁心磁极上绕制有线圈5，定子部分与转子之间形成轴向磁气隙6，每组定子铁心4中的两个定子铁心磁极之间放置有弧形永磁体3，并且永磁体3与每组定子铁心4的两个定子铁心磁极在定子铁心的轴向外侧形成第二气隙2。其中定子铁心4与转子1形成的轴向磁气隙6为0.2—0.4mm。为了保证电磁磁路不经过永磁体且减小永磁体在第二气隙的磁动势损失，应使第二气隙磁阻大于2倍轴向磁气隙磁阻并小于永磁体磁阻。本发明的轴向磁轴承需成对使用，分别定义为I和II，安装时保证两个轴向磁轴承的定子铁心磁极正对，即同时保证两个轴向磁轴承的4组定子铁心分别沿+X、-X、+Y和-Y方向放置。当对轴向磁轴承的转子进行轴向平动控制时，设轴向磁轴承转子沿z轴向+z方向平动，轴向磁轴承I与转子之间的气隙减小，轴向磁轴承II与转子之间的气隙增大，此时轴向磁轴承I和II的X方向和Y方向线圈通入电流，使得在轴向磁轴承I的定子和转子之间气隙处产生的电磁磁通抵消永磁磁通，同时在轴向磁轴承II的定子和转子之间气隙处产生的电磁磁通与永磁磁通叠加，使得转子恢复到平衡位置；同理，当轴向磁轴承转子沿z轴向-z方向平动时，轴向磁轴承II与转子之间的气隙减小，轴向磁轴承I与转子之间的气隙增大，此时轴向磁轴承I和II的X方向和Y方向线圈通入电流，使得在轴向磁轴承I的定子和转子之间气隙处产生的电磁磁通与永磁磁通叠加，同时在轴向磁轴承II的定子和转子之间气隙处产生的电磁磁通抵消永磁磁通，使得转子恢复到平衡位置；对轴向磁轴承转子进行径向扭动控制时，设轴向磁轴承转子由于扰动绕X方向发生扭动，使轴向磁轴承I+Y方向的定子铁心磁极和转子之间的磁气隙减小，-Y方向的定子铁心磁极和转子之间的磁气隙增大，而轴向磁轴承II+Y方向的定子和转子之间的磁气隙增大，-Y方向的定子铁心磁极和转子之间的磁气隙减小，此时通过轴向磁轴承控制器使得轴向磁轴承IY方向与轴向磁轴承IIY方向的定子铁心磁极线圈通入电流，使轴向磁轴承I+Y方向的定子铁心磁极和转子之间气隙处产生的电磁磁通抵消永磁磁通，在-Y方向定子铁心磁极和转子之间气隙处产生的电磁磁通与永磁磁通叠加，同时轴向磁轴承II+Y方向的定子铁心磁极和转子之间的气隙处产生的电磁磁通与永磁磁通叠加，-Y方向定子铁心磁极和转子之间气隙处产生的电磁磁通抵消永磁磁通，使得转子恢复到原来的平衡位置，实现转子绕X方向的扭动控制。同理，当轴向磁轴承转子由于扰动绕Y方向发生扭动，使轴向磁轴承I+X方向的定子铁心磁极和转子之间的磁气隙减小，-X方向的定子铁心磁极和转子之间的磁气隙增大，而轴向磁轴承II+X方向的定子和转子之间的磁气隙增大，-X方向的定子铁心磁极和转子之间的磁气隙减小，此时通过轴向磁轴承控制器使得轴向磁轴承IX方向与轴向磁轴承IIX方向的定子铁心磁极线圈通入电流，使轴向磁轴承I+X方向的定子铁心磁极和转子之间气隙处产生的电磁磁通抵消永磁磁通，在-X方向定子铁心磁极和转子之间气隙处产生的电磁磁通与永磁磁通叠加，同时轴向磁轴承II+X方向的定子铁心磁极和转子之间的气隙处产生的电磁磁通与永磁磁通叠加，-X方向定子铁心磁极和转子之间气隙处产生的电磁磁通抵消永磁磁通，使得转子恢复到原来的平衡位置，实现转子绕Y方向的扭动控制。

本发明所用的定子铁心4可用导磁性能良好的电工薄钢板如电工硅钢板DR510、DR470、DW350、1J50、1J79或硅钢薄带等磁性材料冲压迭制而成；转子1为导磁性能良好的材料如电工纯铁、1J50、1J79等制成的推力圆盘，或者为导磁性能良好的材料如电工纯铁、S06钢等制成的系统转动部分的一部分；永磁体2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2为径向充磁，激磁线圈5用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。

在实际应用中，如图2所示的轴向磁轴承定子外侧要安装有轴承座，如图4所示，图中7为轴承座，选用非导磁材料制成，如铜、铝、钛合金等。图4(a)为带有轴承座的本发明的永磁偏置轴向磁轴承的轴向截面图，图4(b)为带有轴承座的本发明的永磁偏置轴向磁轴承的端面图，图中采用螺钉和紧固带将沿+X、-X、+Y、-Y方向放置的4组定子铁心固定。

除了图2所示的轴向磁轴承截面图外，还可将永磁体3与定子铁心4在定子铁心的轴向内侧形成第二气隙2，如图5所示。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1、一种永磁偏置轴向磁轴承，其特征在于：由定子部分和转子(1)组成，定子部分由4组定子铁心(4)、永磁体(3)以及线圈(5)组成，4组定子铁心(4)构成整个圆周方向上的8个定子铁心磁极，并沿+X、-X、+Y、-Y方向放置，每个定子铁心磁极上绕制有线圈(5)，定子部分与转子之间形成轴向磁气隙(6)，每组定子铁心(4)中的两个定子铁心磁极之间放置有弧形永磁体(3)，并且永磁体(3)与每组定子铁心(4)的两个定子铁心磁极在定子铁心的轴向外侧形成第二气隙(2)。

2、根据权利要求1所述的永磁偏置轴向磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(3)为径向充磁。

3、根据权利要求1所述的永磁偏置轴向磁轴承，其特征在于：所述的定子铁心(4)与转子(1)之间形成的轴向磁气隙(6)为0.2—0.4mm。

4、根据权利要求1所述的永磁偏置轴向磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(3)采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成。

5、根据权利要求1所述的永磁偏置轴向磁轴承，其特征在于：所述的定子铁心(4)采用导磁性能良好的材料叠压而成。

6、根据权利要求1所述的永磁偏置轴向磁轴承，其特征在于：所述的转子(1)为导磁性能良好的材料制成的推力圆盘，或者为导磁性能良好的材料制成的系统转动部分的一部分。

7、根据权利要求1所述的永磁偏置轴向磁轴承，其特征在于：所述的轴向磁轴承需成对使用，对转子(1)进行轴向平动控制以及径向扭动控制。

Images