CN101158375B - 低损耗的永磁偏置径向磁轴承 - Google Patents

低损耗的永磁偏置径向磁轴承 Download PDF

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Abstract

一种低损耗的永磁偏置径向磁轴承，属混合磁轴承。包括径向定子(1)、控制绕组(2)、径向充磁的环形永磁体(5)、外部磁极铁心(6)和套有转子铁心(4)的转子(3)。利用径向充磁的环形永磁体来建立静态偏置磁场，通过外部磁极铁心、转子铁心、径向定子形成闭合磁路，径向定子(1)由硅钢片叠压而成，为四齿两对极结构，为减少转子铁心中的涡流损耗，磁极间不留有间隙，在四个齿上绕有控制绕组(2)，相对的两个齿上的绕组串联相接，产生控制磁通与偏置磁通叠加，产生可控磁悬浮力，使转子始终保持在平衡位置。该磁轴承结构简单，体积小，重量轻，功耗低，轴向占用空间小，在飞轮储能、涡轮分子泵等高速应用场合具有广阔的应用前景。

Description

低损耗的永磁偏置径向磁轴承
一、技术领域
本发明的低损耗永磁偏置径向磁轴承属磁轴承中的混合磁轴承。
二、背景技术
磁悬浮轴承又简称为磁轴承，是利用定子和转子之间的磁力作用将转子悬浮于空间，使定子和转子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承。由于定、转子之间不存在机械上的接触，所以磁悬浮轴承的转子可达到很高的运转转速，并且具有机械磨损小、能耗低、寿命长、无润滑、无污染等优点，特别适合高速、真空和超洁净等特殊的应用场合。
目前，磁轴承按照磁力提供的方式分为以下几种：第一种是主动磁轴承，这种磁轴承线圈中存在偏置电流，以提供偏置磁场，由控制电流流经控制绕组产生的控制磁通与偏置磁通进行叠加，从而产生可控的悬浮力，体积、重量和功耗都比较大。第二种是被动磁轴承，这种磁轴承的悬浮力完全由永磁体提供，其所需的控制器简单，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。第三种是混合磁轴承，这种磁轴承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，电磁铁提供的只是平衡负载或干扰的控制磁场，大大降低了因偏置电流产生的功率损耗，电磁铁所需的安匝数只是主动磁轴承的一半，缩小了磁轴承的体积，减轻了其重量，并提高了承载能力。
目前国际上研究的永磁偏置径向磁轴承结构形式分为异极性和同极性结构，异极性结构轴向长度可以做得较短，但是会产生磁滞损耗，而同极性的结构的磁轴承磁滞损耗大大减小，但是普通同极性磁轴承结构较复杂，所需控制绕组多，功耗大，同时为了便于套装控制绕组，定子磁极之间有留有空隙，导致气隙磁密中含有齿谐波分量，当转予转动时，交替地处于定子齿或空隙下，其上的磁密以较高的频率交变，交变的磁密在转子铁心上会产生较大的涡流损耗，导致磁轴承的损耗增大。
三、发明内容
本发明的目的在于提出一种结构简单，体积小，重量轻，功耗低，占用轴向空间小的同极性永磁偏置径向磁轴承。
本发明的低损耗永磁偏置径向磁轴承，包括定子组件和转子组件，其特征在于：所述定子组件，包括径向定子、控制绕组、环形永磁体和外部磁极铁心，其中径向定子为四齿两对极结构的径向定子，四个齿间不留间隙，在径向定子的四个齿上绕有控制绕组，相对两个齿上的控制绕组串联联接，环形永磁体贴装在径向定子的外端部，外部磁极铁心套装在径向定子的外圆上，其内端面与环形永磁体外端接触。所述转子组件包括转子和转子铁心，转子铁心套装在转子上，置于径向定子和外部磁极铁心内。这种磁轴承的基本工作原理(以水平方向为例)是：当转子位于中间位置，即平衡位置时，由于结构的对称性，环形永磁体产生的磁通在转子右面的气隙和左面的气隙处是相等的，此时左右吸力相等。如果在此时转子受到一个向右的外扰力，转子就会偏离平衡位置向右运动，造成环形永磁体产生的左右气隙的磁通变化，即左面的气隙增大，磁通减小；右面的气隙减小，磁通增大。由于磁场吸力与磁通的平方成正比，因此左边的吸力小于右边的吸力，在加入控制磁通前，转子将无法回到平衡位置。此时位移传感器检测出转子偏离其参考位置的位移量，控制器将这一位移信号变换成控制信号，功率放大器又将此控制信号变换成控制电流，这个电流流经电磁线圈绕组使铁心内产生一个电磁磁通，这个电磁磁通与气隙中的永磁磁通叠加，使转子左面气隙中的磁通增加，右面气隙中的磁通减小，产生一个向左的吸力，将转子拉回平衡位置。同理，不论转子受到向左、向右、向上或向下的外扰动，带位置负反馈的永磁偏置径向磁轴承通过控制器控制励磁绕组中的电流，调节各气隙磁通的大小，始终能保持转子在平衡位置。
这种永磁偏置径向磁轴承利用一个径向充磁的环形永磁体来建立静态偏置磁场，通过外部磁极铁心、转子铁心、径向定子形成闭合磁路，径向定子由硅钢片叠压而成，为四齿两对极结构，为减小气隙中磁密的变化，消除齿谐波影响，减少转子铁心中的涡流损耗，磁极间不留有间隙，在四个齿上绕有控制绕组，相对的两个齿上的绕组串联相接，产生控制磁通与偏置磁通叠加，产生可控磁悬浮力，使转子始终保持在平衡位置。该型磁轴承结构简单，体积小，重量轻，功耗低，轴向占用空间小，在飞轮储能、空调压缩机、涡轮分子泵等高速应用场合具有广阔的应用前景。将其利用于航空航天和舰艇等国防领域则更具有重要意义。
四、附图说明
图1是低损耗永磁偏置径向磁轴承结构平面示意图。
图1中标号名称：1、径向定子。2、控制绕组。3、转子。4、转子铁心。5、环形永磁体。6、外部磁极铁心。
图2是低损耗永磁偏置径向磁轴承原理图。
图2中标号名称：A是气隙，实线表示永磁偏置磁通，单虚线表示径向控制绕组产生的控制磁通。
五、具体实施方式
图1是本发明的永磁偏置径向磁轴承结构示意图，图中的径向定子1由硅钢片叠压而成，为两对极结构，共有四齿，为减少气隙中磁密的变化，消除齿谐波影响，减少转子铁心中的涡流损耗，齿间没有间隙，在四个齿上绕有控制绕组2，相对的两个齿上的绕组串联相接，环形永磁体5贴装在径向定子1的外部的位置，外部磁极铁心6为电工纯铁制成，为进一步减小磁滞和涡流损耗，转子铁心4由硅钢片叠压而成，外部磁极铁心6套装在径向定子1外圆上，其内端面与环形永磁体5接触，套装在转子3上的转子铁心4置于定子1和外部磁极铁心6内。环形永磁体产生的偏置磁通依次经过外部磁极铁心、径向气隙A、转子铁心、径向气隙和径向定子构成回路，如图2中的实线所示。由控制绕组产生的控制磁通只经过径向气隙，不经过气隙A，如图2中的虚线所示。

Claims (1)

1.一种低损耗的永磁偏置径向磁轴承，包括定子组件和转子组件，所述定子组件，包括径向定子(1)、控制绕组(2)、环形永磁体(5)和外部磁极铁心(6)，其中径向定子(1)为四齿两对极结构的径向定子，在径向定子(1)的四个磁极上绕有控制绕组(2)，相对两个齿上的控制绕组串联联接，环形永磁体(5)贴装在径向定子(1)的外端部，外部磁极铁心(6)套装在径向定子(1)的外圆上，外部磁极铁心(6)的内端面与环形永磁体(5)外端接触，所述转子组件包括转子(3)和转子铁心(4)，转子铁心(4)套装在转子(3)上置于径向定子(1)和外部磁极铁心(6)内，其特征在于：径向定子(1)的四个定子磁极间不留间隙。
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