CN101158376B - 磁悬浮电机轴承结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁悬浮电机轴承结构，包括设于电机引出轴一端的轴套，设于轴套腔室内的电磁铁组，以及控制电磁铁磁力的控制电路和检测转轴距外围电磁铁组悬浮气隙的传感器，其特征在于：所述电磁铁组至少包括2对电磁铁，环形均布于电机引出轴的端部周围，每一所述电磁铁的磁芯轴向载面呈E型，开口朝向电机引出轴设置，所述引出轴端部设置有与E型磁芯对应的由三道环状凸起构成的接合部，接合部的环状凸起高出引出轴表面的距离为轴径的1/10～2/10，并由导磁性材料构成。本发明通过E型磁芯与接合部的配合，实现了对引出轴在轴向上的位置限定，省去了止推轴承，简化轴承结构及控制电路。
Description
技术领域
本发明涉及一种电机轴承，具体涉及一种磁悬浮的电机轴承结构；同时涉及一种采用该电机轴承的电机。
背景技术
在电机中，支撑转子旋转的轴承，通常有滚动轴承、滑动轴承等，由于转子接触轴承并高速转动，在此过程中产生摩擦、噪音与振动，将出现电力消耗量增大以及降低轴承使用寿命等问题；另外，转子与轴承之间的润滑油在转子旋转时有可能被挤压出来，故也无法满足在例如无尘室等洁净度高的环境中的使用要求。
针对上述摩擦、转速影响、使用寿命、洁净性等问题，近年来人们利用磁悬浮现象研制出了磁悬浮轴承，即利用电磁力将转子悬浮于空间，不需要直接介质接触而实现承载的非接触式支撑装置，由于磁悬浮轴承的非摩擦性，无损耗，可提高转子的旋转速度，且无须使用润滑油，可避免润滑油污染周围环境的问题。
根据磁场性质及实现方式的不同，将磁悬浮轴承分为无源磁轴承和有源磁轴承两大类。无源磁轴承，又称为被动磁轴承(Passive Magnetic Bearing)，其磁力由永久磁铁或恒定电流作用下的软磁材料提供，其磁场是不可控的，因此目前应用范围很少；有源磁轴承，又称为主动磁轴承(Active MagneticBearing)，磁场是可控的，其磁力由交流线圈产生的磁场提供，或由永久磁铁和交流线圈的混合磁场提供，从而使其磁力可控，因而应用场合可以更为宽泛。有源磁轴承的基本结构为，处于三维空间内的转子具有6个刚体自由度，其中绕转轴Z的转动Ω由电机来控制，而其余5个自由度必须由磁轴承控制器来控制，这就要求有2个径向轴承(分别构成X、Y两个方向)和1个轴向轴承(Z方向)，由此构成一个完整的电磁轴承系统，其轴向轴承通常可称为止推轴承，避免转子的轴向侧移。
然而，若采用主动磁轴承，必须解决转子5个自由度上磁轴承的相对磁力控制，尤其是止推轴承与其它4个方向上的轴承之间的配合，从而使转子在悬浮空间内的位置保持平衡且稳定，由此产生的磁力控制问题相对复杂，加上其造价的高昂，限制了主动磁悬浮轴承的发展。
发明内容
本发明目的是提供一种结构相对简单，且磁力易于控制的磁悬浮电机轴承结构。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种磁悬浮电机轴承结构，包括设于电机引出轴一端的轴套，设于轴套腔室内的电磁铁组，以及控制电磁铁磁力的控制电路和检测转轴距外围电磁铁组悬浮气隙的传感器，所述电磁铁组至少包括2对电磁铁，环形均布于电机引出轴的端部周围，每一所述电磁铁的磁芯轴向载面呈E型，开口朝向电机引出轴设置，所述引出轴端部设置有与E型磁芯对应的由三道环状凸起构成的接合部，接合部的环状凸起高出引出轴表面的距离为轴径的1/10～2/10，并由导磁性材料构成。
上述技术方案中，所述电机引出轴为由电动机转轴向外两端延长的引出轴(即转子转轴的端部)，该引出轴通过轴承(与定子或壳体连接)支撑、连接至外接被传动设备上。所述每一引出轴端上环形均布至少两对电磁铁，即为在轴的上下和左右方向各设有一电磁铁，同时每一电磁铁带有一套差动变压器式的间隙检测传感器，以检测引出轴在每一方向上的间隙位置(与电磁铁的间距)。由导磁性材料制成的所述接合部可以是与引出轴一体的结构，亦或是固定连接于引出轴上，一般可以采用导磁性好的金属材料构成，其对应于E型磁芯设置，即对应构成E型的3个凸杆处分别设有环形接合部，且该接合部凸起于轴表面，高出距离与轴径有关，为轴径的1/10～2/10，通常可以在1.8mm～3.5mm，以便磁通穿越接合部，实现磁路闭合(根据磁阻最小原理，磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合)，该闭合路径为磁通自磁芯至导磁材料的接合部再回至磁芯，因而当转轴在轴向发生偏移时，磁通一部分将穿过接合部间的凹槽，也就是要穿过空气，空气的磁导率(μ0＝4π×10-7(H/m))远小于导磁性材料(μr→∞)，导致磁阻变大
为符合磁阻最小原理，转轴将被自动拉至原始位置，即接合部与磁芯的E型凸杆对齐，从而起到了止推轴承的作用，故可节省止推轴承的设置，简化磁悬浮轴承结构及相应的控制电路。所述控制电路包括控制器和功率放大电路，电磁铁经功率放大电路与控制器连接，每一间隙检测传感器测得的位移量经电路输入控制器内，由控制器控制输入电磁铁的电流i的大小，以此控制是相应方向上电磁铁对引出轴的吸力F(
N为线圈匝数)。
其基本原理是：当转轴处于轴套内径中心位置时，转轴与轴套中的各个电磁铁下的气隙长度相等，此状态称之为磁悬浮轴承转轴的平衡状态。如果磁悬浮轴承的转轴处于平衡状态并稳定运行时，转轴上的负载突然有一变化，原来处于平衡的状态被破坏，每个电磁铁下的气隙长度发生了变化，此时与每一电磁铁配合的间隙传感器立即反映出这一变化，传递至电磁力控制器，根据这一变化后调节各个电磁铁线圈中的电流来改变各个电磁铁的电磁力，使得转轴回到原来的平衡状态。
优选的技术方案是，所述电磁铁组包括4对电磁铁，环绕电机引出轴端部的接合部均匀分布。从而，环绕引出轴的接合部，4对电磁铁分别位于上、下，左、右，左上、右下，右上、左下，其控制原理与前述类似，由于有8个电磁铁，可以更好地实现转子位置控制。
上述技术方案中，所述每一电磁铁上的线圈绕制于所述E型磁芯位于内侧的中间凸杆上。
一种磁悬浮电机，包括壳体、定子、转子和控制机构，所述转子两端分别设有一如前所述的磁悬浮电机轴承结构，转子转轴的两端分别构成所述电机引出轴。
所述环状凸起构成的接合部与所述电机转子转轴为一体结构。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.本发明利用磁阻最小原理，通过E型磁芯与环形接合部相对应的方式，使磁通路径总能从磁芯到接合部再回到磁芯，如此便可将与接合部一体或固定连接的引出轴(转轴)始终保持在接合部与E型磁芯对齐的原始位置上，限定了引出轴的轴向位置，从而可省去止推轴承的设置，简化了整个磁悬浮轴承系统的结构及控制电路；
2.由于本发明电磁铁的线圈是绕于E型磁芯的中间凸杆上的，因而与U型磁芯相比较，线圈是嵌入至磁芯的，使整个电磁铁在结构上更为紧凑，安装更为方便，亦缩小了磁悬浮轴承的体积。
附图说明
图1是本发明实施例一的结构示意框图；
图2是本发明实施例一中磁芯与接合部的剖视示意图(线圈未画出)。
其中：1、磁芯；2、传感器；3、接合部；4、转轴；5、中间凸杆；6、凹槽部。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1、2所示，一种磁悬浮电机轴承结构，由电机转子两端的两个轴承组成，包括分别设于电机引出轴两端的轴套，设于轴套腔室内的电磁铁组，以及控制电磁铁磁力的控制电路和检测转轴距外围电磁铁组悬浮气隙的传感器，所述电磁铁组包括4对电磁铁，每两对环形均布于电机引出轴的一端，每一所述电磁铁的磁芯轴向载面呈E型，线圈绕于该E型磁芯位于内侧的中间凸杆上，每一所述引出轴端上设置有与E型磁芯对应的环形电磁铁接合部，该接合部凸起于轴表面2mm，与引出轴一体结构(由金属导磁性材料构成)。
如图1所示，所述电磁铁组包括上下、左右两对电磁铁，由与其配合的传感器测检电磁铁与引出轴(转轴)之间的气隙大小，将位移信号经传感器信号变送电路送至控制器DSP中，由控制器判断并控制输出电流的大小，经功率放大电路输至各个对应的电磁铁内，从而实现对各方位上电磁铁的磁力大小的实时控制，以确保转轴在径向上的位置不变，悬浮于轴套内的中心位置上；
而在轴向上，利用了磁阻最小原理，如图2所示，在转轴的两端分别设置上下电磁铁对及相应的传感器2，平衡Y轴向上的转轴4偏移量(X轴上的偏移量由前后一对电磁铁平衡，该图中未画出)，每一电磁铁的磁芯1轴向截面呈E型，线圈绕于E型磁芯的中间凸杆5上，构成嵌入式的缠绕方式，对应于每一E型的凸杆处的转轴上设置环形接合部3，如此在对齐的原始状态下，磁通由磁芯经接合部回至磁芯，形成闭合磁通回路；但当转轴在轴向上发生位置偏移时，磁通闭合回路将发生变化，磁通有可能需穿越接合部两环间的凹槽部6，该处的磁导率为μ0＝4π×10-7(H/m)，空气磁导率，故磁阻
(式中：x为转轴在Y方向上偏离平衡位置的位移；S为磁芯的截面积)，而导磁性材料的磁导率可似为μr→∞，可见转轴的偏移将导致磁阻变大，因此引力F在磁阻最小原理的作用下把转轴拉至原始位置，限定了转轴的轴向位置；
如上所述，转轴在5个自由度上分别由4对电磁铁进行控制，实现一个完整的电磁轴承系统。
实施例二：一种磁悬浮电机，包括壳体，设置于壳体内的定子、转子及控制机构，其中，所述转子两端通过实施例一的轴承与壳体连接。
实施例三：一种磁悬浮电机轴承结构，包括分别设于电机引出轴两端的轴套，设于轴套腔室内的电磁铁组，以及控制电磁铁磁力的控制电路和检测转轴距外围电磁铁组悬浮气隙的传感器，所述电磁铁组包括8对电磁铁，每4对环形均布于电机引出轴的一端，每一所述电磁铁的磁芯轴向载面呈E型，线圈绕于该E型磁芯位于内侧的中间凸杆上，每一所述引出轴端上设置有与E型磁芯对应的环形电磁铁接合部，该接合部凸起于轴表面3mm，由导磁性材料构成，与所述引出轴固定连接。
实施例四：一种磁悬浮电机，包括壳体，设置于壳体内的定子、转子及控制机构，其中，所述转子两端通过实施例三的轴承与壳体连接。
Claims (5)
1.一种磁悬浮电机轴承结构，包括设于电机引出轴一端的轴套，设于轴套腔室内的电磁铁组，以及控制电磁铁磁力的控制电路和检测转轴距外围电磁铁组悬浮气隙的传感器，其特征在于：所述电磁铁组至少包括2对电磁铁，环形均布于电机引出轴的端部周围，每一所述电磁铁的磁芯轴向载面呈E型，开口朝向电机引出轴设置，所述引出轴端部设置有与E型磁芯对应的由三道环状凸起构成的接合部，接合部的环状凸起高出引出轴表面的距离为轴径的1/10～2/10，并由导磁性材料构成。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮电机轴承结构，其特征在于：所述电磁铁组包括4对电磁铁，环绕电机引出轴端部的接合部均匀分布。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮电机轴承结构，其特征在于：所述每一电磁铁上的线圈绕制于所述E型磁芯位于内侧的中间凸杆上。
4.一种磁悬浮电机，包括壳体、定子、转子和控制机构，其特征在于：所述转子两端分别设有一权利要求1所述的磁悬浮电机轴承结构，转子转轴的两端分别构成所述电机引出轴。
5.根据权利要求4所述的磁悬浮电机，其特征在于：所述环状凸起构成的接合部与所述电机转子转轴为一体结构。
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