CN101235848B - 低损耗永磁偏置轴向径向磁轴承 - Google Patents

低损耗永磁偏置轴向径向磁轴承 Download PDF

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Abstract

一种低损耗永磁偏置轴向径向磁轴承，属混合磁轴承。包括轴向定子(1)、轴向控制绕组(2)、径向充磁的环形永磁体(7)、径向定子(3)、径向控制绕组(4)和套有转子铁心(6)的转子(5)。这种永磁偏置轴向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，通过外部轴向磁极铁心、转子铁心和径向定子来形成闭合磁路，轴向绕组产生控制磁通与偏置磁通叠加控制轴向悬浮，磁极间不留有间隙的四齿两对极结构的径向定子绕有控制绕组，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实现径向两自由度悬浮。结构简单，临界转速高，功耗低，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。

Description

低损耗永磁偏置轴向径向磁轴承
技术领域
本发明的低损耗永磁偏置轴向径向磁轴承，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轴向径向磁轴承结构形式分为两种，一种是将径向磁轴承与轴向磁轴承分离开来，利用同一永磁体提供径向和轴向偏置磁通，这种结构转子轴向长度长，转子临界转速低；另一种是将轴向和径向集成在一起，结构紧凑，体积小，转子动态性能大大提高，降低了轴承成本，但这种磁轴承为了便于套装径向控制绕组，径向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，当转子转动时，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紧凑，体积小，低损耗的永磁偏置轴向径向磁轴承。
本发明的永磁偏置轴向径向磁轴承，包括定子组件和转子组件，其特征在于：所述的定子组件包括轴向定子和径向定子，其中轴向定子为一对极结构，在轴向定子磁极上套有轴向控制绕组，两个轴向控制绕组串联相接，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，在径向定子的四个磁极上绕有控制绕组，相对两个齿上的控制绕组串联联接，径向充磁的环形永磁体贴装在径向定子的外端部与轴向定子内端面接触；所述转子组件包括转子铁心和转子，转子铁心套装在转子上，置于轴向定子和径向定子内。其轴向的基本工作原理是：当转子位于轴向平衡位置时，由于结构的对称性，环形永磁体产生的磁通在转子铁心轴向端面的右面气隙和左面气隙处是相等的，此时左右吸力相等。如果在此时转子受到一个向左的外扰力，转子就会偏离平衡位置向左运动，造成环形永磁体产生的左右气隙的磁通变化，即右面的气隙增大，磁通减小；左面的气隙减小，磁通增大。由于磁场吸力与磁通的平方成正比，因此右边的吸力小于左边的吸力，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，使转子右面气隙中的磁通增加，左面气隙中的磁通减小，产生一个向右的吸力，将转子拉回平衡位置。同理，转子受到轴向向左的外扰动，基于上述原理同样能使转子回复到平衡位置。径向磁轴承部分的工作原理(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左的外扰力，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，即右面的气隙增大，磁通减小；左面的气隙减小，磁通增大。依靠永磁体的磁阻力并不能使转子回复到平衡位置，需通过主动的闭环伺服系统在电磁线圈上产生控制磁通与气隙中的永磁磁通叠加，使转子右面气隙中的磁通增加，左面气隙中的磁通减小，产生一个向右的吸力，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，上述控制始终能保持转子在平衡位置。
本发明的永磁偏置轴向径向磁轴承，利用一个径向充磁的环形永磁体来建立静态偏置磁场，通过外部轴向磁极铁心、转子铁心和径向定子来形成闭合磁路，只需要两个轴向磁极和两个串联联接的轴向控制绕组、磁极间不留有间隙的四个径向定子和四个控制绕组，结构简单，临界转速高，轴承损耗低，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是低损耗永磁偏置轴向径向磁轴承结构平面示意图。
图1中标号名称：1、轴向定子。2、轴向控制绕组。3、径向定子。4、径向控制绕组。5、转子。6、转子铁心。7、环形永磁体。
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：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，双虚线表示轴向控制绕组产生的控制磁通。
五、具体实施方式
图1是本发明的低损耗永磁偏置轴向径向磁轴承结构示意图，图中的轴向定子磁极1为电工铁制成，轴向定子磁极上套有2个轴向控制绕组2，控制绕组2串联相接，轴向定子内端面与环形永磁体7接触，环形永磁体贴装在径向定子3的外端部位置，径向定子为磁极间不留有间隙的四磁极结构由硅钢片叠压而成，每个磁极上分别绕有控制绕组4，转子铁心6由硅钢片叠压而成套装在转子5上置于定子1和定子3内。环形永磁体产生的偏置磁通依次经过轴向磁极铁心、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。轴向控制绕组产生的控制磁通只经过轴向定子和轴向气隙，如图2中的双虚线所示。径向控制绕组产生的控制磁通只经过径向气隙和径向定子，不经过轴向气隙，如图2中的单虚线所示。轴向控制磁通和径向控制磁通彼此解耦，互不干扰。磁路图如图2的原理图所示。

Claims (1)

1.一种低损耗永磁偏置轴向径向磁轴承，包括定子组件和转子组件，所述的定子组件包括轴向定子(1)和径向定子(3)，其中轴向定子(1)为一对极结构，在轴向定子(1)磁极上套有轴向控制绕组(2)，两个轴向控制绕组串联相接，径向定子(3)为四齿两对极结构的径向定子，在径向定子(3)的四个磁极上绕有控制绕组(4)，相对两个齿上的控制绕组串联联接，径向充磁的环形永磁体(7)贴装在径向定子(3)的外端部与轴向定子(1)内端面接触，所述转子组件包括转子铁心(6)和转子(5)，转子铁心(6)套装在转子(5)上，置于轴向定子(1)和径向定子(3)内，其特征在于：径向定子(3)的四个定子磁极间不留间隙。
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