CN101581336A - 永磁偏置轴向磁悬浮轴承 - Google Patents
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Abstract
一种永磁偏置轴向磁悬浮轴承，属磁悬浮轴承中的混合型磁悬浮轴承。包括主轴(1)、转子导磁铁心(2)、定子导磁铁心(3)、环形永磁体(4)、右轴向磁极(5)、控制绕组(6)、左轴向磁极(7)和推力盘(8)，这种永磁偏置轴向磁悬浮轴承利用一个轴向充磁的环形永磁体在左轴向气隙和右轴向气隙中建立静态偏置磁场，轴向控制绕组产出的控制磁通与偏置磁通在轴向左气隙和轴向右气隙中叠加，从而实现轴向悬浮。整个磁悬浮轴承结构简单，体积小，重量轻，功耗小，成本低，在飞轮储能，涡能分子泵等各种磁悬浮系统中都有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明的永磁偏置轴向磁悬浮轴承属磁悬浮轴承中的混合型磁悬浮轴承。
背景技术
磁悬浮轴承按照磁场建立方式的不同可分为全电磁型、永磁型和混合型三种类型。
全电磁型磁悬浮轴承由通入直流电的偏磁绕组在气隙中建立偏置磁场，由通入大小和方向都受到实时控制的交变电流的控制绕组来在气隙中建立控制磁场，这两个磁场在气隙中的叠加和抵消产生了大小和方向都可以主动控制的磁场吸力，从而实现了转子的稳定悬浮，这种类型的磁悬浮轴承刚度大，可以精密控制，但产生单位承载力所需的体积、重量和功耗也都比较大。
永磁型磁悬浮轴承利用磁性材料之间的吸力或斥力来实现转子的悬浮，所需控制器简单，功耗小，但刚度和阻尼也都比较小。
混合型磁悬浮轴承结合了主动型磁悬浮轴承和被动型磁悬浮轴承的特点，采用永磁材料替代偏磁线圈来产生所需的偏置磁场，因此电磁线圈匝数比主动型磁悬浮轴承少得多，较大程度地降低了磁悬浮轴承的功率损耗，减小了产生单位承载力所需的体积和重量，以上特点使其在对体积和功耗有着严格要求的领域有着不可替代的优势，因此混合型磁悬浮轴承已成为磁悬浮轴承研究与发展的一个重要方向。
发明内容
本发明的目的在于提出一种结构简单，安装方便，功耗低，成本小的永磁偏置轴向混合型磁悬浮轴承。
本发明的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，包括主轴、转子导磁铁心、定子导磁铁心、环形永磁体、右轴向磁极、控制绕组、左轴向磁极、推力盘。左轴向磁极与右轴向磁极的形状相同，左轴向磁极的右外端面与右轴向磁极的左外端面接触；推力盘套装在主轴上，置于左轴向磁极与右轴向磁极共同形成的内空间中，且推力盘与左轴向磁极的右内端面之间存在左轴向气隙，推力盘与右轴向磁极的左内端面存在右轴向气隙，控制绕组只有一套，位于左轴向磁极，右轴向磁极和推力盘围合的空间内，环形永磁体嵌在定子导磁铁心和右轴向磁极间，该环形永磁体的左侧端面与右轴向磁极的右外端面接触，该环形永磁体的右侧端面与定子导磁铁心的左侧端面接触，转子导磁铁心套装在主轴上，其左端面与推力盘的右端面接触，且与定子导磁铁心间存在径向气隙。
轴向充磁的环形永磁体的磁通，通过右轴向磁极、左轴向磁极、推力盘、转子导磁铁心和定子导磁铁心构成回路，在左轴向磁极与推力盘之间的左轴向气隙和右轴向磁极与推力盘之间的右轴向气隙中分别建立偏置磁场；控制绕组在通入电流后，通过左轴向磁极、右轴向磁极和推力盘来形成磁回路，在左轴向气隙和右轴向气隙中建立控制磁场。
本发明的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，利用一个径向充磁的环形永磁体分别在左轴向气隙和右轴向气隙中建立静态偏置磁场，轴向控制绕组产出的控制磁通与偏置磁通在轴向左气隙和轴向右气隙中叠加，从而实现轴向悬浮。整个磁悬浮轴承结构简单，安装方便，功耗小，成本低，在飞轮储能，涡能分子泵等各种磁悬浮系统中都有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的永磁偏置轴向磁悬浮轴承轴向截面示意图；
图2是本发明的永磁偏置轴向磁悬浮轴承原理图。
图中：1、主轴，2、转子导磁铁心，3、定子导磁铁心，4、环形永磁体，5、右轴向磁极，6、控制绕组，7、左轴向磁极，8、推力盘。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
图1是本发明的新型永磁偏置轴向磁悬浮轴承轴向截面示意图，图中的转子导磁铁心2、定子导磁铁心3、右轴向磁极5、左轴向磁极7均为实心软磁材料制成，环形永磁体4由稀土永磁材料制成，主轴1由不导磁材料制成，控制绕组6由漆包线绕制。左轴向磁极7与右轴向磁极5的形状相同，左轴向磁极7的右外端面与右轴向磁极5的左外端面接触；推力盘8套装在主轴1上，置于左轴向磁极7与右轴向磁极5共同形成的内空间中，且推力盘8与左轴向磁极7的右内端面之间存在左轴向气隙，推力盘8与右轴向磁极5的左内端面存在右轴向气隙，控制绕组6只有一套，位于左轴向磁极7，右轴向磁极5和推力盘8围合的空间内，环形永磁体4嵌在定子导磁铁心3和右轴向磁极5间，该环形永磁体4的左侧端面与右轴向磁极5的右外端面接触，该环形永磁体4的右侧端面与定子导磁铁心3的左侧端面接触，转子导磁铁心2套装在主轴1上，其左端面与推力盘的右端面接触，且与定子导磁铁心3间存在径向气隙。
图2是本发明的新型永磁偏置轴向磁悬浮轴承原理图，单箭头表示控制绕组产生的磁场，双箭头表示永磁偏置磁场，轴向充磁的环形永磁体4的磁通，通过右轴向磁极5、左轴向磁极7、推力盘8、转子导磁铁心2和定子导磁铁心3构成回路，在左轴向磁极7与推力盘8之间的左轴向气隙和右轴向磁极5与推力盘8之间的右轴向气隙中分别建立偏置磁场；控制绕组6在通入电流后，通过左轴向磁极7、右轴向磁极5和推力盘8来形成磁回路，在左轴向气隙和右轴向气隙中建立控制磁场。其基本工作原理是：当推力盘8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4产生的磁通在左轴向气隙和右轴向气隙处是相等的，此时左右吸力相等。如果在此时推力盘8受到一个向左的轴向外扰力，推力盘8就会偏离平衡位置向左侧轴向运动，造成环形永磁体4在左轴向气隙和右轴向气隙中产生的偏置磁场的磁通量的变化，即左轴向气隙减小，左轴向气隙中偏置磁场的磁通量增大；右轴向气隙增大，右轴向气隙中偏置磁场的磁通量减小。由于在磁极面积一定时磁场吸力与磁场磁通量的平方成正比，因此向左的吸力大于向右的吸力，在控制绕组6没有通入电流前，推力盘8将无法回到平衡位置。此时位移传感器检测出推力盘8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电流，这个电流流经控制绕组6在铁心和两轴向气隙中建立起一个控制磁场，两轴向气隙中的控制磁场和偏置磁场叠加，使推力盘8左轴向气隙中磁场的磁通量减小，右轴向气隙中磁场的磁通量增大，产生一个向右的轴向吸力，将推力盘8拉回平衡位置。同理，若推力盘8受到向右的外扰动，带位置负反馈的永磁偏置轴向磁悬浮轴承通过控制器控制绕组中的电流，调节各气隙磁通的大小，始终能保持推力盘8在平衡位置。
Claims (1)
1、一种永磁偏置轴向磁悬浮轴承，包括主轴(1)、环形永磁体(4)、右轴向磁极(5)、控制绕组(6)、左轴向磁极(7)和推力盘(8)，其特征在于：还包括转子导磁铁心(2)、定子导磁铁心(3)，所述的左轴向磁极(7)与右轴向磁极(5)的形状相同，左轴向磁极(7)的右外端面与右轴向磁极(5)的左外端面接触，所述的推力盘(8)套装在主轴(1)上，置于左轴向磁极(7)与右轴向磁极(5)共同形成的内空间中，且推力盘(8)与左轴向磁极(7)的右内端面之间存在左轴向气隙，推力盘(8)与右轴向磁极(5)的左内端面存在右轴向气隙，所述的控制绕组(6)位于左轴向磁极(7)、右轴向磁极(5)和推力盘(8)围合的空间内，所述的环形永磁体(4)设置在定子导磁铁心(3)和右轴向磁极(5)间，该环形永磁体(4)的左侧端面与右轴向磁极(5)的右外端面接触，该环形永磁体(4)的右侧端面与定子导磁铁心(3)的左侧端面接触，所述的转子导磁铁心(2)套装在主轴(1)上，其左端面与推力盘(8)的右端面接触，且与定子导磁铁心(3)间存在径向气隙。
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