CN101608670B - 一种垂直线圈径向均匀磁极低损耗外转子混合磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种垂直线圈径向均匀磁极低损耗外转子混合磁轴承，由转子导磁环(1)和定子(2)组成。所述转子导磁环(1)由转子铁心(11)套装在外导磁环(12)的内腔构成；定子(2)由定子盘(24)、上导磁盖板(23)、下导磁盖板(27)、八个电磁线圈(21)和定子安装轴(26)组成，其中电磁线圈(21)垂直放置并分别置于定子盘(24)的上下两侧。本发明的磁轴承线圈铁心与磁极在结构上分开，加工和装配更方便，并使磁极可以充分利用圆周面积增大承载力。

Description

一种垂直线圈径向均匀磁极低损耗外转子混合磁轴承

所属技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种垂直线圈径向均匀磁极低损耗外转子混合磁轴承，可以作为旋转部件的无接触支撑，特别是卫星姿态控制磁悬浮飞轮、储能飞轮的无接触支撑。

背景技术

主动磁轴承的损耗是一个重要的综合指标，直接影响到磁轴承的应用。主动磁轴承可分为电磁轴承和永磁偏置加电磁控制的混合磁轴承，前者必须在电磁线圈中设定偏置电流来给磁轴承提供工作点，因此控制电流大，功耗大；永磁偏置加电磁控制的混合磁轴承，永磁体提供了磁路的主要磁通和偏置工作点磁场，电磁线圈提供磁路的调节磁通，按一定控制律使转子处于平衡位置，因而可以显著减小控制电流，降低功耗，因而特别适合于对功耗要求高的空间用飞轮等应用场合。但目前的永磁偏置径向混合磁轴承采用的磁极结构，线圈铁心与工作磁极采用一体结构，磁极在圆周方向是彼此分割开的，因此，其径向磁场沿圆周方向是交替变化的，导致转子在高速旋转时，通过转子铁心圆周面的磁通按转速的N倍频(N等于磁极数)周期性变化，由此带来的涡流损耗不可忽略，而转子铁心的叠片结构只能在一定程度上减小涡流损耗。尽管进一步减小转子铁心的叠片厚度可以显著降低涡流损耗，但会带来磁轴承的支撑强度问题。因此，对高速飞轮转子，目前的混合磁轴承还存在明显的技术缺点：一方面，转子铁心的涡流将产生明显的阻滞力矩，在姿态控制用磁悬浮飞轮等航天应用场合，将会显著增加驱动电机的功耗，并影响卫星姿态控制的稳定度和精度；另一方面，为降低风阻损耗，高速转子要封闭在高真空的壳体内，这时的涡流损耗还将带来转子散热设计的困难。此外，目前的混合磁轴承线圈铁心与工作磁极采用一体结构，还存在结构复杂，不能充分利用磁极的圆周面积等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种采用垂直线圈径向均匀磁极低损耗永磁偏置外转子混合磁轴承，将磁轴承通常相互分割开的磁极在外边缘相连为一整体圆环，当转子处于平衡位置时，工作气隙的径向永磁偏置磁场在整个圆周面上是均匀的，从源头上将转子运行时的涡流损耗和阻滞力矩降低到最低程度；线圈铁心与工作磁极采用分体结构，加工和装配更方便，并使磁极可以充分利用圆周面积，增大其最大承载力。

本发明的技术解决方案是，参见图1～3所示，一种垂直线圈径向均匀磁极低损耗外转子混合磁轴承，其技术特点在于，它由转子导磁环1和定子2组成。所述转子导磁环1套在定子2上构成外转子。该转子导磁环1由外导磁环12和转子铁心11构成，其中转子铁心11同轴线套装在外导磁环12的内腔。所述定子2由定子盘24、上导磁盖板23、下导磁盖板27、八个电磁线圈21和定子安装轴26组成。其中所述上导磁盖板23、定子盘24、下导磁盖板27通过四个连接杆25依次连接并套装在定子安装轴26上。所述电磁线圈21垂直放置并分别置于定子盘24的上、下两侧。上述定子2的定子盘24由上导磁极板241、磁柱安装盘242、下导磁极板243和永磁体244组成。其中上导磁极板241、磁柱安装盘242、下导磁极板243依次层叠，永磁体244嵌入磁柱安装盘242内；上述定子2的定子盘24的外环面与上述转子导磁环1的转子铁心11的内环面之间具有间隙即工作气隙3；上述永磁体244、上导磁极板241、下导磁极板243与上述转子导磁环1和气隙3构成永磁磁路7；上述线圈铁心22、上导磁盖板23、上导磁极板241、气隙3、转子导磁环1、下导磁极板243和下导磁盖板27构成电磁磁路6。该永磁磁路7除了为本发明的磁轴承提供工作点外，还提供转子轴向运动的被动稳定控制以及转子绕X轴和Y轴转动的被动稳定。

如上述本发明的磁轴承的定子盘24的中间部分是磁柱安装盘242以及一组按磁极位置均匀分布的圆形或扇形柱状永磁体。该永磁体沿轴向同向充磁。永磁体上下两端是结构对称的导磁极板即上导磁极板241与下导磁极板243。每块导磁极板均匀分割成对称的四磁极结构。每个磁极与一个电磁控制线圈相连，磁极板平面与线圈铁心轴线垂直。在磁极板外缘，相邻磁极之间通过小截面积的导磁体连成一体，四个磁极在外缘处连接成一个整体的圆环。因此，当转子处于平衡位置时，工作气隙的径向永磁偏置磁场在整个圆周面上是均匀的，径向永磁磁通在转子铁心上产生的涡流损耗降低到最低程度。本发明采用叠片结构转子铁心，用来进一步降低转子偏离平衡位置时永磁磁通扰动和线圈控制磁通变化带来的磁轴承转子铁心的涡流损耗。

本发明可以设计为径向两轴主动控制混合磁轴承，也可以设计为径向四轴主动控制混合磁轴承，参见图4，就是说，可以设计为多个本发明产品的组合形式以供应不同的需求。

本发明的工作原理是：永磁体为外转子和内定子之间的径向工作气隙提供偏置磁通，产生磁轴承静态悬浮所需的径向力。当左右两侧气隙相等时，相对的两磁极产生的径向力相互抵消，转子处于平衡位置，当转子向左有径向位移时，左侧气隙减小，因而左侧永磁磁通增加而吸力变大，同时右侧气隙变大，右侧永磁磁通减少而吸力变小，结果会使转子继续朝左侧方向移动。为了克服这种不平衡，电磁线圈产生电磁磁通与永磁偏置磁通叠加，起到削弱左侧气隙磁通、加强右侧气隙磁通的作用，从而产生控制力把转子拉回平衡位置。

当转子在轴向有位移时，由于转子和定子之间的磁力线扭曲而产生使轴向稳定的恢复力，使转子在轴向获得被动悬浮。当转子绕X/Y轴转动时，在X/Y轴两边的转子铁心相对定子磁极在轴向产生相反方向的位移，其轴向力形成一个恢复力矩，使转子绕X/Y轴转动方向获得被动稳定。

本发明的线圈铁心与工作磁极采用分体结构，将磁轴承通常相互分割开的磁极在外边缘处相连成一整体圆环，由于永磁体在轴向同向充磁，永磁体产生的磁通在磁极外缘按径向方向经工作气间隙进出转子铁心。因此，当转子处于平衡位置时，工作气隙的径向永磁磁通在整个圆周面上是均匀的，因而将转子运行时的涡流损耗和阻滞力矩降低到最低程度。电磁线圈产生的磁通在磁极外缘按径向方向经工作气间隙进出转子铁心的同时，还有一小部分电磁磁通沿周向经导磁极板边缘连接部分进入相邻磁极，由于连接处截面积较小，因此即便较小的磁通也产生大的磁通密度，使磁极边缘连接部分的周向磁路饱和，这样，可以保证各磁极的电磁控制磁路耦合效应很小，不会对控制特性产生影响。

本发明的有益效果是，与现有技术相比，其优点在于，采用垂直线圈径向均匀磁极结构，将传统的相互分割开的磁轴承的磁极在外边缘相连成一整体的圆环，当转子处于平衡位置时，工作气隙的径向永磁磁通在整个圆周面上是均匀的，从源头上将转子运行时的涡流损耗和阻滞力矩降低到了最低程度；本发明所述的磁轴承线圈铁心，与磁极在结构上分开，加工和装配更方便，并使磁极可以充分利用圆周面积，增大其最大承载力。

附图说明

图1为本发明一个具体实施例的结构示意图；

图2为上/下导磁极板的结构示意图；

图3为本发明的磁路图；

图4为多个本发明产品的组合使用参考图。

以上图1～4中的标示为：

1——转子导磁环，

    11——转子铁心，

    12——外导磁环，

2——定子，

    21——电磁线圈，

    22——线圈铁心，

    23——上导磁盖板，

    24——定子盘，

      241——上导磁极板，

      242——磁柱安装盘，

      243——下导磁极板，

      244永磁体，

    25——连接杆，

    26——定子安装轴，

    27——下导磁盖板，

3——工作气隙，

4——通道，

5——磁极，

6——电磁磁路，

7——永磁磁路，

8——隔板，

9——隔圈。

具体实施方式

实施例1

参见图1，本发明的该实施例如上述方案由转子导磁环1和定子2两大部分组成。转子导磁环1套在定子2的外部构成外转子。转子导磁环1由外导磁环12和转子铁心11构成，其中转子铁心11同轴线套装在外导磁环12的内腔内。转子导磁环1的转子铁心11采用一种导磁性能良好的薄板型软磁材料如电工硅钢板冲压叠制而成；定子2由定子盘24、上导磁盖板23、下导磁盖板27、八个电磁线圈21、八个线圈铁心22、四个连接杆25和定子安装轴26组成，四个连接杆25将上导磁盖板23、线圈铁心22、定子盘24、下导磁盖板27依次连接成一个整体并套装在定子安装轴26上。其中定子盘24由上导磁极板241、磁柱安装盘242、下导磁极板243依次层叠而成，永磁体244嵌入安装在磁柱安装盘242内。定子2的定子盘24外环面与转子导磁环1的转子铁心11内环面之间留有间隙即工作气隙3。定子2的上导磁盖板23、上导磁极板241、下导磁极板243、下导磁盖板27及转子导磁环1的外导磁环12均采用导磁性能良好的软磁材料加工而成。定子2之定子盘24的永磁体244取材磁性良好的稀土永磁体制作并轴向同向充磁。定子2之定子盘23的磁柱安装盘242取材非导磁合金材料铝合金或钛合金制作。定子2的电磁线圈21采用导电良好的漆包线绕制后浸漆烘干而成。八个垂直放置的电磁线圈21分别置于定子盘24的上、下两侧。在每块导磁极板即上导磁极板241与下导磁极板243上，如图2所示分别呈辐射状均匀分布有对称的四个磁极5，相邻磁极5之间有通道4沟通，由导磁材料将四个磁极相互连接构成一个整体。使转子处于平衡位置时，工作气隙的径向永磁磁通在整个圆周面上是均匀的。

如图3所示，由永磁体244、上导磁极板241、下导磁极板243、转子导磁环1、气隙3构成磁轴承的永磁磁路7。由四个电磁线圈铁心22、上导磁盖板23、上导磁极板241、四个气隙3、转子导磁环1、下导磁极板243、下导磁盖板27构成磁轴承的电磁磁路6。

永磁磁路7除了为磁轴承提供工作点外，还提供转子轴向运动的被动稳定控制、以及转子绕X轴和Y轴转动运动的被动稳定。因此，图1所示的垂直线圈径向均匀磁极低损耗外转子混合磁轴承结构可以成为一种径向两轴主动控制混合磁轴承。

实施例2

如图4所示，沿轴向采用两套图1所示的基本型结构，则可以构成径向四轴主动控制、轴向被动控制磁轴承，即本发明可以设计为多个本发明产品的组合形式以供应不同的需求。这种组合形式的磁轴承，在上下两个磁轴承定子之间可设一块非导磁隔板8，转子上下导磁环之间设一块非导磁隔圈9。隔板8和隔圈9均取材不导磁的铝合金或无磁不锈钢制作。永磁体244充磁方向相反。本实施例中，就本发明的单个产品而言，除上下两个磁轴承定子内的永磁体充磁方向相反外，其它同实施例1。

Claims (2)

1.一种垂直线圈径向均匀磁极低损耗外转子混合磁轴承，其特征在于，它由转子导磁环(1)和定子(2)组成，所述转子导磁环(1)套在定子(2)上，该转子导磁环(1)由外导磁环(12)和转子铁心(11)构成，其中转子铁心(11)同轴线套装在外导磁环(12)的内腔，所述定子(2)由定子盘(24)、上导磁盖板(23)、下导磁盖板(27)、八个电磁线圈(21)和定子安装轴(26)组成，其中所述上导磁盖板(23)、定子盘(24)、下导磁盖板(27)通过四个连接杆(25)依次连接并套装在定子安装轴(26)上，所述电磁线圈(21)垂直套装在线圈铁心(22)上并分别置于定子盘(24)的上下两侧，上述定子(2)的定子盘(24)由上导磁极板(241)、磁柱安装盘(242)、下导磁极板(243)和永磁体(244)组成，其中上导磁极板(241)、磁柱安装盘(242)、下导磁极板(243)依次层叠，永磁体(244)嵌入磁柱安装盘(242)内；上述定子(2)的定子盘(24)的外环面与上述转子导磁环(1)的转子铁心(11)的内环面之间具有工作气隙(3)；上述永磁体(244)、上导磁极板(241)、下导磁极板(243)与上述转子导磁环(1)和气隙(3)构成永磁磁路(7)；上述线圈铁心(22)、上导磁盖板(23)、上导磁极板(241)、气隙(3)、转子导磁环(1)、下导磁极板(243)和下导磁盖板(27)构成电磁磁路(6)，所述上导磁极板(241)与下导磁极板(243)上分别呈辐射状均匀分布有对称的四个磁极(5)，相邻磁极(5)之间有通道(4)沟通，在导磁极板外缘，相邻磁极(5)之间通过小截面积的导磁体连成一体，四个磁极(5)在外缘处连接成一个整体的圆环，电磁线圈(21)产生的磁通在磁极(5)外缘按径向方向经工作气间隙进出转子铁心(11)的同时，还有一小部分电磁磁通沿周向经导磁极板边缘连接部分进入相邻磁极，由于连接处截面积较小，因此即便较小的磁通也产生大的磁通密度，使磁极边缘连接部分的周向磁路饱和。

2.根据权利要求1所述的一种垂直线圈径向均匀磁极低损耗外转子混合磁轴承，其特征在于，所述四个磁极(5)与所述线圈铁心(22)采用分体结构。

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