CN101696713B - 一种永磁上吸下斥结构的低功耗内转子径向磁轴承 - Google Patents
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Abstract
永磁上吸下斥结构的低功耗内转子径向磁轴承，由外导磁环，外绝磁环，定子铁芯，励磁线圈，内永磁环，转子铁芯，内绝磁环，内导磁环，外永磁半环，气隙，转轴组成。定子铁芯在X轴、Y轴的正负方向共建立起8个电磁磁极和4个永磁磁极，定子上的永磁铁芯和电磁铁芯之间是外绝磁环，定子Y轴负方向，两个永磁铁芯中间，通过外导磁环夹着外永磁半环。定子铁芯和转子铁芯之间是空气隙，转子上的永磁铁芯环和电磁铁芯环之间是内绝磁环，永磁铁芯环和永磁铁芯环之间是内导磁环，内导磁环中间夹着内永磁环。本发明具有功耗低、控制简单、制造方便等优点，可作为风力发电机、电动机、分子泵、高速轴承、机床等旋转设备的无接触支撑部件。
Description
所属技术领域
本发明专利涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种永磁上吸下斥结构的低功耗内转子径向磁轴承，可取代目前的机械轴承，能作为风力发电机、电动机、分子泵，高速轴承，机床等旋转设备的无接触支撑部件。
背景技术
由于磁悬浮轴承具有无接触、不需要润滑、寿命长、噪声小等优点，在需要减摩和高速运转的领域有重要的意义，将磁悬浮轴承应用在风力发电机系统中，去掉原来的机械轴承和增速齿轮，可将最低启动风速降至1.5m/s左右，年平均发电时间提高30％-50％。目前纯被动式的磁悬浮轴承是很难安装的，纯主动式的磁悬浮轴承消耗电流偏大，功耗也较大，被动式和主动式混合的磁悬浮轴承最显著的特征是：利用永磁体产生偏置磁场，利用电磁磁场调节转子的平衡位置，这在一定程度上减小了励磁电流，降低了功率损耗；但是混合式磁悬浮轴承一般是在普通径向电磁轴承的基础上，放置永磁体，使永磁磁路和电磁磁路相互独立，而又存在一定的交叉区域，这样励磁线圈内电流所产生的电磁磁场，将使转子与定子间空气隙的磁通密度一侧增加，另一侧减少，从而产生调节转子平衡位置的磁场力，但是这种力在四个方向上均是吸引力，并不能抵消转子本身的重力，并且转子和定子间空气隙内磁通密度减少一侧的磁通也不可能完全减少为零，而这种非零的磁场将产生调节平衡的阻力。由于存在上述缺陷，故现有的永磁偏置轴承存在重力干扰，功耗稍大，控制复杂等缺点。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种无重力状态的，低功耗的，控制简单的，加工容易的永磁上吸下斥结构的内转子径向磁轴承。
本发明的技术解决方案为：永磁上吸下斥结构的低功耗内转子径向磁轴承，其基本特征在于：由外导磁环，外绝磁环，定子铁芯，励磁线圈，内永磁环，转子铁芯，内绝磁环，内导磁环，外永磁半环，空气隙和转子轴组成。定子铁芯包括电磁铁芯和永磁铁芯，每个电磁铁芯组成4个方向的磁极，在每个电磁铁芯上都绕有励磁线圈，分别分布在X轴、Y轴的正负方向，2个电磁铁芯共组成轴承左右两端8个电磁磁极，在Y轴的正负两个方向上还各有2个永磁铁芯，形成4个永磁磁极，永磁铁芯和电磁铁芯都固定在外导磁环上，永磁铁芯和电磁铁芯之间采用外绝磁环隔离磁路，定子Y轴负方向，两个永磁铁芯中间，通过外导磁环夹着外永磁半环。定子铁芯的内部是转子铁芯，定子铁芯内表面与转子铁芯外表面之间有一定的间隙，形成空气隙，转子铁芯包括永磁铁芯环和电磁铁芯环，永磁铁芯环和电磁铁芯环都固定在内导磁环上，永磁铁芯环和电磁铁芯环之间是内绝磁环，永磁铁芯环和永磁铁芯环之间是内导磁环，内导磁环中间夹着内永磁环。
上述方案的原理是：利用永磁体与铁芯之间的作用力，以及永磁体与永磁体之间的作用力，来抵消转子自身的重力，使转子工作在无重力状态下，而励磁线圈产生的电磁场主要起到调节平衡位置的作用。本发明的上吸永磁磁路为：磁通从永磁环N极出发，通过一端内导磁环、转子永磁铁芯、气隙、定子永磁铁芯、外导磁环，到达另一端的定子永磁铁芯、气隙、转子永磁铁芯、另一端的内导磁环，回到永磁体S极。下斥永磁磁路分为2路：(1)磁通从内永磁环N极出发，通过一端内导磁环、转子永磁铁芯、气隙、到达另一端的转子永磁铁芯、另一端的内导磁环，回到永磁体S极；(2)磁通从外永磁半环N极出发，通过一端外导磁环、定子永磁铁芯、气隙、到达另一端的定子永磁铁芯、另一端的外导磁环，回到永磁体S极，如图1所示。以某端Y轴正方向励磁线圈通电产生磁通为例，其电磁磁路路径为：通过Y轴正方向定子铁芯、Y轴正方向气隙、转子铁芯、另外三个方向气隙、另外三个方向的定子铁芯，回到Y轴正方向定子铁芯，如图2所示。
本发明与现有技术相比的优点在于：目前已有的永磁偏置磁轴承，通过永磁体建立一个偏置磁场，使电磁磁场与偏置磁场相叠加，共同产生一个作用力，这在一定程度上能降低调节电流的大小，但是永磁体在4个方向上均产生吸力，本质上并不能消除重力的影响，本发明采用永磁体实现上吸下斥的施力结构，以抵消转子自身的重力，从而将转子视为没有质量的理想介质，简化了平衡位置调节的策略，降低了励磁线圈中调节电流的大小，使轴承的损耗降至最低。该磁轴承的永磁磁路和电磁磁路没有相交，完全独立，互不干涉，既保证了电磁磁路不通过永磁体内部，杜绝了电磁磁路的磁损耗，又保证了永磁磁路不干扰轴承转子平衡位置的调节，稳定性得以提高。该磁轴承的永磁磁路和电磁磁路，对转轴的切向运动均不会产生运动阻力，所以在消除了轴承的接触摩擦力后，并没有带来新的非接触阻力，并且产生电磁场所需的励磁电流只有大小的变化，而无方向的变化，减少了磁轴承铁耗，实现了降阻节能的目的。
附图说明
图1为本发明的技术解决方案之永磁上吸下斥结构的低功耗内转子径向磁轴承的轴向截面图；
图2为本发明的技术解决方案之永磁上吸下斥结构的低功耗内转子径向磁轴承的轴向端面图。
具体实施方式
如图1和图2所示，为本发明技术方案的基本实现形式，它由2个外导磁环1，3个外导半磁环1，1个永磁环9，1个永磁半环11，12个定子铁芯2，8个励磁线圈3，2个内导磁环6，4个转子铁芯4，12个空气隙8，2个内隔磁环7，2个外隔磁环9组成。每个定子铁芯2包含X轴正负方向、Y轴正负方向的4个电磁磁极和2个Y轴正负方向的永磁磁极，左右两端定子铁芯共形成8个电磁磁极和4个永磁磁极，电磁磁极上绕有励磁线圈3，定子铁芯2外部是外导磁环1，外导磁环1与外绝磁环10相连，在2个外绝磁环10之间：吸力侧为外导半磁环1和定子铁芯2，斥力侧为外导半磁环1和定子铁芯2，以及夹在2个外导半磁环中间的外永磁半环11。定子铁芯2的内部是转子铁芯4，定子铁芯2的内表面与转子铁芯4的外表面之间有一定的空气隙8，内绝磁环7位于转子铁芯4的内部，2个内绝磁环7之间是内导磁环6和转子铁芯4，以及夹在2个内导磁环6之间的内永磁环9。
图1和图2所示为基本的内转子径向磁轴承结构，将永磁环9放在外导磁环1上，而将永磁半环11放在内导磁环6的下半圆周上，将铁芯2改为圆周结构，将铁芯4改为柱状结构，将励磁线圈3由铁芯2移至铁芯4，将转轴5固定不动，使外导磁环1和铁芯2可以自由运动，即可实现另一种永磁上吸下斥结构的低功耗外转子径向磁轴承。
该发明技术方案中所用的外导磁环1、内导磁环6均用导磁性能良好的材料制成，如电工纯铁、碳钢、铸钢、合金钢等磁性材料。定子铁芯2、转子铁芯4可用导磁性能良好的电工薄钢板制作，如电工纯铁、电工硅钢板等磁性材料冲压迭加而成。永磁环9、11的材料为磁性能良好的钕铁硼稀土合金永磁材料或铁氧体材料制成，转子上的永磁体为环形结构，定子上的永磁体为半环结构，充磁方式均为轴向充磁。励磁线圈3用电流密度较大的漆包线绕制后再浸漆烘干得到。外绝磁环10、内绝磁环7用隔磁效果好的合金材料制成。
Claims (8)
1.永磁上吸下斥结构的低功耗内转子径向磁轴承，其特征在于：由外导磁环，外绝磁环，定子铁芯，励磁线圈，内永磁环，转子铁芯，内绝磁环，内导磁环，外永磁半环，空气隙，转轴组成，定子铁芯包括电磁铁芯和永磁铁芯，每个电磁铁芯组成4个方向的电磁磁极，在每个电磁铁芯上都绕有励磁线圈，分别分布在X轴、Y轴的正负方向，2个电磁铁芯组成轴承左右两端8个电磁磁极，在Y轴的正负两个方向上还各有2个永磁铁芯，形成4个永磁磁极，永磁铁芯和电磁铁芯都固定在外导磁环上，永磁铁芯和电磁铁芯之间采用外绝磁环隔离磁路，定子Y轴负方向，两个永磁铁芯中间，通过外导磁环夹着外永磁半环，定子铁芯的内部是转子铁芯，定子铁芯内表面与转子铁芯外表面之间有一定的间隙，形成空气隙，转子铁芯包括永磁铁芯环和电磁铁芯环，永磁铁芯环和电磁铁芯环都固定在内导磁环上，永磁铁芯环和电磁铁芯环之间是内绝磁环，永磁铁芯环和永磁铁芯环之间是内导磁环，内导磁环中间夹着内永磁环。
2.根据权利要求1所述的永磁上吸下斥结构的低功耗内转子径向磁轴承，其特征为：外导磁环由2个圆形导磁环和3个半圆形导磁环构成，在永磁斥力回路，2个半圆形外导磁环的中间夹着1个外永磁半环。
3.根据权利要求1所述的永磁上吸下斥结构的低功耗内转子径向磁轴承，其特征为：定子铁芯提供独立的电磁磁路和永磁磁路，电磁磁路和永磁磁路之间通过外绝磁环隔开。
4.根据权利要求1所述的永磁上吸下斥结构的低功耗内转子径向磁轴承，其特征为：转子上有4个转子铁芯，两端的2个转子铁芯提供电磁回路，中间的2个转子铁芯提供永磁回路，转子上的电磁磁路和永磁磁路，通过内绝磁环进行隔离。
5.根据权利要求1所述的永磁上吸下斥结构的低功耗内转子径向磁轴承，其特征为：内永磁环夹在内导磁环的中间，与上面的定子铁芯产生吸引力，与下面的外永磁半环产生排斥力，其中所述的内永磁环和外永磁半环，充磁方式均为轴向充磁。
6.根据权利要求1所述的永磁上吸下斥结构的低功耗内转子径向磁轴承，其特征为：提供电磁通路的转子铁芯，为径向充磁的永磁圆环，从而实现在4个方向上同时施加排斥力的功能。
7.根据权利要求1或5所述的永磁上吸下斥结构的低功耗内转子径向磁轴承，其特征为：所述内永磁环及外永磁半环采用钕铁硼稀土合金永磁材料或铁氧体材料制成，外导磁环，内导磁环由电工纯铁、或碳钢、或铸钢、或合金钢这些磁性材料制成。
8.根据权利要求1所述的永磁上吸下斥结构的低功耗内转子径向磁轴承，其特征为：定子铁芯、转子铁芯能用电工纯铁、或电工硅钢板这些磁性材料冲压迭加而成，励磁线圈用电流密度较大的漆包线绕制后再浸漆烘干得到，外绝磁环、内绝磁环用隔磁效果好的合金材料制成。
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