CN101737425A

CN101737425A - 一种低功耗单稳态零重力作用径向磁轴承

Info

Publication number: CN101737425A
Application number: CN201010111199A
Authority: CN
Inventors: 肖林京; 孙传余; 李鹏; 武洪恩
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2030-01-21
Also published as: CN101737425B

Abstract

低功耗单稳态零重力作用径向磁轴承，属于磁悬浮轴承领域，由外导磁环，外隔磁环，定子铁芯，励磁线圈，轴向磁化内永磁环，转子铁芯，内隔磁环，内导磁环，径向磁化内永磁环，轴向磁化外永磁半环，空气隙和转子轴组成。定子铁芯包括电磁铁芯和永磁铁芯环，一共组成轴承左右两端8个电磁磁极，和4个半圆环型永磁磁极，上面2个半圆环产生吸引力，下面2个半圆环产生排斥力，在定子Y轴负方向，两个定子永磁铁芯环中间，经外导磁环夹着轴向磁化外永磁半环，定子铁芯的内部是转子铁芯和径向磁化的内永磁环，转子铁芯位于中间，径向磁化的内永磁环位于两端，内导磁环中间夹着轴向磁化内永磁环，定子内表面与转子外表面之间是空气隙。该结构可解决磁悬浮转轴的重力问题和功耗问题，建立静态条件下的稳定工作点，使轴承具有低功耗、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，转子动力学验证及试验、振动隔离等旋转设备的无接触支撑部件。

Description

一种低功耗单稳态零重力作用径向磁轴承

所属技术领域

本发明专利属于非接触式磁悬浮轴承领域，是一种低功耗单稳态零重力作用径向磁轴承，可取代目前的接触式机械轴承，可作为风力发电机、电动机、分子泵，高速轴承，转子动力学验证及试验、振动隔离等旋转设备的无接触支撑部件。

背景技术

目前纯永磁式的磁悬浮轴承是不稳定的，也是不受控的；纯电磁式的磁悬浮轴承消耗电流大，功耗高；永磁和电磁混合式的磁悬浮轴承是研究最广泛的，其显著的特征是：利用永磁体产生偏置磁场，该偏置磁场从±X、±Y四个方向对磁悬浮转轴产生大小相等的吸引力，然后调节励磁线圈中的电流，改变电磁磁场的大小和方向，使永磁偏置磁场和电磁磁场相叠加，磁通密度增大一侧的吸引力变大，磁通密度减小一侧的吸引力变小，不平衡的受力产生了转子径向运动的动力。尽管偏置磁场在一定程度上减小了励磁的电流，降低了功率损耗，但是偏置磁场从四个方向上产生的均是吸引力，并不能抵消转子本身的重力，故不能最大限度地减小励磁电流；且磁场间的作用力与定转子间空气隙的距离成反比，气隙减小一侧的作用吸力进一步增大，需要快速调节作用力，维持转子在平衡位置，故采用吸引力很难建立静态下的稳定工作点。所以目前永磁偏置径向磁悬浮轴承存在重力干扰，功耗较大，无静态稳定工作点，控制响应速度要求高等缺点。本发明依靠永磁上吸下斥结构，抵消转子重量，降低系统功耗，采用电磁和永磁间的排斥力，建立静态下稳定工作点，降低处理速度，节省成本，提高性能。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种新型的上吸下斥结构的径向磁轴承，该磁浮轴承能抵消转子的自身的重力，能建立静态下的稳定工作点，并具有低功耗、控制简单、结构紧凑、安装使用方便等优点。

本发明的技术解决方案为：低功耗单稳态零重力作用径向磁轴承，其基本特征在于：由外导磁环，外隔磁环，定子铁芯，励磁线圈，轴向磁化内永磁环，转子铁芯，内隔磁环，内导磁环，径向磁化内永磁环，轴向磁化外永磁半环，空气隙和转子轴组成。定子铁芯包括电磁铁芯和永磁铁芯环，在每个电磁铁芯上都绕有励磁线圈，组成4个方向的电磁磁极，分别分布在X轴、Y轴的正负方向，左右两端电磁铁芯一共形成8个电磁磁极，在Y轴的正负两个方向上还各有2个永磁铁芯半圆环，形成4个半圆环形永磁磁极，上面2个半圆环产生吸引力，下面2个半圆环产生排斥力，永磁铁芯环和电磁铁芯都固定在外导磁环上，永磁铁芯环和电磁铁芯之间采用外隔磁环隔离磁路，定子Y轴负方向，两个永磁铁芯环中间，经外导磁环夹着轴向磁化外永磁半环。定子铁芯的内部是转子铁芯和径向磁化的内永磁环，转子铁芯位于中间，径向磁化的内永磁环位于两端，定子铁芯内表面与转子铁芯外表面以及定子铁芯内表面与径向磁化内永磁环外表面之间，都有一定的空气隙，永磁铁芯环和径向磁化内永磁环都固定在内导磁环上，永磁铁芯环和径向磁化内永磁环之间是内隔磁环，永磁铁芯环和永磁铁芯环之间是内导磁环，内导磁环中间夹着轴向磁化内永磁环。

上述方案的原理是：利用永磁体与铁芯之间的吸引力，以及永磁体与永磁体之间的排斥力，共同作用抵消转子自身的重力，使转子工作在无重力状态下，然后励磁线圈产生的电磁场从X轴和Y轴的正负4个方向，对径向磁化的永磁环施加大小相等的排斥力，则静态条件下轴承定子腔的中心位置将是转子轴唯一的径向平衡位置，转子位置发生偏移后，气隙减小侧的排斥力增大，转子轴产生向平衡位置运动的趋势，故能建立稳定的工作状态，该结构也能简化控制算法，任何方向的位置偏移只需同时增大4个方向的排斥力，稳定后后，再根据控制对象的要求，按照一定的算法减小励磁电流，节省系统功耗。本发明的上吸永磁磁路为：磁通从轴向磁化内永磁环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、另一端气隙、转子永磁铁芯、另一端的内导磁环，回到轴向磁化内永磁环S极。下斥永磁磁路分为2路：(1)磁通从轴向磁化内永磁环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，回到轴向磁化内永磁环S极；(2)磁通从轴向磁化外永磁半环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，回到轴向磁化外永磁半环S极，如图1所示。径向调节电磁磁路为：励磁线圈电磁N极出发，定子电磁铁芯，空气隙，径向磁化内永磁环N极外表面，空气隙，定子电磁铁芯，励磁线圈电磁S极，如图2所示。

本发明与现有技术相比的优点在于：采用永磁上吸下斥结构来抵消转子自身的重力，降低了励磁线圈中调节电流的大小，使磁轴承的损耗最低；调节转子平衡位置时采用排斥力，从4个方向上施加大小相等的作用力，转子腔的中心就是唯一的平衡位置，气隙减小一侧的排斥作用力增大，产生向平衡位置运动的趋势，建立了稳定的悬浮状态；基于排斥力的径向电磁调节控制策略简单，任何方向的位置偏移只需同时增大4个方向的排斥力，稳定后后，再根据控制对象的要求，按照一定的算法减小励磁电流，降低了对处理器速度和性能的要求，节省了系统成本；电磁和永磁相互作用产生排斥力的结构中，只要电磁线圈不通电流，则排斥力将变成永磁和铁芯之间的吸引力，轴承的组装固定比较容易。

附图说明

图1为本发明技术解决方案之低功耗单稳态零重力作用径向磁轴承的轴向截面图；

图2为本发明技术解决方案之低功耗单稳态零重力作用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5个外导磁环1(2个圆环3个半圆环)，1个轴向磁化内永磁环9，1个轴向磁化外永磁半环11，2个径向磁化内永磁环12，12个定子铁芯2(8个立柱4个半圆环)，8个励磁线圈3，2个内导磁环6，2个转子铁芯环4，12个空气隙8，2个内隔磁环7，2个外隔磁环10，1个转轴5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与外隔磁环10相连，在2个外隔磁环10之间：吸力侧为外导磁环1和定子铁芯2，斥力侧为外导磁环1和定子铁芯2，以及夹在2个外导磁环中间的轴向磁化外永磁半环11。定子铁芯2的内部是转子铁芯4和径向磁化内永磁环12，定子铁芯2的内表面与转子铁芯4的外表面之间，以及定子铁芯2的内表面与径向磁化内永磁环12的外表面之间，均有空气隙8，内隔磁环7位于转子铁芯4的外部，2个内隔磁环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之间的轴向磁化内永磁环9。

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。轴向磁化内永磁环9、轴向磁化外永磁半环11、径向磁化内永磁环12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。励磁线圈3用电流密度较大的漆包线绕制后浸漆烘干得到。外隔磁环10、内隔磁环7用隔磁效果好的合金材料制成。

Claims

1.低功耗单稳态零重力作用径向磁轴承，其特征在于：由外导磁环1，轴向磁化内永磁环9，轴向磁化外永磁半环11，径向磁化内永磁环12，定子铁芯2，励磁线圈3，内导磁环6，转子铁芯环4，空气隙8，内隔磁环7，外隔磁环10，转轴5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与外隔磁环10相连，在2个外隔磁环10之间：吸力侧为外导磁环1和定子铁芯2，斥力侧为外导磁环1和定子铁芯2，以及夹在2个外导磁环中间的轴向磁化外永磁半环11，定子铁芯2的内部是转子铁芯4和径向磁化内永磁环12，定子铁芯2的内表面与转子铁芯4的外表面之间，以及定子铁芯2的内表面与径向磁化内永磁环12的外表面之间，均有空气隙8，内隔磁环7位于转子铁芯4的外部，2个内隔磁环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之间的轴向磁化内永磁环9。

2.根据权利要求1所述的低功耗单稳态零重力作用径向磁轴承，其特征为：外导磁环1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1的中间夹着1个轴向磁化的外永磁半环11。

3.根据权利要求1所述的低功耗单稳态零重力作用径向磁轴承，其特征为：定子铁芯2提供独立的电磁磁路和永磁磁路，电磁和永磁磁路之间通过外隔磁环10隔开。

4.根据权利要求1所述的低功耗单稳态零重力作用径向磁轴承，其特征为：转子上有2个转子铁芯4和2个径向磁化内永磁环12，两端的径向磁化内永磁环与定子电磁铁芯2之间相互作用，励磁线圈3通电时为排斥力，励磁线圈3断电时为吸引力，中间的转子铁芯4提供永磁回路，永磁和电磁磁路之间通过内隔磁环7进行隔离。

5.根据权利要求1所述的低功耗单稳态零重力作用径向磁轴承，其特征为：轴向磁化内永磁环9夹在内导磁环6的中间，与上面的定子铁芯2产生吸引力，与下面的轴向磁化外永磁半环11产生排斥力，其中所述的内永磁体9为圆环结构，外永磁体11为半圆环结构，充磁方式均为轴向充磁。

6.根据权利要求1所述的低功耗单稳态零重力作用径向磁轴承，其特征为：提供电磁调节排斥力的径向磁化内永磁环12为圆环结构，固定在转轴5上的，充磁方向为径向充磁，从而实现在4个方向上施加吸引力或排斥力，或同时施加吸引力和排斥力。

7.根据权利要求1或5或6所述的低功耗单稳态零重力作用径向磁轴承，其特征为：轴向磁化内永磁环9、轴向磁化外永磁半环11、径向磁化内永磁环12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1，内导磁环6由电工纯铁、或碳钢、或铸钢、或合金钢等磁性材料制成，定子铁芯2、转子铁芯4可用电工纯铁、或电工硅钢板等磁性材料冲压迭加而成，励磁线圈3用电流密度较大的漆包线绕制后，浸漆烘干得到，外隔磁环10、内隔磁环7用隔磁效果好的合金材料制成。

8.根据权利要求1所述的低功耗单稳态零重力作用径向磁轴承，其特征为：该结构是一种低功耗单稳态零重力作用内转子径向磁轴承，如果将轴向磁化内永磁环9放在外导磁环1上，而将轴向磁化外永磁半环11放在内导磁环6的下半圆周上，将电磁铁芯2改为径向磁化外永磁环，将径向磁化内永磁环12改为柱状铁芯，将励磁线圈3由铁芯2移至径向磁化永磁环12，将转轴5固定不动，使外导磁环1和铁芯2可以自由运动，即可实现另一种低功耗单稳态零重力作用外转子径向磁轴承。

9.根据权利要求1所述的低功耗单稳态零重力作用径向磁轴承，其特征为：使用永磁上吸下斥结构的作用力抵消了转子的重力，将转子视为无质量的理想介质，并使用励磁线圈3产生的电磁场和径向磁化的内永磁环12之间的相互排斥力，建立了静态条件下的稳态工作点。