CN101761574A - 一种永磁上吸下斥结构的低功耗外转子径向磁轴承 - Google Patents
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Abstract
永磁上吸下斥结构的低功耗外转子径向磁轴承，属于磁悬浮轴承领域，由外导磁环，外绝磁环，定子铁芯，励磁线圈，内永磁半环，转子铁芯，内绝磁环，内导磁环，外永磁环，空气隙，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内绝磁环，定子Y轴负方向，两个永磁铁芯中间，通过内导磁环夹着内永磁半环；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外绝磁环，永磁铁芯环和永磁铁芯环之间是外导磁环，外导磁环中间夹着外永磁环。该结构可解决磁悬浮轴承的转轴重力问题和功耗问题，从而使轴承具有低功耗、性能可靠、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、交通运输等旋转设备的无接触支撑部件。
Description
所属技术领域
本发明专利属于非接触式磁悬浮轴承领域，是一种永磁上吸下斥结构的低功耗外转子径向磁轴承，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，机床、交通运输等旋转设备的无接触支撑部件。
背景技术
磁悬浮轴承按照励磁提供方式，分为三类：无源磁悬浮轴承(由永磁体提供磁力，也称被动磁悬浮轴承)、有源磁悬浮轴承(由电磁铁提供磁力，也称主动磁轴承)、混合磁悬浮轴承(由永磁体和电磁铁共同提供磁力)。无源磁悬浮轴承的稳定域很小，而且不可控，不能实现真正的稳定悬浮，有源磁悬浮轴承采用电流产生偏置磁场，工作电流大、功耗大，混合磁悬浮轴承利用永磁体磁场代替电流产生的偏置磁场，使永磁偏置磁场承担主要的承载力，电磁磁场提供辅助的调节承载力，降低了功率损耗，减少了励磁线圈的安匝数，另一方面为实现低功耗，励磁线圈产生的磁通不应该通过永磁体，但现有的永磁偏置磁悬浮轴承，一般是在电磁磁路上放置永磁体，然后在永磁体的下面或侧面预留特定大小的空气隙，以允许电磁场通过。该类永磁偏置电磁调节轴承中，永磁偏置磁场从±X、±Y四个方向，对磁悬浮转轴产生大小相等的吸引力，且合力为零，并不能抵消转子本身的重力，所以励磁电流不是最小，系统功耗不是最低；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，但磁通密度减少一侧的磁通不可能完全为零，这种非零磁场将产生径向调节的阻力，影响动态响应的速度；依靠特定大小的空气隙将永磁磁路和电磁磁路分开，若空气隙过大，电磁通过阻力较大，若空气隙过小，永磁建立的偏置磁场将变弱。所以目前永磁偏置磁悬浮轴承存在重力干扰、功耗大、动态响应差、磁路交叉等缺点。本专利采用永磁上吸下斥的结构抵消了转轴的重力，并将永磁磁路和电磁磁路相分离，降低了功耗，提高了动态响应特性。
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，磁路分离的，控制简单的，加工组装方便的，永磁上吸下斥的外转子径向磁轴承。
本发明的技术解决方案为：上吸下斥结构的低功耗外转子径向磁轴承，其基本特征在于：由外导磁环，外绝磁环，定子铁芯，励磁线圈，内永磁半环，转子铁芯，内绝磁环，内导磁环，外永磁环，空气隙和转子轴组成。定子铁芯包括电磁铁芯环和永磁铁芯，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，左右两端电磁铁芯共组成8个电磁磁极，在Y轴的正负两个方向上还各有2个半圆环永磁铁芯2，形成4个半圆环面永磁磁极，永磁铁芯环和电磁铁芯都固定在内导磁环上，永磁铁芯环和电磁铁芯之间采用内绝磁环隔离磁路，定子Y轴负方向，两个永磁铁芯环中间，通过内导磁环夹着内永磁半环。定子铁芯的外部是转子铁芯，定子铁芯外表面与转子铁芯内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外导磁环上，永磁铁芯环和电磁铁芯环之间是外绝磁环，永磁铁芯环和永磁铁芯环之间是外导磁环，外导磁环中间夹着外永磁环。
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，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转子平衡位置的作用。本发明的上吸永磁磁路为：磁通从外永磁环N极出发，通过一端外导磁环、转子永磁铁芯、气隙、定子永磁铁芯、内导磁环，到达另一端的定子永磁铁芯、气隙、转子永磁铁芯、另一端的外导磁环，回到永磁体S极。下斥永磁磁路分为2路：(1)磁通从外永磁环N极出发，通过一端外导磁环、转子永磁铁芯、气隙、到达另一端的转子永磁铁芯、另一端的外导磁环，回到永磁体S极。(2)磁通从内永磁半环N极出发，通过一端内导磁环、定子永磁铁芯、气隙、到达另一端的定子永磁铁芯、另一端的内导磁环，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：采用永磁上吸下斥结构来抵消转子自身的重力，可以将转子视为没有质量的理想介质，简化了调节平衡位置的策略，降低了励磁线圈中调节电流的大小，从而将轴承的损耗降至最低；将磁轴承的永磁磁路和电磁磁路相分离，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转子平衡位置的调节，提高了稳定性和动态响应特性；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，在消除了轴承的接触摩擦力后，并没有增加新的非接触阻力，并且产生电磁场所需的励磁电流只有大小变化，而无方向变化，减少了磁轴承的铁损，进一步降低了系统功耗。
附图说明
图1为本发明技术解决方案之上吸下斥结构的低功耗外转子径向磁轴承的轴向截面图；
图2为本发明技术解决方案之上吸下斥结构的低功耗外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4个外导磁环1，1个永磁环11，1个永磁半环9，12个定子铁芯2，8个励磁线圈3，3个内导磁半环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10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个半圆形永磁磁极，左右两端定子铁芯共形成8个电磁磁极和4个半圆形永磁磁极，电磁磁极上绕有励磁线圈3，定子铁芯2内部是内导磁环6，内导磁环6与内绝缘环7相连，在2个内绝缘环7之间：吸力侧为内导磁半环6和定子铁芯2，斥力侧为内导磁半环6和定子铁芯2，以及夹在内导磁半环6中间的内永磁半环9。定子铁芯2的外部是转子铁芯4，定子铁芯2的外表面与转子铁芯4的内表面之间有一定的空气隙8，外绝缘环10位于转子铁芯4的内部，2个外绝缘环10之间是外导磁环1和转子铁芯4，以及夹在2个外导磁环1之间的外永磁环11。
图1和图2所示为基本的外转子径向磁轴承结构，将永磁环11放在内导磁环6上，而将永磁半环9放在外导磁环1的下半圆周上，将铁芯2改为圆周结构，将铁芯4的两端圆环改为柱状结构，将励磁线圈3由铁芯2移至铁芯4，将外导磁环1和铁芯4固定不动，使转轴5自由运动，即可实现另一种永磁上吸下斥结构的低功耗内转子径向磁轴承。
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 (9)
1.上吸下斥结构的低功耗外转子径向磁轴承，其特征在于：由外导磁环1，外绝磁环10，定子铁芯2，励磁线圈3，内永磁半环9，转子铁芯4，内绝磁环7，内导磁环6，外永磁环11，空气隙8，转轴5组成，定子铁芯2包括电磁铁芯环和永磁铁芯，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3，分别分布在X轴、Y轴的正负方向，左右两端电磁铁芯共组成8个电磁磁极，在Y轴的正负两个方向上还各有2个半圆环永磁铁芯2，形成4个半圆环面永磁磁极，永磁铁芯环和电磁铁芯都固定在内导磁环6上，永磁铁芯环和电磁铁芯之间采用内绝磁环7隔离磁路，定子Y轴负方向，两个永磁铁芯环2中间，通过内导磁半环6夹着内永磁半环9，定子铁芯2的外部是转子铁芯4，定子铁芯2外表面与转子铁芯4内表面之间有一定的间隙，形成空气隙8，转子铁芯4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外导磁环1上，永磁铁芯环和电磁铁芯环之间是外绝磁环10，永磁铁芯环和永磁铁芯环之间是外导磁环1，外导磁环中间夹着外永磁环11。
2.根据权利要求1所述的上吸下斥结构的低功耗外转子径向磁轴承，其特征为：内导磁环6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个半圆形内导磁环6的中间夹着1个内永磁半环9。
3.根据权利要求1所述的上吸下斥结构的低功耗外转子径向磁轴承，其特征为：定子铁芯2提供独立的电磁磁路和永磁磁路，电磁磁路和永磁磁路通过内绝磁环7隔开。
4.根据权利要求1所述的上吸下斥结构的低功耗外转子径向磁轴承，其特征为：转子上有4个转子铁芯4，两端的2个铁芯提供电磁回路，中间的2个铁芯提供永磁回路，转子上的电磁磁路和永磁磁路，通过外绝磁环10进行隔离。
5.根据权利要求1所述的上吸下斥结构的低功耗外转子径向磁轴承，其特征为：外永磁环11夹在外导磁环1的中间，与定子铁芯2的上半圆产生吸引力，与下面的内永磁半环9产生排斥力，其中所述的内永磁半环9和外永磁环11均为轴向充磁。
6.根据权利要求1所述的上吸下斥结构的低功耗外转子径向磁轴承，其特征为：提供电磁通路的转子两端铁芯4，可以为径向充磁的永磁圆环，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所述的上吸下斥结构的低功耗外转子径向磁轴承，其特征为：所述外永磁环及内永磁半环均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均由电工纯铁、或碳钢、或铸钢、或合金钢等磁性材料制成。
8.根据权利要求1所述的上吸下斥结构的低功耗外转子径向磁轴承，其特征为：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。
9.根据权利要求1所述的上吸下斥结构的低功耗外转子径向磁轴承，其特征为：将永磁环11放在内导磁环6上，而将永磁半环9放在外导磁环1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，将外导磁环1和铁芯4固定不动，使转轴5自由运动，即可实现另一种永磁上吸下斥结构的低功耗内转子径向磁轴承。
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