CN101769335B - 一种永磁上吸下斥结构的低功耗混合式磁轴承 - Google Patents

Abstract

永磁上吸下斥结构的低功耗混合式磁轴承，属于磁悬浮轴承领域，由外导磁环，外绝磁环，定子铁芯，径向励磁线圈，外永磁半环，外永磁圆环，转子铁芯，内绝磁环，内导磁环，内永磁环，吸力盘，轴向励磁线圈、空气隙和转子轴组成。定子铁芯包括电磁铁芯、永磁铁芯、永磁和电磁共用铁芯三个主要部分，电磁铁芯组成8个电磁磁极，永磁铁芯组成4个半圆环永磁磁极，圆环的上半面是吸引力，下半面是排斥力，永磁和电磁共用铁芯组成2个轴向磁极。转子铁芯包括永磁铁芯环、电磁铁芯环、吸力盘三部分。定子铁芯内表面与转子铁芯外表面之间形成径向空气隙，吸力盘与永磁和电磁共用铁芯之间形成轴向空气隙，轴向偏置永磁体下面是预留空气隙。该结构可解决磁悬浮轴承的转轴重力问题和径向轴向混合调节问题，具有低功耗、控制简单、稳定性好、可靠性高、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，能量存贮、空间和物理应用等旋转设备的无接触支撑部件。

Description

一种永磁上吸下斥结构的低功耗混合式磁轴承

所属技术领域

本发明专利属于非接触式磁悬浮轴承领域，是一种永磁上吸下斥结构的低功耗混合式磁轴承，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，能量存贮、空间和物理应用等旋转设备的无接触支撑部件。

背景技术

磁悬浮轴承具有无接触、无磨损、无摩擦、寿命长、无润滑、免维护、温度适应性好，可控性高等优点，在节能降阻和高速运转等领域有重要的意义。目前磁悬浮轴承一般是单纯研究径向磁轴承或轴向磁轴承，纯径向磁轴承在实际应用过程中，需结合使用钢珠等机构完成轴向的约束，而纯轴向的磁轴承一般应用在径向不需要约束的场合，均没有实现6自由度全方位稳定立体悬浮，而且无论是径向磁轴承还是轴向磁轴承，其实现方式主要有三类：①纯依靠永磁，减小轴承间的摩擦力，但不能实现无接触悬浮；②纯依靠电磁，调节转子的平衡位置，但系统功耗较大；③基于永磁偏置的电磁调节模式，该模式中永磁磁路和电磁磁路可以相同也可以不同，磁路相同时应预留空气隙，以使电磁磁场能够通过，但是这种模式不能抵消转轴的重力，而且气隙减小侧的作用吸力更大，不利于建立稳定的工作状态，电流功耗也不是最低。本专利采用永磁体上吸下斥的结构抵消了磁悬浮轴的重力，并将径向磁轴承和轴向磁轴承封装在一起，实现了转轴的稳定悬浮和稳定旋转。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种零重力作用的，低功耗的，可径向和轴向混合调节的，能6自由度稳定悬浮和旋转的磁轴承。

本发明的技术解决方案为：永磁上吸下斥结构的低功耗混合式磁轴承，其基本特征在于：由外导磁环，外绝磁环，定子铁芯，径向励磁线圈，径向调节外永磁半环，径向调节内永磁环，转子铁芯，内绝磁环，内导磁环，轴向调节外永磁环，吸力盘，轴向励磁线圈、径向调节空气隙、轴向调节空气隙、预留空气隙和转子轴组成。定子铁芯包括电磁铁芯、永磁铁芯、永磁和电磁共用铁芯三个主要部分，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径向励磁线圈，分别分布在X轴、Y轴的正负方向，左右两端电磁铁芯一共形成8个电磁磁极，2个永磁铁芯环形成4个半圆环形的永磁磁极，圆环的上半面是吸引力，下半面是排斥力。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绝磁环隔离磁路，定子Y轴负半方向，两个永磁铁芯环中间，通过外导磁环夹着径向调节外永磁半环，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，形成径向空气隙。2个永磁和电磁共用铁芯，内部缠绕轴向励磁线圈，分别对称分布在Z轴的正负方向，永磁和电磁共用铁芯由2部分组成，均固定在外导磁环上，中间夹着轴向调节外永磁圆环，并在外导磁环上夹有外隔磁环。转子铁芯包括永磁铁芯环、电磁铁芯环、吸力盘三部分，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，内导磁环中间夹着径向调节内永磁环，吸力盘固定在转轴的两端。

上述方案的原理是：在径向，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，再利用径向励磁线圈产生的电磁场来调节转子的径向平衡位置；在轴向，永磁体产生的磁场提供基本的偏置磁场，以降低轴向励磁电流的大小，永磁磁场和电磁磁场相叠加，共同产生轴向作用力。如图1所示，本发明的上吸永磁磁路为：磁通从径向调节内永磁环N极出发，通过一端内导磁环、转子永磁铁芯、径向空气隙、定子永磁铁芯、外导磁环，到达另一端的定子永磁铁芯、径向空气隙、另一端转子永磁铁芯、另一端的内导磁环，回到径向调节内永磁体S极。下斥永磁磁路分为2路：①磁通从径向调节内永磁环N极出发，通过一端内导磁环、转子永磁铁芯、径向空气隙、到达另一端的转子永磁铁芯、另一端的内导磁环，回到径向调节内永磁环S极。②磁通从径向调节外永磁半环N极出发，通过一端外导磁环、定子永磁铁芯、径向空气隙、到达另一端的定子永磁铁芯、另一端的外导磁环，回到径向调节外永磁半环S极。轴向偏置永磁磁路为：磁通从轴向调节外永磁环N极出发，经永磁和电磁共用铁芯、轴向空气隙、内圈吸力盘、到达外圈吸力盘、轴向空气隙、永磁和电磁共用铁芯，回到轴向调节外永磁环S极。轴向电磁磁路为：磁通从轴向调节电磁N极出发，经永磁和电磁共用铁芯、轴向空气隙、内圈吸力盘、到达外圈吸力盘、轴向空气隙、永磁和电磁共用铁芯、预留空气隙、永磁和电磁共用铁芯、回到轴向调节电磁S极。如图2所示，本发明的径向电磁磁路：以某端Y轴正方向径向励磁线圈通电产生磁通为例，其径向电磁磁路为：通过Y轴正方向定子电磁铁芯、Y轴正方向径向空气隙、转子电磁铁芯、另外三个方向的径向空气隙、另外三个方向的定子电磁铁芯，回到Y轴正方向电磁定子铁芯。

本发明与现有技术相比的优点在于：径向上利用永磁体之间的作用力抵消磁悬浮轴的重力，将转子视为没有质量的理想介质，轴向上利用永磁偏置的电磁调节模式，这两种结构均能保证线圈励磁电流小，降低了轴承的损耗；采用径向电磁调节改变转轴的径向平衡位置，采用轴向电磁调节改变转轴的轴向平衡位置，径向轴承和轴向轴承的混合使得磁悬浮转子在6个自由度上均能稳定的悬浮，解决了径向轴承存在轴向运动的问题，以及轴向轴承不能径向调节的问题，实现了径向轴承和轴向轴承的统一；上吸下斥永磁磁路、径向电磁磁路、轴向磁路三者之间相互独立，磁路间没有交叉和耦合，不存在相互干扰，系统稳定性和可控性高；轴向磁路中的永磁偏置磁路和电磁调节磁路相互叠加，增强了轴向的调节力，加速了调节响应过程。

附图说明

图1为本发明技术解决方案之永磁上吸下斥结构的低功耗混合式磁轴承的轴向截面图；

图2为本发明技术解决方案之永磁上吸下斥结构的低功耗混合式磁轴承的径向电磁通路结构图。

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9个外导磁环1，1个径向调节外永磁半环11，1个径向调节内永磁环9，12个定子铁芯2，8个径向励磁线圈3，2个内导磁圆环6，4个转子铁芯4，12个径向调节空气隙8，2个内隔磁环7，6个外隔磁环10，2个轴向励磁线圈15，4个轴向调节定子铁芯12，2个轴向调节外永磁环13，4个轴向调节空气隙16，2个预留空气隙14，2个吸力盘17，1个转轴5组成。每个径向调节定子铁芯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个径向调节电磁磁极和4个径向调节永磁磁极，径向电磁磁极上绕有径向励磁线圈3。转子铁芯4内部是内导磁环6，内导磁环6与内绝磁环7相连，在2个内绝磁环7之间为内导磁环6、转子铁芯4，以及夹在内导磁环6中间的径向调节内永磁环9。转轴5的轴向两端是2个吸力盘17，转子铁芯4的径向外部是定子铁芯2，定子铁芯2的内表面与转子铁芯4的外表面之间是径向调节空气隙8，外绝磁环10与定子铁芯2相邻，2个外绝磁环10之间是外导磁环1，以及夹在2个外导磁环1之间的径向调节外永磁半环11。轴向调节励磁线圈15缠绕在轴向调节定子铁芯12内部，2个轴向调节定子铁芯12之间夹着轴向调节外永磁环13，轴向调节外永磁环13下面是预留空气隙14。

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、吸力盘17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。径向调节内永磁环9、径向调节外永磁半环11、轴向调节外永磁环13的材料为磁性能良好的钕铁硼稀土合金材料或铁氧体材料，永磁体9、13为环形结构，永磁体11为半环结构，充磁方式均为轴向充磁。径向励磁线圈3、轴向励磁线圈15均用电流密度较大的漆包线绕制后浸漆烘干得到。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.永磁上吸下斥结构的低功耗混合式磁轴承，其特征在于：由外导磁环，径向调节外永磁半环，径向调节内永磁环，径向调节定子铁芯，径向励磁线圈，内导磁环，转子铁芯，径向调节空气隙，内隔磁环，外隔磁环，轴向励磁线圈，轴向调节定子铁芯，轴向调节外永磁环，轴向调节空气隙，预留空气隙，吸力盘，转轴组成，每个径向调节定子铁芯包含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个径向调节电磁磁极和4个径向调节永磁磁极，径向电磁磁极上绕有径向励磁线圈，转子铁芯内部是内导磁环，内导磁环与内隔磁环相连，在2个内隔磁环之间为内导磁环、转子铁芯，以及夹在内导磁环中间的径向调节内永磁环，转轴的轴向两端是2个吸力盘，转子铁芯的径向外部是径向调节定子铁芯，径向调节定子铁芯的内表面与转子铁芯的外表面之间是径向调节空气隙，外隔磁环与径向调节定子铁芯相邻，2个外隔磁环之间是外导磁环，以及夹在2个外导磁环之间的径向调节外永磁半环，轴向励磁线圈缠绕在轴向调节定子铁芯内部，2个轴向调节定子铁芯之间夹着轴向调节外永磁环，轴向调节外永磁环径向内部是预留空气隙。

2.根据权利要求1所述的永磁上吸下斥结构的低功耗混合式磁轴承，其特征为：内上吸下斥永磁磁路由2个圆环形转子铁芯和3个半圆形径向调节定子铁芯构成，在永磁斥力回路，2个半圆形外导磁环的中间夹着1个径向调节外永磁半环。

3.根据权利要求1所述的永磁上吸下斥结构的低功耗混合式磁轴承，其特征为：径向调节定子铁芯提供独立的径向电磁磁路和径向永磁磁路，由外隔磁环隔开；转子铁芯也提供独立的径向电磁磁路和径向永磁磁路，由内隔磁环隔开。

4.根据权利要求1所述的永磁上吸下斥结构的低功耗混合式磁轴承，其特征为：径向调节内永磁环夹在内导磁环的中间，与上面的径向调节定子铁芯产生吸引力，与下面的径向调节外永磁半环产生排斥力，所述的径向调节内永磁环和径向调节外永磁半环均为轴向充磁。

5.根据权利要求1所述的永磁上吸下斥结构的低功耗混合式磁轴承，其特征为：永磁上吸下斥的作用力抵消转轴的重力，径向励磁线圈调节转子铁芯的径向平衡位置，轴向励磁线圈调节转子铁芯的轴向平衡位置，径向永磁磁路、径向电磁磁路、轴向磁路之间相互独立，不存在干扰，轴向永磁磁路和轴向电磁磁路相互叠加，共同产生作用力，该混合式磁轴承能同时完成径向调节和轴向调节。 

6.根据权利要求1所述的永磁上吸下斥结构的低功耗混合式磁轴承，其特征为：提供电磁通路的两端转子铁芯，为径向充磁的永磁圆环，从而施加吸引力，或排斥力，或同时施加吸引力和排斥力，加快调节速度和建立单稳态。

7.根据权利要求1所述的永磁上吸下斥结构的低功耗混合式磁轴承，其特征为：所述径向调节内永磁环、径向调节外永磁半环、轴向调节外永磁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，内导磁环均由电工纯铁、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混合式磁轴承，其特征为：径向调节定子铁芯、转子铁芯及吸力盘均由电工纯铁、或电工硅钢板这些磁性材料冲压迭加而成，径向励磁线圈、轴向励磁线圈用电流密度较大的漆包线绕制后浸漆烘干得到，外隔磁环、内隔磁环用隔磁合金材料制成。

9.根据权利要求1所述的永磁上吸下斥结构的低功耗混合式磁轴承，其特征为：永磁回路和电磁回路共用的轴向调节定子铁芯内部缠绕有轴向励磁线圈，轴向励磁线圈缠绕方式与转轴成同心圆，2个永磁回路和电磁回路共用的轴向调节定子铁芯独立地固定在外导磁环上，外导磁环的中间夹着外隔磁环，永磁回路和电磁回路共用轴向调节定子铁芯的中间夹着轴向调节外永磁环，轴向调节外永磁环的充磁方式为轴向充磁，轴向调节外永磁环的径向内部是电磁通路预留空气隙。 

Images