CN101881302A - 一种具有容错功能的两气隙外转子径向混合磁轴承 - Google Patents

一种具有容错功能的两气隙外转子径向混合磁轴承 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种具有容错功能的两气隙外转子径向混合磁轴承，包括外导磁环、左转子铁芯、右转子铁芯、左定子铁芯、右定子铁芯、激磁线圈、左导磁体、右导磁体、永磁体和隔磁体。左转子铁芯和右转子铁芯与外导磁环相连，左定子铁芯和右定子铁芯的外部分别是左转子铁芯和右转子铁芯，定子的外表面与转子的内表面之间形成第一类气隙。左定子铁芯和右定子铁芯内部分别与左导磁体和右导磁体相连，永磁体位于左导磁体和右导磁体之间，并且在永磁体的上下由左右导磁体形成第二类气隙。左定子铁芯和右定子铁芯共组成16个磁极，定子磁极采用极靴形式，每个磁极上绕有激磁线圈，左右定子铁芯磁极之间由隔磁体隔开，避免了各个定子磁极上的耦合。

Description

一种具有容错功能的两气隙外转子径向混合磁轴承
技术领域
本发明涉及一种非接触混合式磁悬浮轴承，特别是涉及一种具有容错功能的两气隙永磁偏置外转子径向混合磁轴承。
背景技术
当前磁悬浮轴承分为纯电磁式和永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，前者使用电流大、功耗大，永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，电磁磁场提供辅助的调节承载力，永磁体产生的磁场承担主要的承载力，具有降低功率放大器损耗，减少电磁铁安匝数，缩小磁轴承的体积和重量等优点，所以永磁偏置混合磁悬浮轴承得到了广泛的应用。在航空等要求高可靠性的领域，为了提高磁悬浮轴承系统的可靠性，要求具有容错功能，而目前具有容错功能的磁悬浮轴承多为纯电磁式，其结构示意图如图1所示，在具有容错功能的径向磁轴承上用了6个线圈，其中每3个不相邻的磁极和线圈组成一个径向磁悬浮轴承，此结构的径向磁悬浮轴承相当于领个径向磁悬浮轴承同时工作，当其中一个出现故障时，另一个轴承仍可以正常工作。这种结构的径向磁轴承通过电流产生静态偏置磁场，功耗多、体积和重量大等缺点。另外有一种具有容错功能的永磁偏置径向磁轴承(专利号：200710063271.1)，但是由于电磁磁路在X方向和Y方向上存在着严重的耦合，故会使得磁轴承的控制难度加大，并且磁轴承定转子之间气隙的磁密波动较大，从而增大了磁轴承的旋转功耗。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有容错功能的两气隙外转子径向混合磁轴承，与现有容错功能的径向磁轴承相比，其体积小、重量轻且功耗低，易于控制以及可靠性能高等优点。
本发明的技术解决方案是：一种具有容错功能的两气隙外转子径向混合磁轴承，包括外导磁环、左转子铁芯、右转子铁芯、左定子铁芯、右定子铁芯、激磁线圈、左导磁体、右导磁体、永磁体和定子隔磁体，左转子铁芯和右转子铁芯与外导磁环相连，左定子铁芯和右定子铁芯的径向外部分别是左转子铁芯和右转子铁芯，定子铁芯外表面与转子铁芯内表面之间形成第一类气隙，左定子铁芯和右定子铁芯内部分别与左导磁体和右导磁体相连，永磁体嵌于左导磁体和右导磁体之间，并且在永磁体的径向两侧形成第二类气隙，左定子铁芯和右定子铁芯共组成16个磁极，定子铁芯磁极均为极靴形式，左定子铁芯的8个磁极和右定子铁芯的8个磁极沿圆周均匀分布，定子铁芯磁极之间通过定子隔磁体相连，左定子铁芯互不相邻的4个磁极与右定子铁芯互不相邻的4个磁极以及它们上面绕有的线圈共同组成了两组定子磁极，两组磁极互为冗余，当一组磁极发生故障时，另一组磁极可以正常工作。
所述定子铁芯磁极极靴在圆周方向上的两个定子极靴之间的距离为定转子之间第一类气隙的5倍～10倍，定子极靴的极尖角为10～30度；所述第二类气隙长度在其截面积与第一类气隙截面积相等时为大于2倍第一气隙长度；所述的永磁体采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料或钕铁硼永磁材料制成。
本发明提供的一种具有容错功能的两气隙外转子径向混合磁轴承，永磁体给磁轴承提供的永磁偏置磁场，承担磁轴承所受的径向力，激磁线圈所产生的磁场其调节作用，用来改变相邻两个定子铁芯磁极方向上磁场的强弱，并使得转子得到无接触支撑。左定子铁芯和右定子铁芯共组成16个磁极，左定子铁芯的8个磁极和右定子铁芯的8个磁极沿圆周均匀分布，每个磁极上绕有激磁线圈，左右定子铁芯由隔磁体隔开，左定子铁芯互不相邻的4个磁极与右定子铁芯互不相邻的4个磁极以及它们上面绕有的线圈共同组成了两组定子磁极，这样整个装置共组成了两个永磁偏置外转子径向磁轴承，可以实现容错功能。当其中一个径向磁轴承正常工作时，另一个径向磁轴承的激磁线圈不通电流，作为备用磁轴承。以其中一个径向磁轴承为例，阐述其永磁磁路与电磁磁路。
如图2所示，实线表示永磁磁路：磁通从永磁体N极出发，通过右导磁体、右定子铁芯、第一类气隙、右转子铁芯、外导磁环、左转子铁芯、第一类气隙、左定子铁芯和左导磁体，回到永磁体的S极，构成径向磁轴承的永磁磁路，在气隙中产生永磁偏置磁场。虚线表示电磁磁路(以+Y方向线圈通电为例予以说明)：磁通由右定子铁芯的定子磁极，沿径向通过第一类气隙、右转子铁芯，外导磁环，左转子铁芯、第一类气隙，左定子铁芯、左导磁体、第二类气隙回到右定子铁芯形成闭合磁回路，如图2中虚线所示，当-Y方向线圈通电时磁路与之相同。
此种结构由于第二类气隙的存在，可以使得电磁磁路通过定子铁芯、气隙、转子铁芯等形成回路，减小了永磁体通过第二类气隙的损失。由于定子铁芯之间用隔磁体隔开，避免了定子各个磁极之间的耦合。整个装置共组成两个径向的磁轴承，备用径向磁轴承的永磁磁路和电磁磁路与正常工作径向磁轴承的永磁磁路和电磁磁路完全相同，当其中一个径向磁轴承发生故障时，另一个备用的径向磁轴承进入正常的工作状态，因此，该装置既可以避免X方向和Y方向上产生的耦合又可以保证整个系统的安全可靠地运行。
本发明与现有技术的优点在于：本发明提供的一种具有容错功能的永磁偏置外转子径向磁轴承，利用左定子铁芯和右定子铁芯的16个定子磁极及其激磁线圈，与左内导磁环和右内导磁环、永磁体、左转子铁芯、右转子铁芯以及外导磁环，构成了两个具有容错功能的永磁偏置径向磁轴承，当其中一个永磁偏置径向磁轴承发生故障时，另一个永磁偏置径向磁轴承将会进入正常的工作状态，保证了整个系统的可靠稳定的运行。除此之外，由于第二类气隙的存在，可以使得电磁磁路通过定子铁芯、气隙、转子铁芯等形成回路，定子铁芯之间用隔磁体隔开，避免了定子各个磁极之间的耦合。
本发明的另一个优点是：本发明提供的一种具有容错功能的永磁偏置外转子径向磁轴承，通过永磁体产生偏置磁场，可以显著降低具有容错功能的磁轴承的功耗和体积。由于定子铁心采用极靴形式，因此可以降低径向磁轴承定转子之间气隙的磁密波动，从而有效降低磁轴承的旋转功耗，极尖角保持一定角度，可使定子铁芯各部分磁密均匀且不致饱和。
附图说明
图1现有技术中具有容错功能的径向磁轴承结构示意图；
图2本发明具有容错功能的永磁偏置外转子径向磁轴承剖面图；
图3本发明具有容错功能的永磁偏置外转子径向磁轴承左端面图；
图4本发明具有容错功能的永磁偏置外转子径向磁轴承右端面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
一种具有容错功能的两气隙外转子径向混合磁轴承，如图2～4所示，包括外导磁环201、左转子铁芯202、右转子铁芯203、左定子铁芯204、右定子铁芯205、激磁线圈206、左导磁体207、右导磁体208、永磁体209和定子隔磁体212，左转子铁芯202和右转子铁芯203与外导磁环201相连，左定子铁芯204和右定子铁芯205的径向外部分别是左转子铁芯202和右转子铁芯203，定子铁芯外表面与转子铁芯内表面之间形成第一类气隙210，左定子铁芯204和右定子铁芯205内部分别与左导磁体207和右导磁体208相连，永磁体209嵌于左导磁体207和右导磁体208之间，并且在永磁体209的径向两侧形成第二类气隙211，左定子铁芯204和右定子铁芯205共组成16个磁极，左定子铁芯204的8个磁极和右定子铁芯205的8个磁极沿圆周均匀分布，定子铁芯磁极之间通过定子隔磁体212相连，左定子铁芯204互不相邻的4个磁极301，303，305，307与右定子铁芯205互不相邻的4个磁极401，403，405，407，或者左定子铁芯204互不相邻的4个磁极302，304，306，308与右定子铁芯205互不相邻的4个磁极402，404，406，408以及它们上面绕有的线圈206共同组成了两组定子磁极，两组磁极互为冗余，当一组磁极发生故障时，另一组磁极可以正常工作。所述定子铁芯磁极均为极靴形式，相邻两个定子铁芯极靴之间的距离(如图3中所示的标注a部分)为定转子之间第一类气隙210的5倍～10倍以防止磁极之间的磁场耦合，一般第一类气隙为0.3mm～0.5mm，所以定子铁芯极靴之间的距离为1.5～5mm，且极尖角(如图3中所示的θ)设计为10～30度以保证定子铁芯各部分磁密的均匀性和不饱和性，同时防止铁芯拐角处的磁密集中引起饱和的缺陷。所述第二类气隙211长度在其截面积与第一类气隙210截面积相等时为大于2倍第一类气隙长度，一般为0.6～1mm，这是为了使得第二类气隙磁阻要小于永磁体磁阻并同时大于2倍的气隙磁阻以减小永磁体在第二气隙中的磁损失。
需要说明的是，由于永磁体与定子铁芯在径向内外两侧均可形成第二类气隙，对于第二类气隙磁阻来说，是二者的并联值，因此可按照第二类气隙的截面积与第一类气隙截面积相等的原则确定第二类气隙的长度，另外，由于永磁体直接嵌入定子铁芯内，所以定子铁芯的安装与永磁体之间的安装相对容易。
本发明提供的一种具有容错功能的永磁偏置外转子径向磁轴承，外导磁环201、左导磁体207和右导磁体208均采用导磁性能良好的材料制成，如电工纯铁等材料；左转子铁芯202、右转子铁芯203、左定子铁芯204和右定子铁芯205采用导磁性能良好的电工薄片钢板，如电工纯铁、电工硅钢板或硅钢薄带等磁性材料冲压迭制而成；永磁体209可采用磁性能良好的稀土永磁体或铁氧体永磁体或钕铁硼永磁体，永磁体沿轴向充磁，励磁线圈206用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种具有容错功能的两气隙外转子径向混合磁轴承，其特征在于：包括外导磁环(201)、左转子铁芯(202)、右转子铁芯(203)、左定子铁芯(204)、右定子铁芯(205)、激磁线圈(206)、左导磁体(207)、右导磁体(208)、永磁体(209)和定子隔磁体(212)，左转子铁芯(202)和右转子铁芯(203)与外导磁环(201)相连，左定子铁芯(204)和右定子铁芯(205)的径向外部分别是左转子铁芯(202)和右转子铁芯(203)，定子铁芯外表面与转子铁芯内表面之间形成第一类气隙(210)，左定子铁芯(204)和右定子铁芯(205)内部分别与左导磁体(207)和右导磁体(208)相连，永磁体(209)嵌于左导磁体(207)和右导磁体(208)之间，并且在永磁体(209)的径向两侧形成第二类气隙(211)，左定子铁芯(204)和右定子铁芯(205)共组成16个磁极，定子铁芯磁极均为极靴形式，左定子铁芯(204)的8个磁极和右定子铁芯(205)的8个磁极沿圆周均匀分布，定子铁芯磁极之间通过定子隔磁体(212)相连，左定子铁芯(204)互不相邻的4个磁极(301，303，305，307)与右定子铁芯(205)互不相邻的4个磁极(401，403，405，407)，或者左定子铁芯(204)互不相邻的4个磁极(302，304，306，308)与右定子铁芯(205)互不相邻的4个磁极(402，404，406，408)以及它们上面绕有的线圈(206)共同组成了两组定子磁极，两组磁极互为冗余，当一组磁极发生故障时，另一组磁极可以正常工作。
2.根据权利要求1所述的具有容错功能的两气隙外转子径向混合磁轴承，其特征在于：所述相邻定子铁芯极靴之间的距离为定转子之间第一类气隙(210)的5倍～10倍。
3.根据权利要求1所述的具有容错功能的两气隙外转子径向混合磁轴承，其特征在于：所述定子极靴的极尖角为10～30度。
4.根据权利要求1所述的具有容错功能的两气隙外转子径向混合磁轴承，其特征在于：所述第二类气隙(211)长度在其截面积与第一类气隙(210)截面积相等时为大于2倍第一类气隙长度。
5.根据权利要求1所述的具有容错功能的两气隙外转子径向混合磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(209)采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料或钕铁硼永磁材料制成。
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