CN101886668B - 一种两气隙混合式外转子径向磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种两气隙混合式外转子径向磁轴承，包括转子铁芯、永磁体、定子铁芯与激磁线圈，四个定子铁芯磁极均匀分布在圆周上，其中四个永磁体镶嵌于相邻两个定子铁芯磁极之间，在圆周上呈90度放置。四个定子铁芯磁极周围绕有励磁线圈，定子铁芯采用极靴形式，用以降低磁轴承的旋转功耗；定子铁芯磁极外表面与转子铁芯内表面留有间隙，形成第一类气隙，永磁体与定子铁芯之间形成第二类气隙，其中第二类气隙的作用是使电磁磁路不经过永磁体本身即可形成磁路，从而减小了损耗。在设计的过程中应该使得第二类气隙的磁阻大于2倍第一类气隙磁阻。

Description

一种两气隙混合式外转子径向磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非接触混合式磁悬浮轴承，特别是涉及一种两气隙混合式外转子径向磁轴承。

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，因而这种承载可减小控制电流，降低损耗。目前在混合式磁悬浮轴承领域，主要有以下几种结构：

其一，在电磁磁路上放置永磁体，这样控制线圈所产生的磁通要穿过永磁体，由于永磁体磁阻很大，因而控制线圈要产生一定的电磁磁通需要较大的激磁电流，这将会增加轴承的功耗；

其二，如图1所示，将永磁体直接与定子叠片铁芯相连，这样永磁磁路在垂直穿过定子铁芯时会损失过多的磁动势，因而会大大削减永磁体对转子的吸力；

其三，将永磁体通过导磁环与叠片铁芯相连，电磁磁路经过叠片铁芯形成回路，这样永磁磁动势不会再叠片铁芯中产生损失，同时电励磁磁路也不会经过永磁体本身，但是这种结构的径向磁轴承其永磁磁路所在平面与电励磁磁路所在平面相互垂直，因而会导致轴向长度较长，故不能满足要求小体积、轻重量的应用场合。如图2所示的永磁偏置径向磁轴承结构(中国专利申请号：2005100862233.5)，其永磁磁路与电磁磁路互相平行，可以做到轴向长度短，但是这种结构的径向磁轴承为8个定子铁芯磁极结构，并且在气隙圆周存在磁场的交变，从而引起高转速下的涡流损耗。专利一种小体积低功耗永磁偏置外转子径向磁轴承(中国专利申请号：200510086831.6)中，所述结构虽然可以实现减轻重量，但是由于其气隙磁场在圆周方向上仍然存在磁密大小的波动，因此会导致转子在高速旋转时产生较大的涡流损耗，难以满足航天对功耗的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种两气隙混合式外转子径向磁轴承，体积小、重量轻且功耗低，易加工等优点。

发明内容：

一种两气隙混合式外转子径向磁轴承，包括定子铁芯、永磁体、转子铁芯和励磁线圈，4个定子铁芯磁极均布于圆周上，4个永磁体间隔嵌于相邻两个定子铁芯磁极之间，并在定子圆周上呈90度放置，4个定子铁芯磁极为极靴结构，并沿+X、-X、+Y和-Y方向分布，并且其周围绕制有激磁线圈，定子铁芯磁极外表面与转子铁芯内表面之间形成第一类气隙，永磁体与定子铁心在永磁体的径向两侧之间形成第二类气隙。

所述相邻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，极尖角为10～30度；所述的第二类气隙长度在其截面积与第一类气隙截面积相等时大于定转子之间第一类气隙长度的2倍；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。

本发明提供的一种两气隙混合式外转子径向磁轴承，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，电磁线圈所产生的磁场起调节作用，用来改变相对两个定子铁芯磁极方向上磁场的强弱，保持第一类气隙的均匀，并使得转子得到无接触支撑。如图3所示，虚线表示永磁磁路：磁通从永磁体N极出发，通过该永磁体相邻的一个定子铁芯磁极，经第一类气隙，沿转子铁芯，再经第一类气隙，永磁体相邻的另一定子铁芯磁极，回到永磁体S极，形成磁悬浮轴承的主磁路。实线表示电磁磁路：电磁磁通从定子铁芯磁极出发，分两路经第二类气隙，通过该定子铁芯磁极相邻的定子铁芯磁极后，经第一类气隙，沿转子铁芯，再经第一类气隙，回到该定子铁芯磁极，构成闭合的电磁磁路。从电磁磁路可以知道，电磁磁路不通过永磁体内部，减小了电磁磁路的磁阻，降低了激磁电流，从而降低了轴承的功耗，同时又使得永磁磁路在任一径向截面内与电磁磁路共面，减小了轴向尺寸，并且定子铁芯磁极只需要四个，因而大大减小了磁轴承的重量和体积，定子铁芯采用极靴形式可减小高速下轴承的旋转功耗。

本发明与现有技术的优点在于：

本发明提供的一种两气隙混合式外转子径向磁轴承，采用永磁磁场作为偏置磁场，相比传统的电磁轴承，消除了线圈中的偏置电流，降低了绕组的铜耗，因此轴承的功耗低。本发明所述的两气隙混合式外转子磁轴承，其永磁磁路与电磁磁路在任一径向截面内共面，相比现有的永磁偏置磁轴承，有效减小了磁轴承的轴向尺寸，并且该磁轴承仅需四个定子铁芯磁极，线圈数也可以相应减少，因此可以进一步减小磁轴承的体积。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1一种现有永磁偏置混合径向磁轴承截面图。

图2一种现有永磁偏置外转子径向磁轴承截面图。

图3本发明一种两气隙混合式外转子径向磁轴承。

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：

本发明提供的一种两气隙混合式外转子径向磁轴承(如图3所示)，一种两气隙混合式外转子径向磁轴承，包括定子铁芯301、永磁体302、转子铁芯303和励磁线圈304，4个定子铁芯301磁极均布于圆周上，4个永磁体302间隔嵌于相邻两个定子铁芯301磁极之间，并在定子圆周上呈90度放置，4个定子铁芯301磁极为极靴结构，并沿+X、-X、+Y和-Y方向分布，并且其周围绕制有激磁线圈304，定子铁芯磁极外表面与转子铁芯303之间形成第一类气隙306，永磁体302与定子铁心在永磁体302的径向两侧之间形成第二类气隙305。为了减小磁轴承高速旋转时的功耗，故所有定子铁芯均为极靴形式，且圆周方向上的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)为定转子之间第一气隙的5倍～10倍以防止磁极之间的磁耦合，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(图中所示的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。所述的第二类气隙305长度在其截面积与第一类气隙306截面积相等时大于定转子之间第一类气隙长度的2倍，一般为0.6～1mm，这是为了使得第二气隙磁阻要小于永磁体磁阻并同时大于2倍的气隙磁阻。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。

本发明提供的一种两气隙混合式外转子径向磁轴承，所用的定子铁芯301、转子铁芯303应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302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，永磁体为平行充磁，励磁线圈304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 (3)

1.一种两气隙混合式外转子径向磁轴承，其特征在于：包括定子铁芯(301)、永磁体(302)、转子铁芯(303)和励磁线圈(304)，4个定子铁芯(301)磁极均布于圆周上，4个永磁体(302)间隔嵌于相邻两个定子铁芯(301)磁极之间，并在定子圆周上呈90度放置，4个定子铁芯(301)磁极为极靴结构，并沿+X、-X、+Y和-Y方向分布，并且其周围绕制有激磁线圈(304)，相邻定子极靴之间的距离为定转子之间第一类气隙(306)的5倍～10倍，定子极靴的极尖角为10～30度，定子铁芯磁极外表面与转子铁芯(303)内表面之间形成第一类气隙(306)，永磁体(302)与定子铁心在永磁体(302)的径向两侧之间形成第二类气隙(305)。

2.根据权利要求1所述的两气隙混合式外转子径向磁轴承，其特征在于：所述的第二类气隙(305)长度在其截面积与第一类气隙(306)截面积相等时大于定转子之间第一类气隙长度的2倍。

3.根据权利要求1所述的两气隙混合式外转子径向磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(302)采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料或钕铁硼永磁材料。

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