CN101886669B - 一种永磁偏置外转子径向磁轴承 - Google Patents

一种永磁偏置外转子径向磁轴承 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种永磁偏置外转子径向磁轴承，该磁轴承包括内导磁体、定子铁芯、转子铁芯、外导磁环、外隔磁环、永磁体、激磁线圈、第一空气隙和第二空气隙。定子铁芯I、II组成X、Y正负方向8个磁极，每个磁极上有激磁线圈，定子铁芯内部是导磁体，导磁体之间有隔磁材料隔开，定子铁芯I、II外面是转子铁芯I和IV，定子铁芯III外面是转子铁芯II、转子铁芯III、外隔磁环，转子铁芯I、II通过外导磁环相连，转子铁芯III、IV通过外导磁环II相连；外导磁环I、转子铁芯II与外导磁环II、转子铁芯III通过外隔磁环相连；右导磁体与中导磁体通过永磁体I相连，左导磁体与中导磁体通过永磁体II相连，定子铁芯磁极均为极靴形式用以减小旋转功耗。

Description

一种永磁偏置外转子径向磁轴承
技术领域
本发明涉及一种非接触混合式磁悬浮轴承，特别是涉及一种永磁偏置外转子径向磁轴承，可以替代现在有成对使用的磁轴承，大大缩短了轴向距离。
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，所以永磁偏置的混合磁悬浮轴承得到了广泛的应用。有些结构是将永磁体直接与定子叠片铁芯相连，这样永磁体磁路在垂直穿过定子铁芯时会损失过多的磁动势，因而大大削弱永磁体对转子轴的吸力，有些结构是将永磁体通过导磁环与叠片铁芯相连，电励磁经过叠片铁芯形成回路，中国专利申请号：200510011270.3和20051001169.1结构的永磁偏转外转子径向磁轴承，如图1和图2所示，永磁磁动势不会在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，但因需成对使用而导致轴向长度较长，故不能满足卫星、空间站等航天器所要求的体积小、重量轻的目的。专利一种永磁偏置外转子径向磁轴承(中国专利申请号：200710065050.8)中，所述结构虽然可以实现轴向体积小的目的，但是由于其气隙磁场在圆周方向上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，提供一种永磁偏置外转子径向磁轴承，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，可以替代现有的成对使用的磁轴承。
一种永磁偏置内转子径向磁轴承，该磁轴承包括内导磁体、定子铁芯、转子铁芯、外导磁环、外隔磁环、永磁体、内隔磁体、激磁线圈、第一空气隙和第二空气隙组成，转子铁芯内表面与定子铁芯外表面之间留有一定的气隙，形成第一空气隙，定子铁芯包括定子铁芯I、定子铁芯II、定子铁芯III，转子铁芯包括转子铁芯I、转子铁芯II、转子铁芯III和转子铁芯IV，外导磁环包括外导磁环I和外导磁环II，内导磁体包括右导磁体、左导磁体和中导磁体，永磁体包括永磁体I和永磁体II，定子铁芯I、定子铁芯III和定子铁芯II组成磁轴承右、中、左部位的X、Y正负方向上的共12个磁极，每个定子磁极均为极靴形式，且定子铁芯I和定子铁芯II形成的8个定子磁极上绕有激磁线圈，定子铁芯I、定子铁芯II、定子铁芯III径向内侧分别为右导磁体、左导磁体和中导磁体，永磁体II与右导磁体和中导磁体相连，并与其形成第二空气隙，永磁体I与左导磁体和中导磁体相连，并与其也形成第二空气隙，右导磁体、中导磁体、左导磁体以及永磁体I和永磁体II在圆周方向上由内隔磁体相连，定子铁芯I和定子铁芯II径向外侧分别是转子铁芯I和转子铁芯IV，定子铁芯III外部分别是转子铁芯II，外隔磁环和转子铁芯III，转子铁芯I、转子铁芯II外部通过外导磁环I相连，转子铁芯III、转子铁芯IV外部通过外导磁环II相连。
所述的右导磁体、左导磁体和中导磁体均由导磁性良好的材料制成；所述的永磁体I和永磁体II均采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料或钕铁硼永磁材料；所述的外隔磁环、内隔磁体的材料为铜、铝、钛合金的任意一种；所述的相邻定子铁芯极靴之间圆周方向上的距离为定转子之间第一空气隙的5倍～10倍，所述定子磁极极靴的极尖角为15～30度；所述第二空气隙的长度在其截面积与第一空气隙截面积相等时为大于或等于2倍第一空气隙长度。
本发明提供的一种永磁偏置外转子径向磁轴承，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。定子铁芯I、定子铁芯II和定子铁芯III共组成12个磁极，定子铁芯I的4个磁极和定子铁芯II的4个磁极沿圆周均匀分布，每个磁极上绕有激磁线圈，定子铁芯I、定子铁芯II和定子铁芯III的内部是导磁体，定子铁芯I和定子铁芯II外部是转子铁芯I、转子铁芯IV，定子铁芯III外部是转子铁芯II、外隔磁环和转子铁芯III，转子铁芯I、II通过外导磁环相连，转子铁芯III、IV通过外导磁环II相连；外导磁环I、转子铁芯II与外导磁环II、转子铁芯III通过外隔磁环相连；右导磁体与中导磁体通过永磁体I相连，左导磁体与中导磁体通过永磁体II相连。
如图3所示，实线表示永磁磁路：左半部分磁路为磁通从永磁体I的N极出发，通过左导磁体、定子铁芯II、第一空气隙、转子铁芯IV、外导磁环II，经过转子铁芯III、气隙、定子铁芯III、左导磁体回到永磁体的S极，构成径向磁轴承的永磁磁路；同理，右半部分的磁路为磁通从永磁体II的N极出发，通过右导磁体、定子铁芯I、气隙、转子铁芯I、外导磁环I，经转子铁芯II、第一空气隙、定子铁芯III、右导磁体回到永磁体II的S极，在气隙中产生永磁偏置磁场。虚线表示电磁磁路，同样也分为左右两部分：左边部分的电磁磁路为磁通经定子铁芯III、左导磁体、第二空气隙、定子铁芯II、第一空气隙、转子铁芯IV、外导磁环II、转子铁芯III、第一空气隙形成闭合回路；同理，右边部分的电磁磁路为定子铁芯I、右导磁体、第二空气隙、定子铁芯III、第一空气隙、外导磁环I、转子铁芯II、第一空气隙形成闭合回路。如果转子由于扰动发生平动，假设转子偏离平衡位置向-Y方向移动，那么+Y方向气隙加大导致吸力减小，使-Y方向气隙减小使得吸力增大，此时在定子铁芯IY方向上的激磁线圈通电流，使定子铁芯I+Y方向气隙的电磁磁密和永磁磁密叠加，-Y方向气隙的电磁磁密和永磁磁密抵消，同时在定子铁芯IIY方向上的激磁线圈中通电流，是定子铁芯II+Y方向气隙的电磁磁密和永磁磁密叠加，-Y方向气隙的电磁磁密和永磁磁密抵消，从而使转子受到一个沿+Y方向的合力，可使转子回到平衡位置。
本发明与现有技术的优点在于：
本发明提出的永磁偏置外转子径向磁轴承结构通过使用一个就可替代现有的需成对使用的永磁偏置径向磁轴承。所述的磁轴承结构两端的激磁线圈单独控制，外隔磁体的存在使永磁磁路和电磁磁路的左右两部分均有效隔开，避免了耦合，同时由于定子铁芯采用极靴形式，因此可以降低径向磁轴承定转子之间气隙的磁密波动，从而降低磁轴承的旋转功耗。
附图说明
图1为中国专利(20051001127.3)的永磁偏置外转子径向磁轴承结构图，其中(a)为轴向截面图，(b)为径向截面图；
图2为已申请专利(2005100690.1)的永磁偏置外转子径向磁轴承结构图，其中(a)为轴向截面图，(b)为径向截面图；
图3本发明永磁偏置外转子径向磁轴承结构图，其中(a)为轴向截面图，(b)为径向截面图。
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：
一种永磁偏置内转子径向磁轴承，该磁轴承包括内导磁体、定子铁芯、转子铁芯、外导磁环、外隔磁环、永磁体、内隔磁体、激磁线圈、第一空气隙和第二空气隙组成，转子铁芯内表面与定子铁芯外表面之间留有一定的气隙，形成第一空气隙317，定子铁芯包括定子铁芯I302、定子铁芯II311、定子铁芯III315，转子铁芯包括转子铁芯I304、转子铁芯II306、转子铁芯III308和转子铁芯IV310，外导磁环包括外导磁环I305和外导磁环II309，内导磁体包括右导磁体301、左导磁体312和中导磁体314，永磁体包括永磁体I313和永磁体II316，定子铁芯I302、定子铁芯III315和定子铁芯II311组成磁轴承右、中、左部位的X、Y正负方向上的共12个磁极，每个定子磁极均为极靴形式，且定子铁芯I302和定子铁芯II311形成的8个定子磁极上绕有激磁线圈303，定子铁芯I302、定子铁芯II311、定子铁芯III315径向内侧分别为右导磁体301、左导磁体312和中导磁体314，永磁体II316与右导磁体301和中导磁体314相连，并与其形成第二空气隙319，永磁体I313与左导磁体312和中导磁体314相连，并与其也形成第二空气隙319，右导磁体301、中导磁体314、左导磁体312以及永磁体I313和永磁体II316在圆周方向上由内隔磁体318相连，定子铁芯I302和定子铁芯II311径向外侧分别是转子铁芯I304和转子铁芯IV310，定子铁芯III311外部分别是转子铁芯II306，外隔磁环307和转子铁芯III308，转子铁芯I304、转子铁芯II306外部通过外导磁环I305相连，转子铁芯III308、转子铁芯IV310外部通过外导磁环II309相连。
本发明中定子铁芯I302和定子铁芯II311上的激磁线圈303分别进行控制，定子铁芯I302上+X、-X方向的两个激磁线圈303通过串并联连接，+Y、-Y方向的两个激磁线圈通过串并联连接。定子铁芯II311上+X、-X方向的两个激磁线圈303通过串并联连接，+Y、-Y方向的两个激磁线圈303通过串并联连接。
本发明提供的一种永磁偏置外转子径向磁轴承，导磁体318、左外导磁环I305和外导磁环II309均采用导磁性能良好的材料制成，如电工纯铁等材料，定子铁芯I302、定子铁芯II311、定子铁芯III315和转子铁芯I304、转子铁芯II306、转子铁芯III308、转子铁芯IV310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I313和永磁体II316可采用磁性能良好的稀土永磁体或铁氧体永磁体，永磁体沿轴向充磁，励磁线圈303用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。
为了减小磁轴承高速旋转时的功耗，所有定子铁芯均为极靴形式，且圆周方向上的相邻两个定子铁芯极靴之间的距离(如图3b中所示的a)为定转子之间第一空气隙的5倍～10倍，一般第一空气隙为0.3mm～0.5mm，所以定子铁芯极靴之间的距离为1.5～5mm，其极尖角θ考虑到磁饱和以及线圈303的下线取15～30度，极尖角太小容易引起极靴部分的磁饱和，太大容易引起下线困难；所述第二空气隙的长度在其截面积与第一空气隙截面积相等时为大于2倍第一空气隙长度，一般为0.6～1mm，这是为了使得第二空气隙磁阻要小于永磁体磁阻并同时大于2倍的气隙磁阻，防止永磁体在第二空气隙损失过多的磁动势。
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 (4)

1.一种永磁偏置外转子径向磁轴承，其特征在于：该磁轴承包括内导磁体、定子铁芯、转子铁芯、外导磁环、外隔磁环、永磁体、内隔磁体、激磁线圈、第一空气隙和第二空气隙组成，转子铁芯内表面与定子铁芯外表面之间留有一定的气隙，形成第一空气隙(317)，定子铁芯包括定子铁芯I(302)、定子铁芯II(311)、定子铁芯III(315)，转子铁芯包括转子铁芯I(304)、转子铁芯II(306)、转子铁芯III(308)和转子铁芯IV(310)，外导磁环包括外导磁环I(305)和外导磁环II(309)，内导磁体包括右导磁体(301)、左导磁体(312)和中导磁体(314)，永磁体包括永磁体I(313)和永磁体II(316)，定子铁芯I(302)、定子铁芯III(315)和定子铁芯II(311)组成磁轴承右、中、左部位的X、Y正负方向上的共12个磁极，每个定子磁极均为极靴形式，相邻定子铁芯极靴之间圆周方向上的距离为定转子之间第一空气隙的5倍～10倍，定子磁极极靴的极尖角为15～30度，且定子铁芯I(302)和定子铁芯II(311)形成的8个定子磁极上绕有激磁线圈(303)，定子铁芯I(302)、定子铁芯II(311)、定子铁芯III(315)径向内侧分别为右导磁体(301)、左导磁体(312)和中导磁体(314)，永磁体II(316)与右导磁体(301)和中导磁体(314)相连，并与其形成第二空气隙(319)，永磁体I(313)与左导磁体(312)和中导磁体(314)相连，并与其也形成第二空气隙(319)，第二空气隙(319)的长度在其截面积与第一空气隙(317)截面积相等时为第一空气隙的两倍，右导磁体(301)、中导磁体(314)、左导磁体(312)以及永磁体I(313)和永磁体II(316)在圆周方向上由内隔磁体(318)相连，定子铁芯I(302)和定子铁芯II(311)径向外侧分别是转子铁芯I(304)和转子铁芯IV(310)，定子铁芯III(311)外部分别是转子铁芯II(306)、外隔磁环(307)和转子铁芯III(308)，转子铁芯I(304)、转子铁芯II(306)外部通过外导磁环I(305)相连，转子铁芯III(308)、转子铁芯IV(310)外部通过外导磁环II(309)相连。
2.根据权利要求1所述的永磁偏置外转子径向磁轴承，其特征在于：所述的右导磁体(301)、左导磁体(312)和中导磁体(314)均由导磁性良好的材料制成。
3.根据权利要求1所述的永磁偏置外转子径向磁轴承，其特征在于：所述的永磁体I(313)和永磁体II(316)均采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料或钕铁硼永磁材料。
4.根据权利要求1所述的永磁偏置外转子径向磁轴承，其特征在于：所述的外隔磁环(307)、内隔磁体(318)的材料为铜、铝、钛合金的任意一种。
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