CN101907130B - 一种两气隙永磁偏置内转子径向磁轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种两气隙永磁偏置内转子径向磁轴承，包括左定子铁芯、右定子铁芯、永磁体、转子铁芯与激磁线圈，8个定子铁芯组成X、Y方向磁极，4个定子带有极靴，并均匀分布在圆周上，其中4个永磁体镶嵌于左定子铁芯和右定子铁芯之间，且在定子圆周上呈90度放置。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，永磁体与定子铁芯两侧留有间隙，形成第二类气隙。

Description

一种两气隙永磁偏置内转子径向磁轴承
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内转子径向磁轴承。
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，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。
其四，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，但是由于8个定子磁极依次相隔45度，因而在+X、-X、+Y和-Y方向上产生一定的承载力，就需要每个定子磁极线圈中通入较大的电流才可实现，因而造成功耗增加。专利一种低功耗永磁偏置外转子径向磁轴承(中国专利申请号：200510086832.0)，所述结构虽然可以实现体积小的目的，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，提供一种两气隙永磁偏置内转子径向磁轴承，体积小、重量轻且功耗低，易控制等优点。
本发明的技术解决方案是：本发明提供的一种两气隙永磁偏置内转子径向磁轴承，包括左定子铁芯、右定子铁芯、永磁体、转子铁芯、激磁线圈以及隔磁体组成，4个左定子铁芯和4个右定子铁芯组成8个定子铁芯磁极，组成X、Y正负方向上的四对磁极，每个定子铁芯磁极为极靴形式，每对磁极之间采用隔磁体相连；4个永磁体镶嵌于左定子铁芯和右定子铁芯之间，且在定子圆周上呈90度放置；8个定子铁芯磁极周围绕制激磁线圈，定子铁芯径向内侧为转子铁芯，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，永磁体与左定子铁芯和右定子铁芯在永磁体的径向两侧之间形成第二类气隙。
所述相邻每对定子铁芯磁极的极靴在圆周方向上的距离为定转子之间第一类气隙的5倍～10倍，其极尖角为15～30度；且第二类气隙的长度在其截面积与第一类气隙截面积相等时为第一类气隙的两倍；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制成；所述的转子铁芯、左定子铁芯和右定子铁芯均采用导磁性能良好的材料沿轴向冲压迭制而成。
本发明提供的一种两气隙永磁偏置内转子径向磁轴承，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，用来改变相邻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，通过左定子铁芯，经第一类气隙，沿转子铁芯，再经第一类气隙到右定子铁芯，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：电磁磁通从左定子铁芯磁极出发，经第一类气隙，沿转子铁芯，再经第一类气隙，到右定子铁芯，分两路经第二类气隙，回到左定子铁芯磁极，构成闭合的电磁磁路。从电磁磁路可以看出，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任一径向截面内与电磁磁路共面，减小了轴向尺寸，因而大大减小了磁轴承的重量和体积，8个定子铁芯磁极在+X、-X、+Y和-Y方向上分布紧凑，使得产生同样大小承载力所需的电流更小。
本发明与现有技术的优点在于：本发明提供的一种两气隙永磁偏置内转子径向磁轴承，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。其永磁磁路与电磁磁路在任一径向截面内共面，相比图1和图2的永磁偏置磁轴承，有效减小了磁轴承的轴向尺寸，同时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中的磁密波动，从而降低磁轴承的旋转功耗；另外，永磁体与左定子铁芯和右定子铁芯之间的径向两侧均形成第二类气隙，因而更易于定子的加工。
附图说明
图1一种现有定子铁芯损耗较大的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本发明一种两气隙永磁偏置内转子径向磁轴承
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：
一种两气隙永磁偏置内转子径向磁轴承，包括左定子铁芯301、右定子铁芯302、永磁体303、转子铁芯304、激磁线圈305以及隔磁体308组成，4个左定子铁芯301和4个右定子铁芯302组成8个定子铁芯磁极，组成X、Y正负方向上的四对磁极，每个定子铁芯磁均为极靴形式，每对磁极之间采用隔磁体308相连；4个永磁体303镶嵌于左定子铁芯301和右定子铁芯302之间，且在定子圆周上呈90度放置；8个定子铁芯磁极周围绕制激磁线圈，定子铁芯径向内侧为转子铁芯304，定子铁芯磁极外表面与转子铁芯304内表面留有间隙，形成第一类气隙306，永磁体303与左定子铁芯和右定子铁芯在永磁体303的径向两侧之间形成第二类气隙307。如图3中标注a所示部分，每对定子铁芯磁极的极靴在圆周方向上的距离为定转子之间第一类气隙的5倍～10倍以减小磁极之间的相互影响，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，其极尖角θ1考虑磁饱和以及线圈305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，另外，定子磁极之间拐角的角度θ2为90～110度以保证铁芯中的磁密分布均匀不致于产生磁密集中现象；第二类气隙307的长度在其截面积与第一类气隙306截面积相等时大于或等于第一类气隙的两倍，一般为0.6～1mm。
本发明提供的一种两气隙永磁偏置内转子径向磁轴承，所用的左定子铁芯301和右定子铁芯302采用高饱和磁密、高电阻率、叠片厚度更小的软磁材料，如硅钢片等叠压制成；转子铁芯304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303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305用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成，所述隔磁体308的材料为铜、铝、钛合金的任意一种。
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)

1.一种两气隙永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：包括左定子铁芯(301)、右定子铁芯(302)、永磁体(303)、转子铁芯(304)、激磁线圈(305)以及隔磁体(308)，4个左定子铁芯(301)和4个右定子铁芯(302)组成8个定子铁芯磁极，组成X、Y正负方向上的四对磁极，每个定子铁芯磁极为极靴形式，每对磁极之间通过隔磁体(308)相连，相邻每对定子铁芯磁极的极靴在圆周方向上的距离为定转子之间第一类气隙(306)的5倍～10倍，定子铁芯磁极极靴的极尖角为15～30度，定子磁极之间拐角的角度为90～110度；4个永磁体(303)镶嵌于左定子铁芯(301)和右定子铁芯(302)之间，且在定子圆周上呈90度放置；8个定子铁芯磁极周围绕制激磁线圈，定子铁芯径向内侧为转子铁芯(304)，定子铁芯磁极表面与转子铁芯(304)内表面留有间隙，形成第一类气隙(306)，永磁体(303)与左定子铁芯(301)和右定子铁芯(302)在永磁体(303)的径向两侧之间形成第二类气隙(307)。
2.根据权利要求1所述的两气隙永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：第二类气隙(307)的长度在其截面积与第一类气隙(306)截面积相等时为第一类气隙的两倍。
3.根据权利要求1所述的两气隙永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(303)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。
4.根据权利要求1所述的两气隙永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：所述的转子铁芯(304)、左定子铁芯(301)和右定子铁芯(302)均采用导磁性能良好的材料沿轴向冲压迭制而成。
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