CN101956761B - 扁平型水平线圈内转子混合磁轴承 - Google Patents

Abstract

一种扁平型水平线圈内转子混合磁轴承，其是由两个上下对称设置的两轴单边水平线圈混合磁轴承构成的四轴混合磁轴承，每个两轴单边水平线圈混合磁轴承包括转子和定子。该转子包括：内导磁环；转子铁心，同轴线套装在该外导磁环的外侧。该定子包括：定子盘，包含有多个均匀分布的磁极；导磁盖板，设置在定子盘外侧；以及多个电磁线圈，分别水平套装在该导磁盖板上；且每个电磁线圈分别与1个磁极的位置对应；其中转子套装在该定子的内侧。多个磁极在内边缘处相连为一个整体圆环。本发明采用2个单边线圈两轴磁轴承构成四轴磁轴承，结构更紧凑；将现有技术中相互分开的磁极在内边缘处相连成一个整体圆环，降低了转子运行时的涡流损耗和阻滞力矩。

Description

扁平型水平线圈内转子混合磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，尤其是涉及一种具有水平线圈和内转子的扁平型四轴混合磁轴承，其可作为旋转部件的无接触支撑，特别是作为空间系统高精度、低噪声姿态控制飞轮的支承机构。

背景技术

磁轴承的损耗是一个重要的综合指标，直接影响到其应用。磁轴承按照磁力提供方式，可分为被动磁轴承、主动磁轴承和混合磁轴承。被动磁轴承的稳定域很小；主动磁轴承必须在电磁线圈中设定偏置电流来给磁轴承提供工作点，因此控制电流大，功耗大；而混合磁轴承将永磁偏置与电磁控制相结合，其中永磁体提供了磁路的主要磁通和偏置工作点磁场，电磁线圈提供磁路的调节磁通，按一定控制律使转子处于平衡位置，可以显著减小控制电流，降低功耗，因而特别适合于对功耗要求高的空间用飞轮等应用场合。

然而，目前的永磁偏置径向混合磁轴承采用的磁极结构，线圈铁心与工作磁极采用一体结构(即二者是一个整体，具体而言，就是上线圈铁心和上导磁极板是一个整体，下线圈铁心和下导磁极板是一个整体)。而且，在现有的混合磁轴承结构中，磁极在圆周方向是彼此分开的，因为这种彼此分开的磁极结构，造成其径向磁场沿圆周方向是交替变化的(即磁场是非均匀的)，导致转子在高速旋转时，通过转子铁心圆周面的磁通按转速的N倍频(N等于磁极数)周期性变化，由此带来的涡流损耗不可忽略。

虽然转子铁心的叠片结构能在一定程度上减小涡流损耗，而且进一步减小转子铁心的叠片厚度可以显著降低涡流损耗，但这样会带来磁轴承支撑强度减弱的问题。

因此，对高速飞轮转子而言，目前的混合磁轴承还存在明显的技术缺点：首先，转子铁心的涡流将产生明显的阻滞力矩，在姿态控制用磁悬浮飞轮等航天应用场合，将会显著增加驱动电机的功耗，并影响卫星姿态控制的稳定性和精度；其次，当为了降低风阻损耗而将高速转子封闭在高真空的壳体内时，过大的涡流损耗还将增加转子散热设计的困难；再次，四轴磁轴承采用2个双边线圈磁轴承组合，使磁轴承的高度较大，导致体积的增大和质量的增加。此外，目前的混合磁轴承的线圈铁心与工作磁极采用一体结构，还存在结构复杂、不能充分利用磁极的圆周面积等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对内转子磁轴承结构，克服磁轴承结构复杂、质量大、能耗高等技术难题，简化磁轴承结构、降低磁轴承质量、减小磁轴承悬浮能耗。因此，本发明提供一种质量轻、体积小、能耗低的混合磁轴承，这是一种包含有水平线圈、径向均匀磁极和内转子的扁平型低损耗永磁偏置混合磁轴承。

为达到上述发明目的，本发明的技术解决方案是：一种扁平型水平线圈内转子混合磁轴承，它由2个上下对称设置的两轴单边水平线圈混合磁轴承构成四轴混合磁轴承，每个两轴单边水平线圈混合磁轴承包括转子和定子。该转子包括：内导磁环；转子铁心，同轴线套装在该外导磁环的外侧。该定子包括：定子盘，包含有多个均匀分布的磁极；导磁盖板；设置在定子盘外侧；以及多个电磁线圈，分别水平套装在该导磁盖板上；且每个电磁线圈分别与1个磁极的位置对应；其中转子套装在该定子的内侧。多个磁极在内边缘处相连为一个整体圆环。

根据本发明的水平线圈内转子混合磁轴承的一个实施例，所述定子盘呈圆盘状，其包括：上导磁极板；下导磁极板，位于所述上导磁极板下方；磁柱安装盘，设置在所述上导磁极板和下导磁极板之间，该磁柱安装盘不导磁；以及多个永磁体，被均匀嵌放在所述磁柱安装盘内，所述永磁体沿所述定子盘的轴向同向充磁；其中所述上导磁极板和下导磁极板分别被沿周向均匀分割成呈辐射状的4个磁极，且每个所述下导磁极板的磁极被设置为与相应的所述上导磁极板的磁极上下对称。

所述上导磁极板的4个磁极的相邻磁极之间、以及所述下导磁极板的4个磁极的相邻磁极之间分别在内边缘处由通道连成一体，其中该通道由具有小截面积的导磁体形成。

上述本发明磁轴承的定子盘23的中间部分是磁柱安装盘232以及一组按磁极位置均匀分布的圆形或扇形柱状永磁体。同一套两轴磁轴承的永磁体沿轴向同向充磁，上下磁轴承的永磁体充磁方向相反。永磁体上下两端是结构对称的导磁极板(即上导磁极板231与下导磁极板233)。每块导磁极板被沿周向均匀分割成呈辐射状的四磁极结构。上述导磁盖板21如图3所示呈圆环形。圆环形导磁盖板内侧的4个凸出部对应4个磁极，矩形电磁线圈22呈水平状态放置，并套装在上述圆环形导磁盖板的对应的凸出部上。在导磁极板内缘，相邻磁极之间通过小截面积的导磁体连成一体，4个磁极在内缘处连接成一个整体的圆环。因此，当转子处于平衡位置时，工作气隙的径向永磁偏置磁场在整个圆周面上是均匀的。因此，径向永磁磁通在转子铁心上产生的涡流损耗降低到最低程度。本发明采用叠片结构转子铁心，用来进一步降低转子偏离平衡位置时永磁磁通扰动和线圈控制磁通变化带来的磁轴承转子铁心的涡流损耗。

本发明将磁轴承通常相互分开的磁极在内边缘处相连成一个整体圆环，由于同一套两轴磁轴承的永磁体在轴向同向充磁，永磁体产生的磁通在磁极内缘按径向方向经工作气隙进出转子铁心。因此，当转子处于平衡位置时，工作气隙的径向永磁磁通在整个圆周面上是均匀的，因而将转子运行时的涡流损耗和阻滞力矩降低到最低程度。电磁线圈产生的磁通在磁极内缘按径向方向经工作气间隙进出转子铁心的同时，还有一小部分电磁磁通沿周向经导磁极板边缘连接部分进入相邻磁极。由于连接处截面积较小，因此即便较小的磁通也产生很大的磁通密度，使磁极边缘连接部分的周向磁路饱和，也就是说，通道8的小截面积导磁体在较小的磁通下也会使得磁极边缘连接部分的周向磁路饱和。这样，可以保证各磁极的电磁控制磁路耦合效应很小，不会对控制特性产生影响。

此外，在本发明的混合磁轴承中，将电磁线圈水平放置并以圆环形结构的导磁盖板为线圈铁心，起到降低磁轴承轴向高度和减小磁轴承定子质量的作用。而线圈铁心与磁极在结构上相互分开，使得其结构相比现有技术中二者的整体化结构得以简化。

与现有技术相比，本发明的优点在于：采用2个单边线圈两轴磁轴承组合成四轴磁轴承，减少了线圈数量，降低了磁轴承的高度和结构复杂度，减轻了磁轴承的质量；采用水平线圈径向均匀磁极结构，将现有技术中相互分开的磁轴承的磁极在内边缘处相连成一个整体圆环，当转子处于平衡位置时，工作气隙的径向永磁磁通在整个圆周面上是均匀的，从源头上将转子运行时的涡流损耗和阻滞力矩降低到了最低程度；本发明所述的磁轴承线圈铁心与磁极在结构上分开，加工和装配更方便，并使磁极可以充分利用其圆周面积，增大承载力。

附图说明

图1为本发明的磁轴承的一个具体实施例的结构示意图；

图2为图1所示磁轴承的上/下导磁极板的结构示意图；

图3为图2所示上/下导磁极板的局部结构立体示意图；

图4为图1所示磁轴承的导磁盖板的结构示意图；

图5为本发明的磁路图。

其中，附图标记说明如下：

1-转子，

11-转子铁心，

12-内导磁环，

2-定子，

21-导磁盖板，

22-电磁线圈，

23-定子盘，

231-上导磁极板，

232-磁柱安装盘，

233-下导磁极板，

234-永磁体，

24-连接杆，

25-通孔

3-工作气隙，

4-隔圈，

5-隔环，

6-电磁磁路，

7-永磁磁路，

8-通道，

9-磁极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行具体描述。

参见图1，本发明的扁平型水平线圈外转子混合磁轴承是一种包含有水平线圈、径向均匀磁极和内转子的扁平型低损耗四轴混合磁轴承，由上下2个完全相同的两轴单边水平线圈混合磁轴承构成四轴混合磁轴承，上下轴承对称放置，中间由隔圈4和隔环5隔开。

每个所述两轴单边水平线圈混合磁轴承由转子1和定子2组成。转子1装在定子2的内部构成内转子。转子1由转子铁心11和内导磁环12构成，其中转子铁心11同轴线套装在内导磁环12的外侧。转子1的转子铁心11采用一种导磁性能良好的薄板型软磁材料(如电工硅钢板)冲压叠制而成。

定子2由导磁盖板21、4个电磁线圈22、定子盘23和4个连接杆24组成，4个连接杆24分别通过4个通孔25将导磁盖板21和定子盘23连接成一个整体。

定子盘23由上导磁极板231、磁柱安装盘232、下导磁极板233和永磁体234组成，其中上导磁极板231、磁柱安装盘232和下导磁极板233依次层叠，永磁体234沿周向均匀嵌放在磁柱安装盘232内。

上述定子2的定子盘23的内环面与上述转子1的转子铁心11的外环面之间具有间隙(即工作气隙3)。

定子2的导磁盖板21、上导磁极板231、下导磁极板233及转子1的内导磁环12均采用导磁性能良好的软磁材料加工而成。所述永磁体234呈圆形或扇形柱状，采用磁性良好的稀土永磁体制成并轴向同向充磁。所述磁柱安装盘232采用非导磁合金材料铝合金或钛合金制成。所述电磁线圈22采用导电性能良好的漆包线绕制后浸漆烘干而成。

如图2所示，对应于被均匀设置在上导磁极板231和下导磁极板233之间的多个永磁体234，每块导磁极板(即上导磁极板231与下导磁极板233)分别被沿周向均匀分割成呈辐射状的4个磁极9，且上导磁极板231的4个磁极9与下导磁极板233的4个磁极9上下对称。

所述磁柱安装盘232主要有两方面的作用：(1)它是一个重要的结构件，用于在基本上呈整体圆环状的上/下导磁极板之间定位和固定永磁体234，同时还承受上下导磁极板间的压力，保护永磁体234使其不被压碎；(2)由于每一磁极9可以对应多块永磁体234，利用该磁柱安装盘232可以对多块永磁体进行组合配置，充分利用永磁体的截面积，有利于在工作气隙处产生均匀偏置磁场。

在导磁极板内缘，所述上导磁极板231的4个磁极9的相邻磁极之间、以及下导磁极板233的4个磁极9的相邻磁极之间分别通过小截面积的导磁体(即通道8)连成一体，使得上导磁极板231的4个磁极9在内缘处连成一个整体圆环，下导磁极板233的4个磁极9同样也在内缘处连接成一个整体圆环。从而转子处于平衡位置时，工作气隙的径向永磁磁通在整个圆周面上是均匀的。

所述通道8在上/下导磁极板的径向所处的位置应尽量靠近转子1的设置位置，即，与内转子对应的通道应设置在导磁极板的内缘，与外转子对应的通道应设置在导磁极板的外缘，这样才能保证在气隙及转子中形成均匀的磁场。

如图4所示，位于圆环形结构的导磁盖板21内侧的凸出部被作为4个水平放置的矩形电磁线圈22的铁心，每个凸出部分别对应所述4个磁极9之一，每个矩形电磁线圈22呈水平状态放置并分别套装在所述圆环形导磁盖板21的一个凸出部上。该圆环形导磁盖板21起到降低磁轴承轴向高度和减小磁轴承定子质量的作用。

作为电磁线圈22的线圈铁心的导磁盖板21与所述4个磁极9采用分体结构，即所述导磁盖板21与构成所述磁极9的上/下导磁极板是彼此可分离的独立元件，并通过连接杆24连接在一起。

如图5所示，由永磁体234、上导磁极板231、下导磁极板233、转子1和气隙3构成磁轴承的永磁磁路7；由电磁线圈22、导磁盖板21、上导磁极板231、气隙3和转子1构成磁轴承的电磁磁路6。

对于连通相邻磁极9之间的通道8而言，对其具体结构尺寸的设置既要保证转子处于平衡位置时永磁体234可以在工作气隙3中形成均匀偏置磁场，又要保证电磁线圈产生的励磁磁路相互独立。从能量损耗的角度看，连接面积越大越有利于永磁体234形成均匀偏置磁场，减小涡流损耗；从控制的角度看，连接面积越小越有利于励磁磁路相互独立，便于磁轴承的控制。通道连接面积的大小与永磁体材料及截面积、导磁极板的材料等多种因素有关。合适的通道8的截面积约为单个磁极面积的1％～15％，较优范围为2％～4％。

如图3所示的上/下导磁极板的局部结构立体示意图，其表示本发明的上/下导磁极板的一个实例，其中，每个磁极9的工作面(1/4圆柱侧面)的面积S1(即单个磁极面积)为245.7mm²，通道8的截面积S2为7mm²，约为每个磁极9的工作面面积S1的2.8％。例如，对于图3所示的实例，当通道8的尺寸大小合适时，由有限元数值计算结果可知，气隙3中永磁偏置磁场的磁通密度最小为0.747T，最大为0.754T。

与此形成显著对比的是，当各相邻磁极9之间无通道8相连时，由有限元数值计算结果可知，与磁极9的间隔处对应的局部气隙中的永磁偏置磁场的磁通密度较小，约为0.276T，其余部分约为0.758T。

可以看出，在相邻磁极9之间有尺寸适宜的通道8连通时，可以显著改善气隙3中永磁偏置磁场的磁通密度分布的均匀性。

永磁磁路7除了为磁轴承提供工作点外，还提供转子轴向运动的被动稳定。因此，图1所示的扁平型水平线圈径向均匀磁极低损耗内转子混合磁轴承结构可以成为一种径向四轴主动控制混合磁轴承。

根据图1-图5示出的本发明的实施例及对这些实施例的相关描述，可以看出：构成本发明的四轴混合磁轴承的2个两轴混合磁轴承均采用单边线圈结构，即只在单侧设置导磁盖板21和电磁线圈22，且从上到下依次设置一个两轴混合磁轴承的导磁盖板21、电磁线圈22和定子盘23，以及另一个两轴混合磁轴承的定子盘23、电磁线圈22和导磁盖板21。

在2个所述两轴混合磁轴承的定子2的下导磁极板233之间由隔圈4隔开，在2个所述两轴混合磁轴承的转子1之间由隔环5隔开。

一个两轴混合磁轴承的导磁盖板21、定子盘23和另一个两轴混合磁轴承的定子盘23和导磁盖板21沿所述导磁盖板21的周向分别通过4个连接杆24依次连接，这4个连接杆24分别设置在导磁盖板21的4个凸出部之一上。

本发明的工作原理是：永磁体234为内转子1和外定子2之间的径向工作气隙3提供偏置磁通，产生磁轴承静态悬浮所需的径向力。当左右两侧气隙相等时，相对的两磁极产生的径向力相互抵消，转子1处于平衡位置。当转子1向左有径向位移时，左侧气隙减小，因而左侧永磁磁通增加而吸力变大，同时右侧气隙变大，右侧永磁磁通减少而吸力变小，结果会使转子继续向左侧移动。为了抑制这种不平衡，电磁线圈22产生电磁磁通与永磁偏置磁通叠加，起到削弱左侧气隙磁通、加强右侧气隙磁通的作用，从而产生控制力把转子1拉回平衡位置。

当转子1有轴向位移时，转子1和定子2之间的磁力线扭曲而产生轴向稳定的恢复力，使转子1在轴向获得被动悬浮。

Claims (10)

1.一种扁平型水平线圈内转子混合磁轴承，其是由2个上下对称设置的两轴单边水平线圈混合磁轴承构成的四轴混合磁轴承，每个所述两轴单边水平线圈混合磁轴承包括：

转子(1)，包括：

内导磁环(12)；

转子铁心(11)，同轴线套装在该内导磁环(12)的外侧；以及

定子(2)，包括：

定子盘(23)，包含有多个均匀分布的磁极(9)；

导磁盖板(21)，设置在该定子盘(23)外侧；以及

多个电磁线圈(22)，分别水平套装在该导磁盖板(21)上，且每个电磁线圈(22)分别与1个磁极(9)的位置对应；以及

所述转子(1)套装在该定子(2)的内侧。

2.根据权利要求1所述的扁平型水平线圈内转子混合磁轴承，其中，所述多个磁极(9)在内边缘处相连为一个整体圆环。

3.根据权利要求1所述的扁平型水平线圈内转子混合磁轴承，其中，所述定子盘(23)呈圆环状，其包括：

上导磁极板(231)；

下导磁极板(233)，位于所述上导磁极板(231)下方；

磁柱安装盘(232)，设置在所述上导磁极板(231)和下导磁极板(233)之间，该磁柱安装盘(232)不导磁；以及

多个永磁体(234)，被均匀嵌放在所述磁柱安装盘(232)内，所述永磁体(234)沿所述定子盘(23)的轴向同向充磁；以及

所述上导磁极板(231)和下导磁极板(233)分别被沿周向均匀分割成呈辐射状的4个磁极(9)，且每个所述下导磁极板(233)的磁极被设置为与相应的所述上导磁极板(231)的磁极上下对称。

4.根据权利要求3所述的扁平型水平线圈内转子混合磁轴承，其中，

所述上导磁极板(231)的4个磁极(9)的相邻磁极之间、以及所述下导磁极板(233)的4个磁极(9)的相邻磁极之间分别在内边缘处由通道(8)连成一体，其中该通道(8)由具有小截面积的导磁体形成。

5.根据权利要求3所述的扁平型水平线圈内转子混合磁轴承，其中，在所述定子(2)的定子盘(23)的内环面与所述转子(1)的转子铁心(11)的外环面之间具有工作气隙(3)。

6.根据权利要求5所述的扁平型水平线圈内转子混合磁轴承，其中，

所述上导磁极板(231)、永磁体(234)、下导磁极板(233)、气隙(3)和转子(1)构成永磁磁路(7)；以及

所述导磁盖板(21)、套装在该导磁盖板(21)上的电磁线圈(22)、气隙(3)、转子(1)和上导磁极板(231)构成电磁磁路(6)。

7.根据权利要求3至6中任意一项所述的扁平型水平线圈内转子混合磁轴承，其中，

所述导磁盖板(21)呈圆环状，在该导磁盖板(21)的内侧具有4个凸出部，每个凸出部分别对应于所述4个磁极(9)之一，所述电磁线圈(22)的个数为4个，且每个所述电磁线圈(22)呈水平状态放置并分别套装在所述导磁盖板(21)的一个凸出部上。

8.根据权利要求1至6中任意一项所述的扁平型水平线圈内转子混合磁轴承，其中，所述转子铁心(11)包括上转子铁心和下转子铁心，所述上转子铁心和下转子铁心均具有叠片结构。

9.根据权利要求1至6中任意一项所述的扁平型水平线圈内转子混合磁轴承，其中，

构成所述四轴混合磁轴承的2个两轴混合磁轴承均采用单边线圈结构，只在单侧放置所述导磁盖板(21)和所述电磁线圈(22)，且从上到下依次设置一个两轴混合磁轴承的导磁盖板(21)、电磁线圈(22)和定子盘(23)、另一个两轴混合磁轴承的定子盘(23)、电磁线圈(22)和导磁盖板(21)；

在2个所述两轴混合磁轴承的定子(2)的定子盘(23)之间由隔圈(4)隔开，在2个所述两轴混合磁轴承的转子(1)之间由隔环(5)隔开。

10.根据权利要求9所述的扁平型水平线圈内转子混合磁轴承，其中，一个两轴混合磁轴承的导磁盖板(21)、定子盘(23)和另一个两轴混合磁轴承的定子盘(23)和导磁盖板(21)沿所述导磁盖板(21)的周向分别通过4个连接杆(24)依次连接。

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