CN101968076A - 水平线圈内转子混合磁轴承及其组合结构 - Google Patents

Abstract

一种水平线圈内转子混合磁轴承及其组合结构，该混合磁轴承包括转子和定子。其中所述转子包括：内导磁环；转子铁心，同轴套装在内导磁环外侧。所述定子包括：定子盘，包含有上导磁极板、下导磁极板、磁柱安装盘和永磁体；上导磁盖板和下导磁盖板，分别对称设置在定子盘的上下两侧；以及多个电磁线圈，分别水平套装在上导磁盖板和下导磁盖板上，且每2个上下对称设置的电磁线圈分别与1个磁极的位置对应。其中所述转子设置在所述定子之内；所述导磁极板分别被沿周向均匀分割成呈辐射状的四磁极结构，所述磁极在内边缘处相连为一个整体圆环。本发明的磁轴承磁极在内边缘相连为一个整体圆环，构成径向均匀磁极，大大降低了转子运行时的涡流损耗。

Description

水平线圈内转子混合磁轴承及其组合结构

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，尤其是涉及一种可以作为旋转部件的无接触支撑件的混合磁轴承，其特别适用于对卫星姿态控制磁悬浮飞轮、储能飞轮的无接触支撑。

背景技术

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；而在由永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承中，永磁体提供了磁路的主要磁通和偏置工作点磁场，承担主要的承载力，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，承担辅助的调节承载力，因而可以显著减小控制电流，降低功耗，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的线圈铁心与工作磁极采用一体化结构(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。

虽然转子铁心采用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，但这样就会带来磁轴承的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：一方面，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；另一方面，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。此外，目前的混合磁轴承线圈铁心与工作磁极采用一体化结构，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

为克服现有技术的不足，本发明提供一种非接触磁悬浮轴承，这是一种包含有水平线圈、径向均匀磁极和内转子的低损耗永磁偏置混合磁轴承，将现有的磁轴承的定子中通常相互分开的磁极在内边缘相连为一个整体圆环，以使得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，从源头上将转子运行时的涡流损耗和阻滞力矩降低到最低程度。

为达到上述发明目的，本发明的技术解决方案之一是：一种水平线圈内转子混合磁轴承，其包括转子和定子。其中所述转子包括：内导磁环；转子铁心，同轴套装在该内导磁环外侧。所述定子包括：定子盘，包含有多个均匀分布的磁极；上导磁盖板和下导磁盖板，分别对称设置在所述定子盘的上下两侧；以及多个电磁线圈，分别水平套装在所述上导磁盖板和下导磁盖板上，且每2个上下对称设置的电磁线圈分别与1个磁极的位置对应。其中所述转子设置在所述定子之内；所述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，所述定子盘呈圆环状，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，且上导磁极板的4个磁极和下导磁极板的4个磁极上下对称。

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相连为一个整体圆环，其中通道由具有小截面积的导磁体形成。

为达到所述发明目的，本发明的技术解决方案之二是：一种水平线圈内转子混合磁轴承的组合结构，其由多个如上所述的水平线圈内转子混合磁轴承组合而成。

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，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导磁盖板作为线圈铁心，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磁极在内边缘连成一个整体圆环。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；本发明将电磁线圈水平放置，以导磁盖板为线圈铁心且使其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圆周面积，增大其最大承载力。此外，水平线圈和径向均匀磁极的组合结构更为紧凑，可以有效降低磁轴承的轴向高度，达到减小磁轴承质量和体积的效果。

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所示磁轴承的上/下导磁盖板的结构示意图；

图5为本发明的磁轴承的磁路图；

图6为多个本发明产品的组合使用参考图。

对附图标记说明如下

1-转子，

11-转子铁心，

12-内导磁环，

2-定子，

21-上导磁盖板，

22-电磁线圈，

23-定子盘，

231-上导磁极板，

232-下导磁极板，

233-永磁体，

234-磁柱安装盘，

24-下导磁盖板，

25-连接杆，

26-通孔，

3-工作气隙，

4-通道，

5-磁极，

6-电磁磁路，

7-永磁磁路，

8-隔环，

9-隔圈。

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～图5所示，本发明的磁轴承是一种包含有水平线圈、径向均匀磁极和内转子的低损耗混合磁轴承。其具体结构由转子1和定子2组成。所述转子1被放置在定子2内构成内转子。该转子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。所述定子2由上导磁盖板21、下导磁盖板24、8个电磁线圈22(包括分别对称设置于定子盘23的上、下两侧的4个上电磁线圈和4个下电磁线圈)、定子盘23和4个连接杆25组成，所述8个电磁线圈22分别水平套装在上导磁盖板21和下导磁盖板24上。其中所述上导磁盖板21、定子盘23、下导磁盖板24通过4个连接杆25依次连接，其中4个连接杆25借由通孔26而被分别设置在定子2上且沿定子2的外周均匀分布。

所述定子2的定子盘23呈圆环状，由上导磁极板231、下导磁极板232、磁柱安装盘234和多个永磁体233组成。其中上导磁极板231、磁柱安装盘234、下导磁极板232依次层叠，永磁体233沿周向均匀嵌放在磁柱安装盘234内。

对应于被均匀设置在上导磁极板231和下导磁极板232之间的多个永磁体233，所述上导磁极板231和下导磁极板232分别被沿周向均匀分割成呈辐射状的4个磁极5(四磁极结构)(如图2所示)，且上导磁极板231的4个磁极5和下导磁极板232的4个磁极5上下对称。作为线圈铁心的所述上导磁盖板21和下导磁盖板24与所述4个磁极5采用分体结构，即所述上导磁盖板21和下导磁盖板24与构成所述磁极5的上/下导磁极板是彼此可分离的独立元件，并通过连接杆25连接在一起。

所述磁柱安装盘234由非导磁材料制成，其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233，同时还承受上下导磁极板间的压力，保护永磁体233使其不被压碎；(2)由于每一磁极5可以对应多块永磁体233，利用该磁柱安装盘234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，所述上导磁极板的4个磁极5的相邻磁极之间、以及下导磁极板的4个磁极5的相邻磁极之间分别通过小截面积的导磁体(即通道4)连成一体，使得上导磁极板的4个磁极5在内缘处连接成一个整体的圆环，下导磁极板的4个磁极5同样也在内缘处连接成一个整体的圆环。

所述通道4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。

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的外环面之间具有间隙(即工作气隙3)。

对于连通相邻磁极5之间的通道4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233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233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4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5的工作面(1/4圆柱侧面)的面积(即单个磁极面积)S1为247.5mm²，通道4的截面积S2为7mm²，约为每个磁极5的工作面面积S1的2.8％。

如图5所示，所述上导磁极板231、永磁体233、下导磁极板232与所述转子1和气隙3构成永磁磁路7。所述上导磁盖板21及电磁线圈22、上导磁极板231、气隙3、转子1、下导磁极板232、下导磁盖板24及电磁线圈22构成电磁磁路6。永磁磁路7除了为本发明的磁轴承提供工作点外，还提供转子轴向运动的被动稳定以及转子绕X轴和Y轴转动的被动稳定。

所述本发明磁轴承的定子盘23的中间部分是磁柱安装盘234以及一组按磁极位置均匀分布的圆形或扇形柱状永磁体233，该永磁体233沿轴向同向充磁。永磁体233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232)。

所述导磁盖板(即上导磁盖板21与下导磁盖板24)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，并套装在所述圆环形导磁盖板的对应凸出部上。

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被降低到最低程度。

例如，对于图3所示的实例，当通道4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5之间无通道4相连时，由有限元数值计算结果可知，与磁极5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5之间有尺寸适宜的通道4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。

本发明采用叠片结构的转子铁心，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。

本发明可以设计为径向两轴主动控制混合磁轴承，也可以设计为径向四轴主动控制混合磁轴承，参见图5，也就是说，可以设计为多个本发明产品的组合结构以满足不同的需求。

本发明的工作原理是：永磁体为内转子和外定子之间的径向工作气隙提供偏置磁通，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，转子处于平衡位置。当转子有向左的径向位移时，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拉回平衡位置。

当转子有轴向位移时，由于转子与定子之间的磁力线扭曲从而产生轴向稳定的恢复力，使转子在轴向获得被动悬浮。当转子绕X/Y轴转动时，在X/Y轴两边的转子铁心相对定子的磁极在轴向产生相反方向的位移，其轴向力形成一个恢复力矩，使转子绕X/Y轴转动方向获得被动稳定。

本发明的线圈铁心与工作磁极采用分体结构，并且将现有的磁轴承的定子中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。由于连接处的导磁体的截面积较小，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4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。

与现有技术相比，本发明的优点在于：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磁极在内边缘连成一个整体圆环。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；本发明将电磁线圈水平放置，以导磁盖板为线圈铁心，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圆周面积，增大其最大承载力。此外，水平线圈和径向均匀磁极的组合结构更为紧凑，可以有效降低磁轴承的轴向高度，达到减小磁轴承质量和体积的效果。

实施例1

参见图1-图5，本发明的该实施例如上述方案由转子1和定子2两大部分组成。转子1套在定子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由上导磁盖板21、8个电磁线圈22、定子盘23、下导磁盖板24和4个连接杆25组成，4个连接杆25将上导磁盖板21、定子盘23、下导磁盖板24依次连接成一个整体。其中定子盘23由上导磁极板231、磁柱安装盘234、下导磁极板232依次层叠而成，永磁体233嵌入磁柱安装盘234内。定子2的电磁线圈22采用导电性能良好的漆包线绕制后浸漆烘干而成。定子2的上导磁盖板21、上导磁极板231、下导磁极板232、下导磁盖板24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。定子2的定子盘23中的永磁体233采用磁性良好的稀土永磁体制成并轴向同向充磁。定子2的定子盘23中的磁柱安装盘234采用非导磁合金材料铝合金或钛合金制成。定子2的定子盘23内环面与转子1的转子铁心11外环面之间留有间隙即工作气隙3。水平放置的电磁线圈22分别以上导磁盖板21和下导磁盖板24为线圈铁心并置于定子盘23的上、下两侧。每块导磁极板如图2所示，分别被沿周向均匀分割成呈辐射状的4个磁极5，且上导磁极板的4个磁极5和下导磁极板的4个磁极5上下对称，相邻磁极5之间由通道4连通。因为是由导磁材料将4个磁极相互连接构成一个整体，所以，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。

圆环形结构的上导磁盖板21如图3所示，其内侧凸出部被作为4个水平放置的矩形电磁线圈22的铁心，下导磁盖板24采用同样结构，起到降低磁轴承轴向高度和减小磁轴承定子质量的作用。

如图5所示，由上导磁极板231、永磁体233、下导磁极板232、转子1和气隙3构成磁轴承的永磁磁路7。由上导磁盖板21及电磁线圈22、上导磁极板231、气隙3、转子1、下导磁极板232、下导磁盖板24及电磁线圈22构成磁轴承的电磁磁路6。

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及转子绕X轴和Y轴转动运动的被动稳定。因此，图1所示的具有水平线圈、径向均匀磁极和内转子的低损耗混合磁轴承结构可以成为一种径向两轴主动控制混合磁轴承。

实施例2

本发明的混合磁轴承还能以不同方式构建其组合结构。例如，如图6所示，沿轴向采用两套图1所示的基本型结构，则可以构成径向四轴主动控制、轴向被动稳定磁轴承，即本发明可以设计为多个基本型结构的组合形式以满足不同的需求。这种组合形式的磁轴承，在上下2个磁轴承定子之间可设一块非导磁的隔环8，在上下2个磁轴承转子之间设一块非导磁的隔圈9。隔环8和隔圈9均采用不导磁的金属如铝合金、铜或无磁不锈钢等制成。本实施例中，就本发明的单个产品而言，除上下2个磁轴承定子内的永磁体充磁方向彼此相反外，其它同实施例1。

Claims (10)

1.一种水平线圈内转子混合磁轴承，其包括：

转子(1)，包括：

内导磁环(12)；

转子铁心(11)，同轴套装在该内导磁环(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(5)；

上导磁盖板(21)和下导磁盖板(24)，分别对称设置在该定子盘(23)上下两侧；以及

多个电磁线圈(22)，分别水平套装在上导磁盖板(21)和下导磁盖板(24)上，且每2个上下对称设置的电磁线圈(22)分别与1个磁极(5)的位置对应；以及

所述转子(1)设置在所述定子(2)之内；

其中，

所述多个磁极(5)在内边缘处相连为一个整体圆环。

2.根据权利要求1所述的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(232)，位于所述上导磁极板(231)下方；

磁柱安装盘(234)，设置在所述上导磁极板(231)和下导磁极板(232)之间，该磁柱安装盘(234)不导磁；以及

多个永磁体(233)，被均匀嵌放在所述磁柱安装盘(234)内，所述永磁体(233)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(232)分别被沿周向均匀分割成呈辐射状的4个磁极(5)，且每个所述下导磁极板(232)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。

3.根据权利要求2所述的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(5)的相邻磁极之间、以及所述下导磁极板(232)的4个磁极(5)的相邻磁极之间分别在内边缘处由通道(4)连成一体，其中该通道(4)由具有小截面积的导磁体形成。

4.根据权利要求2所述的水平线圈内转子混合磁轴承，其中，所述转子(1)设置在所述定子(2)内，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)。

5.根据权利要求2至4中任意一项所述的水平线圈内转子混合磁轴承，其中，

所述上导磁盖板(21)和下导磁盖板(24)分别呈圆环状，在所述上导磁盖板(21)和下导磁盖板(24)的内侧各具有4个分别与所述4个磁极(5)对应的凸出部，所述电磁线圈(22)的个数为8个，且所述电磁线圈(22)呈水平状态放置，并分别套装在所述上导磁盖板(21)和下导磁盖板(24)的凸出部上。

6.根据权利要求1至4中任意一项所述的水平线圈内转子混合磁轴承，其中，

所述上导磁盖板(21)、定子盘(23)和下导磁盖板(24)分别通过4个连接杆(25)依次连接。

7.根据权利要求4所述的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(233)、下导磁极板(232)与所述转子(1)和气隙(3)构成永磁磁路(7)；以及

所述上导磁盖板(23)及电磁线圈(22)、上导磁极板(231)、气隙(3)、转子(1)、下导磁极板(232)、下导磁盖板(24)及电磁线圈(22)构成电磁磁路(6)。

8.根据权利要求1至4中任意一项所述的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。

9.一种水平线圈内转子混合磁轴承的组合结构，其由多个如权利要求1至8中任意一项所述的水平线圈内转子混合磁轴承组合而成。

10.根据权利要求9所述的水平线圈内转子混合磁轴承的组合结构，其中，所述混合磁轴承的个数为2个，分别沿所述混合磁轴承的轴向上下叠置，在上下2个混合磁轴承的定子(2)之间设置一块非导磁的隔环(8)，在上下2个混合磁轴承的转子(1)之间设置一块非导磁的隔圈(9)，所述上下2个混合磁轴承的定子(2)内的永磁体(233)的充磁方向彼此相反。

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