CN102003462B - 一种具有大承载能力和阻尼性能的永磁轴承 - Google Patents
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Abstract
具有大承载能力和阻尼性能的永磁轴承，轴承定子位于轴向气隙的上部，定子软磁环（1）上设有一个环形凹槽，在该环形凹槽内，自内圈至外圈顺序设有定子内绝磁环（13）、承载永磁内环（4）、定子承载轴承限位环（3）、定子承载永磁外环（2）、定子阻尼永磁环（5）、定子外绝磁环（6）；轴承转子位于轴向气隙的下部，转子（14）上设有一个环形凹槽，在该环形凹槽内，自内圈至外圈顺序设有转子内绝磁环（11）、转子阻尼永磁环（12）、转子承载永磁内环（10）、转子承载轴承限位环（9）、转子承载永磁外环（8）、转子外绝磁环（7）；由于该结构磁轴承在转子横向振动时，不仅可以提供涡流阻尼来帮助转子顺利通过临界转速，而且涡流阻尼器与磁轴承为一整体，结构紧凑，节约空间。
Description
技术领域
本发明涉及一种能提供大的轴向与径向承载能力和具有阻尼性能的永磁轴承，属于磁悬浮轴承的技术领域，此类永磁轴承可用于高速飞轮储能系统等旋转机械系统。
背景技术
磁轴承是利用磁场力将转轴悬浮起来的一类轴承。目前有超导磁悬浮、电磁悬浮、永磁悬浮等悬浮方式，也有的是两种的组合。由于高转速、无机械磨损、可靠性高、动态特性可调等优点，磁悬浮轴承非常适用于高速离心机、飞轮储能系统等旋转机械中。超导磁悬浮轴承的承载能力较高，但需要制冷环境，成本高；电磁悬浮需要极致的主动电控系统，消耗能源，降低了效率，且电磁轴承系统体积相比较大。相对于超导磁悬浮与电磁悬浮，永磁轴承具有结构紧凑简单、体积小、无功耗等优势，越来越多地应用于储能飞轮系统中。除了可以为飞轮提供轴向卸载；永磁轴承还有一定的径向刚度，保证径向的稳定性；合理的永磁轴承结构还可以提供必要的阻尼，从而能保证转子系统获得良好的动态特性。
目前储能飞轮的发展趋势是大储能量、大功率，飞轮的体积与质量随之变大，从而要求永磁轴承能为飞轮提供大轴向承载能力；另一方面飞轮系统内体积有限，如果磁轴承在提供轴与径向承载能力的同时还提供足够大的阻尼，不仅保证转子顺利的通过临界转速，而且结构更加紧凑，将很有意义。
发明内容
技术问题：针对传统双环永磁轴承的轴向与径向承载能力不足，本发明提供一种具有大轴向与径向承载能力和阻尼性能的永磁轴承；它将涡流阻尼器与磁轴承合二为一，使得转子得以顺利地通过临界转速，并具有良好的动态特性。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为一种具有大承载能力和阻尼性能的永磁轴承，该永磁轴承包括轴承转子与轴承定子，轴承转子与
轴承定子之间通过轴向气隙分隔，该永磁轴承包括轴承转子与轴承定子，轴承转子与轴承定子之间通过轴向气隙分隔，其中：
轴承定子位于轴向气隙的上部，定子软磁环上设有一个环形凹槽，在该环形凹槽内，自内圈至外圈顺序设有定子内绝磁环、承载永磁内环、定子承载轴承限位环、定子承载永磁外环、定子阻尼永磁环、定子外绝磁环；以上所述的轴承定子六个部件镶嵌在定子软磁环内，成为一体；
轴承转子位于轴向气隙的下部，转子上设有一个环形凹槽，在该环形凹槽内，自内圈至外圈顺序设有转子内绝磁环、转子阻尼永磁环、转子承载永磁内环、转子承载轴承限位环、转子承载永磁外环、转子外绝磁环；以上所述的轴承转子六个部件镶嵌在转子内，成为一体。
定子外绝磁环、转子外绝磁环、定子内绝磁环、转子内绝磁环均由黄铜制成，当轴承转子横向振动时：定子外绝磁环、转子外绝磁环与定子阻尼永磁环、转子承载永磁外环之间的相互作用形成了第一涡流阻尼器；定子内绝磁环、转子内绝磁环与转子阻尼永磁环、定子承载永磁内环之间的相互作用形成了第二涡流阻尼器。
优选的，轴向气隙在8mm之内。
有益效果：永磁轴承结构中起轴向与径向卸载能力部分是由定子承载永磁外环、定子承载永磁内环、定子承载轴承限位环、定子软磁环、转子承载永磁外环、转子承载永磁内环、转子承载轴承限位环以及转子组成的，它们之间的绝大部分磁力线经过轴承定子与轴承转子间的轴向气隙，有效地降低磁路磁漏与磁阻，增强了轴向气隙磁感应强度，与同材料同体积的传统永磁轴承结构相比轴承定子与转子间的轴向与径向承载力更大。以φ30×φ84×12的新型永磁轴承为例，轴向气隙在8mm之内，轴向吸力相对于同体积同材料的传统永磁轴承平均提高了45.8%。
由于该结构磁轴承在转子横向振动时，不仅可以提供涡流阻尼来帮助转子顺利通过临界转速，而且涡流阻尼器与磁轴承为一整体，结构紧凑，节约空间。
附图说明
图1是本发明新型永磁轴承的结构示意图。
图中包括：轴承定子由定子软磁环1、定子承载轴承限位环3、定子外绝磁环6，定子承载永磁外环2、定子承载永磁内环4、定子阻尼永磁环5、定子内绝磁环13组合而成。图中箭头代表磁化方向；
轴承转子部分由转子14，转子承载轴承限位环9，转子承载永磁外环8、转子承载永磁内环10、转子阻尼永磁环12，转子外绝磁环7、转子内绝磁环11；
图2是永磁轴承转子部分的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
该永磁轴承由轴承定子、轴承转子组成，轴承定子由定子软磁环1、定子承载轴承限位环3、定子外绝磁环6，定子承载永磁外环2、定子承载永磁内环4、定子阻尼永磁环5、定子内绝磁环13组合而成。轴承转子部分由转子14，转子承载轴承限位环9，转子承载永磁外环8、转子承载永磁内环10、转子阻尼永磁环12，转子外绝磁环7、转子内绝磁环11组合而成。永磁环均为轴向磁化，永磁环磁化方向见图1所示。
定子承载永磁外环2、定子承载永磁内环4、定子软磁环1、定子承载轴承限位环3、转子承载永磁外环8、转子承载永磁内环10、转子承载轴承限位环9、转子1所组成的磁轴承，主要用于提供轴向与径向的承载力。定子承载轴承限位环3用于引导磁力线，定子与转子之间的作用力为轴向吸力。通过轴承定子与轴承转子间的吸力将转子悬浮起来，从而实现轴向卸载。永磁轴承的轴向力与径向力的大小可以通过调整轴向气隙来调节：当两磁环间轴向气隙减小时，轴向吸力与径向力均增大；反之，轴向力与径向力均减小。
定子软磁环1的作用，一方面为轴承定子上其它零件提供用于安装载体，另一方面起导磁的作用。
轴承定子结构中的定子阻尼永磁环5与相邻的定子承载永磁外环2的磁化方向相反；转子阻尼永磁环12与相邻的转子承载永磁内环10的磁化方向相反。
转子14的作用，一方面为轴承转子上其它零件提供用于安装的杯状容积载体，另一方面起导磁的作用。由于轴承转子在工作时参与旋转，为了降低磁环所承受的环向拉应力，转子承载永磁外环8、转子承载永磁内环10、转子阻尼永磁环12均由八个环片组合而成（见附图2）。
当转子横向振动时：由定子阻尼永磁环5、转子承载永磁外环8间形成的高频变化磁场便会在由黄铜制成的定子外绝磁环6、转子外绝磁环7上产生电涡流。
故由定子阻尼永磁环5、转子承载永磁外环8以及定子外绝磁环6、转子外绝磁环7的相互作用便形成了第一涡流阻尼器；同理，由定子内绝磁环13、转子内绝磁环11以及转子阻尼永磁环12、定子承载永磁内环4的相互作用形成了第二涡流阻尼器绝磁环采用黄铜材料的目的是：一方面由于黄铜是绝磁材料，在轴承中可以防止磁短路和磁泄漏。另一方面，由于黄铜是导电的，可以形成电涡流。
如图1所示，本发明中组成轴承的主要部件有：
定软磁环1的材料采用调质处理40Cr;
定子承载轴承限位环3、转子承载轴承限位环9的材料采用不导磁材料硬铝（牌号为2A13）;
绝磁环的材料为黄铜。
永磁环的材料均是Nd-Fe-B系烧结永磁体，材料牌号是N40，这种永磁环可以在专业的磁产品厂家定做；
转子14，材料为调质处理40Cr；
轴承定子结构中定子承载永磁外环2、定子承载永磁内环4的磁化方向相反，而与之对应的轴承转子部分的转子承载永磁外环8、转子承载永磁内环10，在尺寸相同时，磁化方向也相同。
轴承结构中的定子阻尼永磁环5与相邻的定子承载永磁外环2，以及转子阻尼永磁环12与相邻的转子承载永磁内环10之间的磁环磁化方向应相反。
由于轴承定子在工作时不转动，故定子阻尼永磁环5、定子承载永磁外环2、定子承载永磁内环4均使用整体环状结构；由于轴承转子在工作时参与旋转，为了降低磁环所承受的环向拉应力，转子承载永磁外环8、转子承载永磁内环10、转子阻尼永磁环12均由八个环片组合而成。
通过在磁轴承的定子与转子上各增加一个磁环及数量不等的黄铜制成绝磁环，当转子做横向振动时，增加的两个磁环与起轴向与径向承载作用的磁环相互作用，使得轴向气隙中的磁感性强度发生较大的变化，导电的绝磁环在变化的磁场中便会形成电涡流来消耗能量，而形成了两个涡流阻尼器。
位于转子部分的磁环是由很多的环片组成（如图2所示，均由八片组成），大大降低磁性材料在高速转动时所承受的环向拉应力，克服单环永磁轴承由于离心力制约而不能在高速下运转的技术难题。
Claims (3)
1. 一种具有大承载能力和阻尼性能的永磁轴承，其特征在于：该永磁轴承包括轴承转子与轴承定子，轴承转子与轴承定子之间通过轴向气隙分隔，其中：
轴承定子位于轴向气隙的上部，定子软磁环（1）上设有一个环形凹槽，在该环形凹槽内，自内圈至外圈顺序设有定子内绝磁环（13）、定子承载永磁内环（4）、定子承载轴承限位环（3）、定子承载永磁外环（2）、定子阻尼永磁环（5）、定子外绝磁环（6）；以上所述的轴承定子六个部件镶嵌在定子软磁环（1）内，成为一体；
轴承转子位于轴向气隙的下部，转子（14）上设有一个环形凹槽，在该环形凹槽内，自内圈至外圈顺序设有转子内绝磁环（11）、转子阻尼永磁环（12）、转子承载永磁内环（10）、转子承载轴承限位环（9）、转子承载永磁外环（8）、转子外绝磁环（7）；以上所述的轴承转子六个部件镶嵌在转子（14）内，成为一体。
2.根据权利要求1所述的具有大承载能力和阻尼性能的永磁轴承，其特征在于：
定子外绝磁环（6）、转子外绝磁环（7）、定子内绝磁环（13）、转子内绝磁环（11）均由黄铜制成；当轴承转子横向振动时：定子外绝磁环（6）、转子外绝磁环（7）与定子阻尼永磁环（5）、转子承载永磁外环（8）之间的相互作用形成了第一涡流阻尼器；定子内绝磁环（13）、转子内绝磁环（11）与转子阻尼永磁环（12）、定子承载永磁内环（4）之间的相互作用形成了第二涡流阻尼器。
3.根据权利要求1或2所述的具有大承载能力和阻尼性能的永磁轴承，其特征在于：轴向气隙在8mm之内。
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