CN102155492A - 主动与被动混合型磁悬浮轴承 - Google Patents

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Abstract

主动与被动混合型磁悬浮轴承，涉及一种主动与被动混合型磁悬浮轴承，它解决了现有磁悬浮轴承存在的体积大、重量高、温升大的问题。本发明的两个圆环形的转子永磁体沿轴向分布套在转子导磁轭筒的外表面，定子铁心的内表面沿轴向开槽形成4n个定子齿，在第1、3、......、(4n-1)个定子齿的内表面沿轴向分布粘贴固定有两块瓦片形的定子永磁体，每块定子永磁体与一个圆环形的转子永磁体的位置相对应；所述第2、4、......、4n个定子齿为双齿结构的电枢齿，所述双齿结构中的每个齿上均缠绕有一个线圈，所有电枢齿上的线圈组串联连接形成径向力控制绕组；在圆周上呈180°相对的两个齿上的两个线圈反向串联连接形成一套绕组。本发明提高了轴承的动态响应。

Description

主动与被动混合型磁悬浮轴承
技术领域
本发明涉及一种主动与被动混合型磁悬浮轴承，属于磁轴承技术领域。
背景技术
磁轴承又称主动磁悬浮轴承，是一种转子与定子之间没有机械接触的新型高性能轴承。与传统滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁悬浮轴承利用电磁力作用将转子悬浮于空间，定转子之间不存在机械接触，转子可以达到很高的运转速度，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用高速、真空、超净等特殊环境。可广泛用于机械加工、涡轮机械、航空航天、石油石化、真空技术、能源、转子动力学特性辨识与测试等领域，被公认为极有前途的新型轴承。
传统的磁悬浮轴承的基本结构如图12所示，主要由定子和转子构成，定子包括定子铁心1和控制线圈，控制线圈绕在定子铁心1的齿上，其主要是基于电磁铁的工作原理，利用定转子之间的电磁吸引力使转子悬浮起来的，为此需要在定子控制线圈中通入较大的电流，从而轴承消耗的电功率大，线圈的发热严重；如要实现小电流产生大的悬浮力，必须要减小定转子之间的气隙，这就需要提高轴承的工作精度。同时，该种结构磁悬浮轴承的体积大、重量高。
发明内容
为了解决现有基于电磁铁的工作原理的磁悬浮轴承存在的体积大、重量高、温升大的问题，本发明提出了一种主动与被动混合型磁悬浮轴承。
本发明所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承包括定子、转子和气隙，转子包括转子导磁轭筒和转子永磁体，所述转子导磁轭筒为圆筒形，两个圆环形的转子永磁体沿轴向分布套在转子导磁轭筒的外表面，每个圆环形的转子永磁体的充磁方向为径向充磁，且两个圆环形的转子永磁体的充磁方向相反；所述定子包括定子铁心、径向力控制绕组和定子永磁体，定子铁心为圆筒形，在圆筒形定子铁心的内表面沿轴向开槽，在定子铁心的内侧形成4n个定子齿，其中n为大于1的自然数，在第1、3、......、(4n-1)个定子齿的内表面，沿轴向分布粘贴固定有两块瓦片形的定子永磁体，每块定子永磁体与一个圆环形的转子永磁体的位置相对应，并且所述定子永磁体的充磁方向与其相对的圆环形的转子永磁体的充磁方向相反；所述第2、4、......、4n个定子齿为电枢齿，每个电枢齿为双齿结构，所述双齿结构是在所述电枢齿的轴向中间位置沿圆周方向开槽获得，所述双齿结构中的每个齿上均缠绕有一个线圈，所有电枢齿上的线圈组串联连接形成径向力控制绕组；在圆周上呈180°相对的两个齿上的两个线圈反向串联连接形成一套绕组。
本发明所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承，还可以由多个主动与被动混合型磁悬浮轴承单元组成，每个主动与被动混合型磁悬浮轴承单元的结构相同，多个主动与被动混合型磁悬浮轴承单元同轴设置，并且所有主动与被动混合型磁悬浮轴承单元的定子的位置相对固定。
本发明所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承，通过将高性能的稀土永磁体利用于磁悬浮轴承中，在轴承的磁路中产生直流磁通偏置，可以有效地减少电励磁的安匝数，减小轴承的体积、重量，降低轴承的损耗和温升，提高轴承的动态响应和控制精度。
附图说明
图1是具体实施方式一中所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承的结构示意图；图2是图1的A-A剖面图；图3是图1的B-B剖面图；图4是具体实施方式三所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承结构对应的图1的A-A剖面图；图5是具体实施方式三所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承结构对应的图1的B-B剖面图；图6是具体实施方式五所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承对应的图1的A-A剖面图；图7是具体实施方式三所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承对应的图1的B-B剖面图；图8是具体实施方式六中所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承的结构示意图；图9是图8的C-C剖面图；图10是图8的D-D剖面图；图11是具体实施方式二所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承的结构示意图；图12是传统的磁悬浮轴承的基本结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、本实施方式所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承包括定子、转子和气隙，
转子包括转子导磁轭筒7和转子永磁体6，所述转子导磁轭筒7为圆筒形，两个圆环形的转子永磁体6沿轴向分布套在转子导磁轭筒7的外表面，每个圆环形的转子永磁体6的充磁方向为径向充磁，且两个圆环形的转子永磁体6的充磁方向相反；
所述定子包括定子铁心1、径向力控制绕组和定子永磁体3，定子铁心1为圆筒形，在圆筒形定子铁心1的内表面沿轴向开槽，在定子铁心1的内侧形成4n个定子齿，其中n为大于1的自然数，在第1、3、......、(4n-1)个定子齿的内表面，沿轴向分布粘贴固定有两块瓦片形的定子永磁体3，每块定子永磁体3与一个圆环形的转子永磁体6的位置相对应，并且所述定子永磁体3的充磁方向与其相对的圆环形的转子永磁体6的充磁方向相反；所述第2、4、......、4n个定子齿为电枢齿2，每个电枢齿2为双齿结构，所述双齿结构是在所述电枢齿2的轴向中间位置沿圆周方向开槽获得，所述双齿结构中的每个齿上均缠绕有一个线圈，所有电枢齿2上的线圈组串联连接形成径向力控制绕组；在圆周上呈180°相对的两个齿上的两个线圈反向串联连接，形成一套绕组。
当n＝2时，本实施方式所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承的结构参见图1、2和3所示，该主动与被动混合型磁悬浮轴承的定子铁心1内侧有8个齿，在第1、3、5、7个齿的内表面，沿轴向粘贴固定有两块瓦片形的定子永磁体3，两块永磁体的充磁方向相反，所述定子永磁体3为径向充磁或径向平行充磁，位于轴向同一侧的所有定子永磁体3的充磁方向均同时向内或向外；在第2、4、6、8个齿为双齿结构，该双齿结构是在每个齿的轴向中间位置沿圆周方向开槽获得，这两个齿上都绕有一个线圈，两个线圈绕向相反，且两个线圈串联。以轴线为对称，在圆周上呈180°相对的两个或四个齿上的两个线圈反向串联。
具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承的进一步限定，本实施方式所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承中的转子还包括转子保护套9，参见图11所示，所述转子保护套9为筒形，并且固定套接在转子永磁体6的外表面。
本实施方式中增加的转子保护套9采用高强度材料制作，起到保护转子的作用。所述转子保护套9为薄壁圆筒，所述圆通的壁厚根据转子的直径以及转速确定，一般为：0.5-4mm。
具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承的进一步限定，本实施方式所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承的转子中，在两个圆环形的转子永磁体6之间的转子导磁轭筒7的外表面上，还固定有轴向充磁的圆环形转子永磁体4，该轴向充磁的圆环形永磁体的充磁方向为由向内充磁的圆环形的转子永磁体6指向向外充磁的圆环形的转子永磁体6，参见图4和图5所示。
本实施方式中，在转子中增加了一个轴向充磁的圆环形转子永磁体4，增加了，该轴向充磁的圆环形转子永磁体4为轴向充磁，与原有的两个径向充磁的圆环形的转子永磁体6相配合，增强了转子所产生的磁场强度。
具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承的进一步限定，本实施方式所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承的定子中，位于同一个定子齿上的两块定子永磁体3之间的定子齿内表面上，还固定有轴向充磁的瓦片形的定子永磁体5，该轴向充磁的瓦片形的定子永磁体5的充磁方向为由向外充磁的瓦片形的定子永磁体3指向向内充磁的瓦片形的定子永磁体3，参见图4所示。
本实施方式在定子的第1、3、......、(4n-1)个定子齿的内表面增加了轴向充磁的瓦片形的定子永磁体5，该轴向充磁的瓦片形的定子永磁体5与原有的两块径向充磁瓦片形的定子永磁体3相组合，增加了所在定子齿端面所产生的磁场强度。
具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承的进一步限定，本实施方式所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承，在同一个定子齿上的两块定子永磁体3之间的定子铁心1上，沿圆周方向开槽，槽中嵌放有轴向充磁的平板形定子永磁体8，该平板形定子永磁体8的充磁方向为由向外充磁的瓦片形的定子永磁体3指向向内充磁的瓦片形的定子永磁体3。
参见图6和7所示，本实施方式在定子的第1、3、......、(4n-1)个定子齿内表面的两块定子永磁体3之间的定子铁心1中增加了轴向充磁的平板形定子永磁体8，该平板形定子永磁体8能够增强对应定子齿上的两块瓦片形的定子永磁体3所形成的磁场强度。
具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承的进一步限定，本实施方式所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承，在第1、3、......、(4n-1)个粘有永磁体的定子齿上，还绕有轴向力控制线圈，所有的轴向力控制线圈串联在一起。
本实施方式增加了轴向力控制线圈，通过控制轴向力控制线圈中的电流大小，进而实现控制转子和定子之间的轴向力的大小。
当n＝2时，参见图8、9和10所示，本实施方式所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承的第1、3、5、7定子齿上粘有永磁体，还绕有轴向力控制线圈，所有的轴向力控制线圈串联在一起。通过控制该线圈中的电流，可以控制转子的轴向位置。
本实施方式在粘有永磁体的定子齿上增加了轴向力控制线圈，通过控制该轴向力控制线圈中的电流，可以实现轴向力的控制。
具体实施方式七、本实施方式所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承由多个主动与被动混合型磁悬浮轴承单元组成，每个主动与被动混合型磁悬浮轴承单元的结构相同，每个主动与被动混合型磁悬浮轴承单元的结构为具体实施方式一、二、三、四、五或六所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承，多个主动与被动混合型磁悬浮轴承单元同轴设置，并且所有主动与被动混合型磁悬浮轴承单元的定子的位置相对固定。
本实施方式所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承由多磁悬浮轴承单元并联组成，增大悬浮力，更适合于需要大悬浮力的场合。
本发明所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承的结构不局限于上述各实施方式所述的结构，还可以是上述各实施方式所述技术特征的合理组合。

Claims (8)

1.主动与被动混合型磁悬浮轴承，它包括定子、转子和气隙，其特征在于，转子包括转子导磁轭筒(7)和转子永磁体(6)，所述转子导磁轭筒(7)为圆筒形，两个圆环形的转子永磁体(6)沿轴向分布套在转子导磁轭筒(7)的外表面，每个圆环形的转子永磁体(6)的充磁方向为径向充磁，且两个圆环形的转子永磁体(6)的充磁方向相反；
所述定子包括定子铁心(1)、径向力控制绕组和定子永磁体(3)，定子铁心(1)为圆筒形，在圆筒形定子铁心(1)的内表面沿轴向开槽，在定子铁心(1)的内侧形成4n个定子齿，其中n为大于1的自然数，在第1、3、......、(4n-1)个定子齿的内表面，沿轴向分布粘贴固定有两块瓦片形的定子永磁体(3)，每块定子永磁体(3)与一个圆环形的转子永磁体(6)的位置相对应，并且所述定子永磁体(3)的充磁方向与其相对的圆环形的转子永磁体(6)的充磁方向相反；所述第2、4、......、4n个定子齿为电枢齿(2)，每个电枢齿(2)为双齿结构，所述双齿结构是在所述电枢齿(2)的轴向中间位置沿圆周方向开槽获得，所述双齿结构中的每个齿上均缠绕有一个线圈，所有电枢齿(2)上的线圈组串联连接形成径向力控制绕组；在圆周上呈180°相对的两个齿上的两个线圈反向串联连接形成一套绕组。
2.根据权利要求1所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承，其特征在于，它还包括转子保护套(9)，所述转子保护套(9)为筒形，并且固定套接在转子永磁体(6)的外表面。
3.根据权利要求1所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承，其特征在于所述转子中，在两个圆环形的转子永磁体(6)之间的转子导磁轭筒(7)的外表面上，还固定有轴向充磁的圆环形转子永磁体(4)，该轴向充磁的圆环形转子永磁体(4)的充磁方向为由向内充磁的圆环形的转子永磁体(6)指向向外充磁的圆环形的转子永磁体(6)。
4.根据权利要求1所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承，其特征在于所述定子中，位于同一个定子齿上的两块定子永磁体(3)之间的定子齿内表面上，还固定有轴向充磁的瓦片形的定子永磁体(5)，该轴向充磁的瓦片形的定子永磁体(5)的充磁方向为由向外充磁的瓦片形的定子永磁体(3)指向向内充磁的瓦片形的定子永磁体(3)。
5.根据权利要求1所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承，其特征在于，在同一个定子齿上的两块定子永磁体(3)之间的定子铁心(1)上，沿圆周方向开槽，槽中嵌放有轴向充磁的平板形定子永磁体(8)，该平板形定子永磁体(8)的充磁方向为由向外充磁的瓦片形的定子永磁体(3)指向向内充磁的瓦片形的定子永磁体(3)。
6.根据权利要求1所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承，其特征在于在第1、3、......、(4n-1)个粘有永磁体的定子齿上，还绕有轴向力控制线圈，所有的轴向力控制线圈串联在一起。
7.主动与被动混合型磁悬浮轴承，其特征在于，它由多个主动与被动混合型磁悬浮轴承单元组成，每个主动与被动混合型磁悬浮轴承单元的结构相同，多个主动与被动混合型磁悬浮轴承单元同轴设置，并且所有主动与被动混合型磁悬浮轴承单元的定子的位置相对固定。
8.根据权利要求7所述的主动与被动混合型磁悬浮轴承，其特征在于，所述主动与被动混合型磁悬浮轴承单元包括定子、转子和气隙，其特征在于，转子包括转子导磁轭筒(7)和转子永磁体(6)，所述转子导磁轭筒(7)为圆筒形，两个圆环形的转子永磁体(6)沿轴向分布套在转子导磁轭筒(7)的外表面，每个圆环形的转子永磁体(6)的充磁方向为径向充磁，且两个圆环形的转子永磁体(6)的充磁方向相反；所述定子包括定子铁心(1)、径向力控制绕组和定子永磁体(3)，定子铁心(1)为圆筒形，在圆筒形定子铁心(1)的内表面沿轴向开槽，在定子铁心(1)的内侧形成4n个定子齿，其中n为大于1的自然数，在第1、3、......、(4n-1)个定子齿的内表面，沿轴向分布粘贴固定有两块瓦片形的定子永磁体(3)，每块定子永磁体(3)与一个圆环形的转子永磁体(6)的位置相对应，并且所述定子永磁体(3)的充磁方向与其相对的圆环形的转子永磁体(6)的充磁方向相反；所述第2、4、......、4n个定子齿为电枢齿(2)，每个电枢齿(2)为双齿结构，所述双齿结构是在所述电枢齿(2)的轴向中间位置沿圆周方向开槽获得，所述双齿结构中的每个齿上均缠绕有一个线圈，所有电枢齿(2)上的线圈组串联连接形成径向力控制绕组；在圆周上呈180°相对的两个齿上的两个线圈反向串联连接形成一套绕组。
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