CN102269221A - 混合励磁轴径向磁悬浮轴承 - Google Patents

Abstract

混合励磁轴径向磁悬浮轴承，涉及一种混合励磁轴径向磁悬浮轴承。它解决了现有磁悬浮轴承存在的在需要大悬浮力时导致轴承消耗的电功率大、线圈发热严重的问题。本发明中的定子铁心内侧有4n个齿，沿周向第1、3、……、(4n-1)个齿为双齿结构的轴向绕组齿，双齿上分别缠绕有一个轴向力控制线圈，所述两个轴向力控制线圈的绕向相反并串联连接，双齿内端面上分别粘贴固定有一块瓦片形的定子永磁体，第2、4、……、4n个齿为径向绕组齿，每个径向绕组齿上缠绕有一个径向力控制线圈，圆周上呈180°相对的两个径向力控制线圈反向串联组成一个径向力控制线圈组；转子导磁轭筒位于定子内，并且与定子同轴。

Description

混合励磁轴径向磁悬浮轴承

技术领域

本发明涉及一种混合励磁轴径向磁悬浮轴承，属于轴承技术领域。

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10和图11所示，其中图10所示为径向轴承，图11所示为轴向轴承，改两种磁悬浮轴承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

为了解决现有磁悬浮轴承存在的在需要大悬浮力的时候导致轴承消耗的电功率大、线圈发热严重的问题，本发明提出三种混合励磁轴径向磁悬浮轴承。

本发明所述的一种混合励磁轴径向磁悬浮轴承的结构为：包括定子、转子和气隙；所述定子包括定子铁心、径向力控制绕组、轴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有4n个槽，在定子铁心的内侧形成4n个齿，其中n为大于1的自然数，沿周向第1、3、……、(4n-1)个齿为轴向绕组齿，第2、4、……、4n个齿为径向绕组齿，所述轴向绕组齿为双齿结构，参见图2所示，所述双齿结构为在所述轴向绕组齿轴向内端面的轴向中间位置沿圆周方向开槽获得，每个轴向绕组齿的双齿上分别缠绕有一个轴向力控制线圈，所述两个轴向力控制线圈的绕向相反，并串联连接组成一个轴向力控制线圈组，所有轴向力控制线圈组串联连接组成轴向力控制绕组；每个轴向绕组齿的双齿内端面上分别粘贴固定有一块瓦片形的定子永磁体，且两块永磁体的充磁方向相同；所述定子永磁体为径向充磁或径向平行充磁；每个径向绕组齿上缠绕有一个径向力控制线圈，在圆周上呈180°相对的两个径向绕组齿上的两个径向力控制线圈反向串联组成一个径向力控制线圈组，所有径向力控制线圈组串联之后组成径向力控制绕组；转子包括转子导磁轭筒，所述转子导磁轭筒位于定子内，并且与定子同轴，定子与转子之间是均匀的气隙。

本发明所述的第二种混合励磁轴径向磁悬浮轴承的结构为：包括定子、转子和气隙；定子包括定子铁心、径向力控制绕组、轴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有4n个槽，在定子铁心的内侧形成4n个齿，其中n为大于1的自然数，沿周向第1、3、……、4n-1个齿为径向力绕组齿，第2、4、……、4n个齿为轴向力绕组齿；每个径向力绕组齿上均缠绕有一个径向力控制线圈，并且在每个径向力绕组齿的内端面上均粘贴固定有一块瓦片形的定子永磁体，所述定子永磁体为径向充磁或沿径向平行充磁，所有定子永磁体的充磁方向相同，在圆周上呈180°相对的两个径向力绕组齿上的两个径向力控制线圈反向串联连接组成径向力控制线圈组，所有径向力控制线圈组串联后组成径向力控制绕组；每个轴向力绕组齿为双齿结构，所述双齿结构是在所述轴向力绕组齿的轴向中间位置沿圆周方向开槽获得，每个轴向力绕组齿的双齿结构的两个齿上分别缠绕有一个轴向力控制线圈，所述两个线圈绕向相反，且串联连接组成一个轴向力控制线圈组，所有轴向力控制线圈组串联连接组成轴向力控制绕组；转子包括转子导磁轭筒，所述转子导磁轭筒位于定子内，并且与定子同轴，定子与转子之间是均匀的气隙。

本发明所述的第三种混合励磁轴径向磁悬浮轴承的结构为：包括定子、转子和气隙；定子包括定子铁心、径向力控制绕组、轴向力控制绕组和定子永磁体；定子铁心为圆筒形，所述圆筒形定子铁心的内表面沿轴向开有4n个槽，在定子铁心的内侧形成4n个齿，其中n为大于1的自然数，定子铁心的每相邻两个齿之间的轭部，沿轴向开槽，所述槽中嵌放有一块平板形的定子永磁体，所述平板形定子永磁体为沿圆周切向充磁，且每相邻两块平板形定子永磁体的充磁方向相反；第1、3、……、4n-1个齿为径向力控制线圈齿，第2、4、……、4n个齿为轴向力控制线圈齿，每个径向力控制线圈齿上均缠绕有一个径向力控制线圈，在圆周上呈180°相对的两个径向力控制线圈齿上的两个径向力控制线圈反向串联组成一个径向力控制线圈组，所有径向力控制线圈组串联之后组成径向力控制绕组；每个轴向力控制线圈齿为双齿结构，所述双齿结构是在所述轴向力控制线圈齿内端面的轴向中间位置沿圆周方向开槽获得，每个轴向力控制线圈齿的双齿结构中的每个齿上均缠绕有一个轴向力控制线圈，所述两个线圈绕向相反，所述两个线圈串联连接后组成一个轴向力控制线圈组，所有轴向力控制线圈组串联连接后组成轴向力控制绕组；转子包括转子导磁轭筒，所述转子导磁轭筒位于定子内，并且与定子同轴，定子与转子之间是均匀的气隙。

本发明中的周向相邻的两个径向力控制线圈绕向相同时反向串联连接，当周向相邻的两个径向力控制线圈绕向相反时同向串联连接。

本发明中的转子导磁轭筒采用高导磁材料。定子永磁体采用高性能的稀土永磁体。转子导磁轭筒的轴向长度小于定子铁心齿外端面之间的宽度。为了增大悬浮力，可将多组定子与转子沿轴向布置。

本发明所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承设计成混合磁路结构，具有磁悬浮和旋转控制两个功能，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。

本发明所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承的损耗及温升低、控制特性好、体积小、重量轻，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是具体具体实施方式一所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承的一种结构示意图，图2是图1的A-A剖面图，图3是图1的B-B剖面图。图4是具体实施方式二所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承的一种结构示意图，图5是图4的C-C剖面图，图6是图4的D-D剖面图，图7是具体实施方式三所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承的一种结构示意图，图8是图7的E-E剖面图，图9是图7的F-F剖面图，图10和图11是现有传统的磁悬浮轴承的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、本实施方式所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承包括定子、转子和气隙；所述定子包括定子铁心1、径向力控制绕组2、轴向力控制绕组3和定子永磁体4；定子铁心1为圆筒形，在圆筒形定子铁心1的内表面沿轴向开有4n个槽，在定子铁心1的内侧形成4n个齿，其中n为大于1的自然数，沿周向第1、3、……、(4n-1)个齿为轴向绕组齿，第2、4、……、4n个齿为径向绕组齿，所述轴向绕组齿为双齿结构，参见图2所示，所述双齿结构为在所述轴向绕组齿轴向内端面的轴向中间位置沿圆周方向开槽获得，每个轴向绕组齿的双齿上分别缠绕有一个轴向力控制线圈，所述两个轴向力控制线圈的绕向相反，并串联连接组成一个轴向力控制线圈组，所有轴向力控制线圈组串联连接组成轴向力控制绕组3；每个轴向绕组齿的双齿内端面上分别粘贴固定有一块瓦片形的定子永磁体4，且两块永磁体的充磁方向相同；所述定子永磁体4为径向充磁或径向平行充磁；每个径向绕组齿上缠绕有一个径向力控制线圈，在圆周上呈180°相对的两个径向绕组齿上的两个径向力控制线圈反向串联组成一个径向力控制线圈组，所有径向力控制线圈组串联之后组成径向力控制绕组2；转子包括转子导磁轭筒5，所述转子导磁轭筒5位于定子内，并且与定子同轴，定子与转子之间是均匀的气隙。

本实施方式所述的混合励磁轴向磁悬浮轴承中，设置有两类绕组，分别是轴向力控制绕组3和径向力控制绕组2，所述轴向力控制绕组3和径向力控制绕组2沿圆周方向相间排列，分别为转子提供轴向力和径向力，以保证动子能够轴向位置固定的悬浮在定子内，并实现轴承的旋转运动。

选择n＝2，则本实施方式所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承的结构参见图1、2和3所示。根据图1所示可知，此时的混合励磁轴径向磁悬浮轴承的定子沿圆周方向有8个齿，其中第1、3、5、7个齿为轴向力控制线圈齿，参见图2所示的图1的A-A剖面图，第1和5个齿的双齿结构是在齿的轴向中间位置沿圆周方向开槽获得的双齿结构，并且在双齿结构的每个齿上缠绕有一个轴向力控制线圈，两个线圈绕向相反串联连接后组成一个轴向力控制线圈组，第1、3、5、7个齿上的所有轴向力控制线圈组串联后形成轴向力控制绕组3，在双齿结构的每个齿的内端面粘贴固定有一块瓦片形的定子永磁体4，所述定子永磁体4为径向充磁或沿径向平行充磁，所述两块永磁体的充磁方向相同，均为同时向内或向外；在第2、4、6、8个齿上分别缠绕有一个径向力控制线圈，参见图3所示的图1的B-B剖面图所示，以轴线为对称，在圆周上呈180°相对的第2和6两个齿上的两个径向力控制线圈反向串联组成一个径向力控制线圈组，在第4和8两个齿上的两个径向力控制线圈反相串联组成一个径向力控制线圈组，两个径向力控制线圈组串联之后组成径向力控制绕组2。

具体实施方式二、本实施方式所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承包括定子、转子和气隙；定子包括定子铁心1、径向力控制绕组2、轴向力控制绕组3和定子永磁体4；定子铁心1为圆筒形，在圆筒形定子铁心1的内表面沿轴向开有4n个槽，在定子铁心1的内侧形成4n个齿，其中n为大于1的自然数，沿周向第1、3、……、4n-1个齿为径向力绕组齿，第2、4、……、4n个齿为轴向力绕组齿；每个径向力绕组齿上均缠绕有一个径向力控制线圈，并且在每个径向力绕组齿的内端面上均粘贴固定有一块瓦片形的定子永磁体4，所述定子永磁体4为径向充磁或沿径向平行充磁，所有定子永磁体4的充磁方向相同，在圆周上呈180°相对的两个径向力绕组齿上的两个径向力控制线圈反向串联连接组成径向力控制线圈组，所有径向力控制线圈组串联后组成径向力控制绕组2；每个轴向力绕组齿为双齿结构，所述双齿结构是在所述轴向力绕组齿的轴向中间位置沿圆周方向开槽获得，每个轴向力绕组齿的双齿结构的两个齿上分别缠绕有一个轴向力控制线圈，所述两个线圈绕向相反，且串联连接组成一个轴向力控制线圈组，所有轴向力控制线圈组串联连接组成轴向力控制绕组3；转子包括转子导磁轭筒5，所述转子导磁轭筒5位于定子内，并且与定子同轴，定子与转子之间是均匀的气隙。

当选择n＝2时，则本实施方式所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承的结构参见图4、5和6所示。根据图4可知，本实施方式所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承的定子铁心1内侧有8个齿，参见图5所示，在第1、3、5、7个齿上都绕有一个径向力控制线圈，在该齿的内表面，粘贴固定有一块瓦片形的定子永磁体4，定子永磁体4为径向充磁或径向平行充磁，所有定子永磁体4的充磁方向均同时向内或向外。以轴线为对称，在圆周上呈180°相对的两个齿上的两个径向力控制线圈反向串联组成径向力控制线圈组，即：第1、5个齿上的径向力控制线圈反相串联组成一个径向力控制线圈组，第3、7个齿上的径向力控制线圈反相串联组成一个径向力控制线圈组，所述两个线圈组串联组成径向力控制绕组2；参见图6所示，在第2、4、6、8个齿上的轴向中间位置沿圆周方向开槽，使原来的一个齿沿轴向变成了两个齿，这两个齿上都绕有一个轴向力控制线圈，两个线圈绕向相反，且两个线圈串联，再将第2、4、6、8个齿上的所有轴向力控制线圈串联形成轴向力控制绕组3。

具体实施方式三、本实施方式所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承包括定子、转子和气隙；定子包括定子铁心1、径向力控制绕组2、轴向力控制绕组3和定子永磁体4；定子铁心1为圆筒形，所述圆筒形定子铁心1的内表面沿轴向开有4n个槽，在定子铁心1的内侧形成4n个齿，其中n为大于1的自然数，定子铁心1的每相邻两个齿之间的轭部，沿轴向开槽，所述槽中嵌放有一块平板形的定子永磁体4，所述平板形定子永磁体4为沿圆周切向充磁，且每相邻两块平板形定子永磁体4的充磁方向相反；第1、3、……、4n-1个齿为径向力控制线圈齿，第2、4、……、4n个齿为轴向力控制线圈齿，每个径向力控制线圈齿上均缠绕有一个径向力控制线圈，在圆周上呈180°相对的两个径向力控制线圈齿上的两个径向力控制线圈反向串联组成一个径向力控制线圈组，所有径向力控制线圈组串联之后组成径向力控制绕组2；每个轴向力控制线圈齿为双齿结构，所述双齿结构是在所述轴向力控制线圈齿内端面的轴向中间位置沿圆周方向开槽获得，每个轴向力控制线圈齿的双齿结构中的每个齿上均缠绕有一个轴向力控制线圈，所述两个线圈绕向相反，所述两个线圈串联连接后组成一个轴向力控制线圈组，所有轴向力控制线圈组串联连接后组成轴向力控制绕组3；转子包括转子导磁轭筒5，所述转子导磁轭筒5位于定子内，并且与定子同轴，定子与转子之间是均匀的气隙。

选择n＝2时，本实施方式所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承参见图7、8和9所示，定子铁心1的内侧形成8个齿，参见8所示，在第1、3、5、7个齿上都绕有一个径向力控制线圈，以轴线为对称，在圆周上呈180°相对的两个齿上的两个径向力控制线圈反向串联组成一个径向力控制线圈组，即：第1、5个齿上的径向力控制线圈串联组成一个径向力控制线圈组，第3、7个齿上的径向力控制线圈串联组成一个径向力控制线圈组，所述两个径向力控制线圈组串联连接形成径向力控制绕组2。在定子铁心1的每相邻的两个齿之间的轭部，均有一个沿轴向的开槽，该槽的中心线为沿半径方向，在该槽中嵌放有一块平板形的定子永磁体4，定子永磁体4为沿圆周的切向充磁，沿圆周方向，每相邻两块定子永磁体4的充磁方向相反。参见图9所示，在第2、4、6、8个齿上的轴向中间位置沿圆周方向开槽，使原来的一个齿沿轴向变成了两个齿，进而形成双齿结构，这该两个齿上分别缠绕有一个轴向力控制线圈，所述两个线圈绕向相反，所述两个线圈串联连接组成一个轴向力控制线圈组，再将第2、4、6、8个齿上的所有轴向力控制线圈组串联连接形成轴向力控制绕组3。

上述实施方式一、二或三所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承中，转子导磁轭筒5可以采用高导磁材料制作，例如，可以选择相对磁导率大于1的高导磁材料。

上述实施方式一、二或三所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承中，定子永磁体4可以采用高性能的稀土永磁体。

上述实施方式一、二或三所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承中，转子导磁轭筒5的轴向长度小于定子铁心1齿轴向两个端面之间的宽度。

本发明所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承还可以是由多个上述实施方式一、二或三所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承的串联组成，所述多个混合励磁轴径向磁悬浮轴承的结构相同。这样形成的混合励磁轴径向磁悬浮轴承具有悬浮力大的优点。

Claims (10)

1.混合励磁轴径向磁悬浮轴承，它包括定子、转子和气隙，其特征在于，所述定子包括定子铁心(1)、径向力控制绕组(2)、轴向力控制绕组(3)和定子永磁体(4)；定子铁心(1)为圆筒形，在圆筒形定子铁心(1)的内表面沿轴向开有4n个槽，在定子铁心(1)的内侧形成4n个齿，其中n为大于1的自然数，沿周向第1、3、……、(4n-1)个齿为轴向绕组齿，第2、4、……、4n个齿为径向绕组齿，所述轴向绕组齿为双齿结构，参见图2所示，所述双齿结构为在所述轴向绕组齿轴向内端面的轴向中间位置沿圆周方向开槽获得，每个轴向绕组齿的双齿上分别缠绕有一个轴向力控制线圈，所述两个轴向力控制线圈的绕向相反，并串联连接组成一个轴向力控制线圈组，所有轴向力控制线圈组串联连接组成轴向力控制绕组(3)；每个轴向绕组齿的双齿内端面上分别粘贴固定有一块瓦片形的定子永磁体(4)，且两块永磁体的充磁方向相同；所述定子永磁体(4)为径向充磁或径向平行充磁；每个径向绕组齿上缠绕有一个径向力控制线圈，在圆周上呈180°相对的两个径向绕组齿上的两个径向力控制线圈反向串联组成一个径向力控制线圈组，所有径向力控制线圈组串联之后组成径向力控制绕组(2)；转子包括转子导磁轭筒(5)，所述转子导磁轭筒(5)位于定子内，并且与定子同轴，定子与转子之间是均匀的气隙。

2.根据权利要求1所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述转子导磁轭筒(5)采用高导磁材料制作，所述高导磁材料的相对磁导率大于1。

3.根据权利要求1所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子永磁体(4)为稀土永磁体。

4.根据权利要求1所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承，其特征在于，转子导磁轭筒(5)的轴向长度小于定子铁心(1)齿轴向两个端面之间的宽度。

5.混合励磁轴径向磁悬浮轴承，它包括定子、转子和气隙，其特征在于，定子包括定子铁心(1)、径向力控制绕组(2)、轴向力控制绕组(3)和定子永磁体(4)；定子铁心(1)为圆筒形，在圆筒形定子铁心(1)的内表面沿轴向开有4n个槽，在定子铁心(1)的内侧形成4n个齿，其中n为大于1的自然数，沿周向第1、3、……、4n-1个齿为径向力绕组齿，第2、4、……、4n个齿为轴向力绕组齿；每个径向力绕组齿上均缠绕有一个径向力控制线圈，并且在每个径向力绕组齿的内端面上均粘贴固定有一块瓦片形的定子永磁体(4)，所述定子永磁体(4)为径向充磁或沿径向平行充磁，所有定子永磁体(4)的充磁方向相同，在圆周上呈180°相对的两个径向力绕组齿上的两个径向力控制线圈反向串联连接组成径向力控制线圈组，所有径向力控制线圈组串联后组成径向力控制绕组(2)；每个轴向力绕组齿为双齿结构，所述双齿结构是在所述轴向力绕组齿的轴向中间位置沿圆周方向开槽获得，每个轴向力绕组齿的双齿结构的两个齿上分别缠绕有一个轴向力控制线圈，所述两个线圈绕向相反，且串联连接组成一个轴向力控制线圈组，所有轴向力控制线圈组串联连接组成轴向力控制绕组(3)；转子包括转子导磁轭筒(5)，所述转子导磁轭筒(5)位于定子内，并且与定子同轴，定子与转子之间是均匀的气隙。

6.根据权利要求5所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述转子导磁轭筒(5)采用高导磁材料制作，所述高导磁材料的相对磁导率大于1。

7.根据权利要求5所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承，其特征在于，转子导磁轭筒(5)的轴向长度小于定子铁心(1)齿轴向两个端面之间的宽度。

8.混合励磁轴径向磁悬浮轴承，它包括定子、转子和气隙，其特征在于，定子包括定子铁心(1)、径向力控制绕组(2)、轴向力控制绕组(3)和定子永磁体(4)；定子铁心(1)为圆筒形，所述圆筒形定子铁心(1)的内表面沿轴向开有4n个槽，在定子铁心(1)的内侧形成4n个齿，其中n为大于1的自然数，定子铁心(1)的每相邻两个齿之间的轭部，沿轴向开槽，所述槽中嵌放有一块平板形的定子永磁体(4)，所述平板形定子永磁体(4)为沿圆周切向充磁，且每相邻两块平板形定子永磁体(4)的充磁方向相反；第1、3、……、4n-1个齿为径向力控制线圈齿，第2、4、……、4n个齿为轴向力控制线圈齿，每个径向力控制线圈齿上均缠绕有一个径向力控制线圈，在圆周上呈180°相对的两个径向力控制线圈齿上的两个径向力控制线圈反向串联组成一个径向力控制线圈组，所有径向力控制线圈组串联之后组成径向力控制绕组(2)；每个轴向力控制线圈齿为双齿结构，所述双齿结构是在所述轴向力控制线圈齿内端面的轴向中间位置沿圆周方向开槽获得，每个轴向力控制线圈齿的双齿结构中的每个齿上均缠绕有一个轴向力控制线圈，所述两个线圈绕向相反，所述两个线圈串联连接后组成一个轴向力控制线圈组，所有轴向力控制线圈组串联连接后组成轴向力控制绕组(3)；转子包括转子导磁轭筒(5)，所述转子导磁轭筒(5)位于定子内，并且与定子同轴，定子与转子之间是均匀的气隙。

9.根据权利要求8所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述转子导磁轭筒(5)采用高导磁材料制作，所述高导磁材料的相对磁导率大于1。

10.根据权利要求8所述的混合励磁轴径向磁悬浮轴承，其特征在于，转子导磁轭筒(5)的轴向长度小于定子铁心(1)齿轴向两个端面之间的宽度。

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