CN102628476A - 一种轴向电磁轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种永磁偏置的轴向电磁轴承，为实现结构紧凑，制作工艺简单，执行力出力大电效率高，它设置了偏置永磁(1)、定子铁芯(3)、转子吸盘(4)和气隙(5)，位于转子吸盘(4)两侧的定子铁芯(3)均设有一副高磁通密度小磁极(6)和低磁通密度大磁极(2)，它们的极面面积之比小于等于0.5，偏置永磁体(1)吸附在高磁通密度小磁极(6)和低磁通密度大磁极(2)之间，两侧的高磁通密度小磁极(6)极性相同，它们轴向面对转子吸盘(4)，由绕组铁芯(7)将它们联接在一起，集中绕组(8)位于转子吸盘(4)的径向空间，并且处在绕组铁芯(7)的凹腔内。采用这种结构的轴向电磁轴承体积小，尤其是轴向尺寸足够小，这对无轴的外转子的支撑很有效，制造简单，出力大，永磁体安全不失磁，电流刚度大，可靠性强，效率高。

Description

一种轴向电磁轴承
技术领域
本发明涉及一种电磁力悬浮轴承，尤其是外接控制电流永磁偏置的轴向主动式电磁轴承，它用于转子或非转动部件的无接触磁力支撑。
背景技术
磁力轴承一般分主动式和被动式两大类，主动式是指外界输入电能量并产生控制力的型式比如200510011272.2一种低功耗永磁偏置轴向磁轴承，是磁力轴承的主流；被动式通常是靠被承载部件的运动能量转换而显控制力，如超导磁力轴承、动阻尼轴承比如美国专利US6304015magneto-dynamic bearing以及永磁斥力轴承等。根据恩绍定理仅用永磁轴承不能构建整个悬浮稳定系统。主动式电磁轴承广义上来说，包括电磁轴承执行器、传感器和控制器三部分，习惯上将电磁轴承执行器称为电磁轴承，它们通常是以磁铁磁极对铁磁材料的吸力的原理来实现悬浮。在许多应用场合，都希望电磁轴承的出力大体积小尤其是轴向尺寸要小，但是由于本质原因它与普通的滚动轴承相比，同承载力的轴承前者要比后者体积大出许多。
现有技术的电磁力悬浮轴向轴承即所谓推力轴承，两侧具有对吸磁极，等量增减改变两侧的控制电流，产生与电流呈线性关系的控制力。比如中国专利200710135188.0永磁偏置轴向径向磁轴承，是一种相对结构紧凑的混合型电磁轴承，共用一对偏置永磁，但是它的轴向尺寸还是不够小。200510011272.2一种低功耗永磁偏置轴向磁轴承，在偏置永磁边设激磁气隙，它也是偏置永磁的磁短路通道，造成永磁利用率不高，特点是所有磁极都参与产生执行力的工作。
电磁轴承执行力ΔFz并不仅仅是控制电流iz的单调函数，它同时与转子的位移量z有关：
ΔFz＝kzzz+kziiz，
式中kzz为电磁轴承的位移刚度恒小于零；kzi为电磁轴承的电流刚度。参见《可控磁悬浮转子系统》虞烈著，科学出版社2003年第一版，第38页第16行至19行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种主动式永磁偏置的轴向电磁轴承，既要结构紧凑，轴向尺寸小，制作工艺简单，还要控制执行力出力大，永磁体安全，效率高。
为解决上述技术问题，本发明的基本构思是：采用集中绕组，转子吸盘的两侧分别设永磁偏置的定子磁极，其中一是高磁通密度小磁极，另一是低磁通密度大磁极，它们之间安置偏置永磁体，转子吸盘在定子磁极中间，它们之间为气隙，形成两个偏置磁场的磁路。集中绕组的铁芯将两侧定子铁芯的高磁通密度小磁极联系在一起，集中绕组设在转子吸盘径向的顶部位置，绕组中流过控制电流时，磁动势将一侧的偏置磁场磁通拉到另一侧，使一侧小磁极的气隙磁通密度变小，而另一侧的小磁极气隙磁通密度变大，形成吸力差产生控制力。设定两侧定子的高磁通密度小磁极之间距离的中点为轴向零位。
为实现本发明的基本构思的技术方案是：一种永磁偏置的轴向电磁轴承，它包括偏置永磁体、定子铁芯、转子吸盘和气隙，其特征在于位于转子吸盘两侧的定子铁芯均设有一副高磁通密度小磁极和低磁通密度大磁极，它们的极面面积之比小于等于0.5，偏置永磁体吸附在高磁通密度的小磁极和低磁通密度的大磁极之间，两侧的高磁通密度的小磁极极性相同，它们轴向面对转子吸盘，绕组铁芯将它们联接在一起，集中绕组位于转子吸盘的径向空间，并且处在绕组铁芯的凹腔内。
轴向电磁轴承可以是转子在外定子在内，即所述的转子可以是外转子，定子是内定子。也可以转子在内定子在外，即所述的转子可以是内转子，定子是外定子。
集中绕组设置在绕组铁芯的凹腔内，能使绕组通电流后在该铁芯中产生磁动势，来干预偏置磁场磁通。
绕组铁芯可以是定子铁芯的一部份，高磁通密度的小磁极和低磁通密度的大磁极也可以是定子铁芯的一部份。
当集中绕组中流过控制电流时，绕组铁芯中产生磁动势，将一侧高磁通密度小磁极中的部分永磁偏置磁通引入绕组铁芯，再送入另一侧的高磁通密度小磁极经另一侧气隙至转子吸盘，然后经原始侧的气隙回到原始侧的低磁通密度大磁极进入永磁体。一侧小磁极气隙的磁通密度变小，而另一侧小磁极气隙的磁通密度变大形成吸力差产生控制力。工作中永磁体的总磁通和自身磁动势几乎不变，保持在最佳工作点附近，使得材料最省，且无退磁的风险。
高磁通密度小磁极和低磁通密度大磁极可以设计成圆环，偏置永磁体也可设成与它们同心的圆磁环，偏置永磁体磁极方向可以是轴向也可以是径向或其它方向。两侧磁极极性以两侧之间距离的中线显轴对称，即按径向，N极均在外或S极均在外。
一侧的偏置永磁体体积可以大于另一侧的体积，也就是一侧气隙的偏置磁通密度大于另一侧，使转子树立放置时，转子吸盘在平衡位有吸力差可平衡转子的重力。
绕组铁芯和高磁通密度小磁极可以用硅钢片叠片而成，也可以用其它铁磁材料，不限截面形状。低磁通密度大磁极不直接参与产生执行力的工作，仅作磁路通道，其磁通密度越低越好，对实施例的有限元仿真计算证实，高磁通密度的小磁极与低磁通密度大磁极的磁极之比等于0.35时，同体积的轴承出力要比0.5时大30％左右，磁极之比小于等于0.2时再增约15％，这时低磁通密度大磁极处气隙的磁通密度分布一般可低于0.1T，小的地方只有0.02T。该气隙磁通密度越低，电磁轴承的内在轴向位移负刚度的数值越小，即kzz的绝对越小，以提高执行力的出力。低磁通密度大磁极的极面一般为轴向，当转子吸盘有径向面时，低磁通密度大磁极的极面也可以朝径向，或者极面具径向和轴向面以获取更大的导磁面积以进一步降低磁通密度。
本发明的技术方案列出了为解决本案技术问题相关的各必要技术特征及其主题名称，作为主题：一种轴向电磁轴承，本发明的技术方案在用于具体产品中实施时，所需的现有技术可自行加入。
本发明的有益效果：它使得轴向电磁轴承的结构紧凑，轴向尺寸足够小，这对无轴的外转子的支撑更显得重要。它制造工艺简单，出力大，永磁体安全不失磁，电流刚度大，在可靠性、效率要求高，抗大干扰的应用场合，比如储能飞轮尤为适合。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
图1为永磁偏置磁通沿磁路的磁力线示意图
图2为永磁偏置磁通受绕组磁动势驱动后沿磁路的磁力线示意图
图3为外转子结构实施图
图4为内转子结构实施图
图5本发明实施的力-位移-电流线簇图
具体实施方式
图1为永磁偏置磁通沿磁路的磁力线示意图。两侧磁极极性以两侧中线显轴对称，按径向S极均在外。偏置磁通磁力线两侧分别经高磁通密度小磁极6，气隙5，转子吸盘4，气隙5，低磁通密度大磁极2，偏置永磁体1形成回路，低磁通密度大磁极2面积大故磁通密度低。一侧的偏置永磁体1体积大于另一侧的体积，也就是一侧气隙5的磁力大于另一侧，转子树立放置时，转子吸盘4在平衡位有吸力差可平衡转子的重力。
图2为永磁偏置磁通受绕组磁动势驱动后沿磁路的磁力线示意图。当集中绕组8中流过控制电流时，绕组铁芯7中产生磁动势，将一侧高磁通密度小磁极6中的部分永磁偏置磁通引入绕组铁芯7，再送入另一侧的高磁通密度小磁极6经另一侧气隙5至转子吸盘4，然后经原始侧的气隙5回到原始侧的低磁通密度大磁极2进入偏置永磁体1。一侧高磁通密度小磁极6气隙5的磁通密度变小，而另一侧高磁通密度小磁极6气隙5的磁通密度变大，形成吸力差产生控制力。
图3为外转子结构实施图。一种永磁偏置的轴向电磁轴承，它包括偏置永磁体1、定子铁芯3、外转子吸盘4和气隙5，位于外转子吸盘4两侧的定子铁芯3均设有一副高磁通密度小磁极6和低磁通密度大磁极2，它们的极面面积之比为约0.2，偏置永磁体1吸附在高磁通密度的小磁极6和低磁通密度的大磁极2之间，两侧的高磁通密度的小磁极6极性相同，它们轴向面对外转子吸盘4，且由绕组铁芯7将它们联接在一起，集中绕组8位于外转子吸盘4外径向空间，并且处在绕组铁芯7的凹腔内。
图4为内转子结构实施图。一种永磁偏置的轴向电磁轴承，它包括偏置永磁体1、定子铁芯3、内转子吸盘4和气隙5，位于内转子吸盘4两侧的定子铁芯3均设有一副高磁通密度的小磁极6和低磁通密度的大磁极2，它们的极面面积之比为约0.5，偏置永磁体1吸附在高磁通密度的小磁极6和低磁通密度的大磁极2之间，两侧的高磁通密度的小磁极6极性相同，它们轴向面对内转子吸盘4，且由绕组铁芯7将它们联接在一起，集中绕组8位于内转子吸盘4内径向空间，并且处在绕组铁芯7的凹腔内。
图5本发明实施的力-位移-电流线簇图。它为一种外转子结构实施的实测，不同的偏移位，轴向轴承有不同的电流-力曲线。先设定控制器矫正后系统所需的位移刚度值，便可将该值在图上画出，即粗黑工作线，不同位移下，可查得应给予集中绕组8的控制电流，并可获得位移刚度的执行力。本实施在电流为零时，仍有一吸力，它的量值就是平衡转子重力的点。
本发明并不仅仅局限于上述的实施方式。与本发明属同一基本构思的其它形式，也属于本发明的保护范围。
本发明所述的技术方案是为解决本发明所要解决的技术问题而设，相对于所要解决的技术问题，它建立了其技术内容的完整性。将它实施于具体的轴向电磁轴承或其它产品中时，实现该产品所必需的技术特征可以多于本发明技术方案为解决技术问题的必要技术特征的总和。
本发明各技术特征的含义按照说明书中各专有名词的定义；没有专门定义的，引入本技术领域的公知常识和技术，但该知识的范畴受限于本发明所要解决的技术问题、基本构思、技术方案，结合它在本发明所具备的功能、所起的作用和产生的效果，即参考说明书及其附图的内容进行理解，该特征名称的文字措辞不是其含义的限制，以免产生对本发明的歧义。
本发明进一步作说明，本发明的说明书及其附图所表达的所有内容仅用作权利要求的解释和理解，它不得积极、主动地介入确定权利要求保护范围，即不可作为限制，尤其是跟本发明所要解决的技术问题无关联的内容部分，更是如此。本条为说明书之内容。

Claims (10)

1.一种永磁偏置的轴向电磁轴承，它包括偏置永磁(1)、定子铁芯(3)、转子吸盘(4)和气隙(5)，其特征在于转子吸盘(4)两侧的定子铁芯(3)均设有一副高磁通密度小磁极(6)和低磁通密度大磁极(2)，它们的极面面积之比小于等于0.5，偏置永磁体(1)吸附在高磁通密度小磁极(6)和低磁通密度大磁极(2)之间，两侧的高磁通密度小磁极(6)极性相同，它们轴向面对转子吸盘(4)，由绕组铁芯(7)将它们联接在一起，集中绕组(8)位于转子吸盘(4)的径向空间，并且处在绕组铁芯(7)的凹腔内。
2.如权利要求1所述的永磁偏置的轴向电磁轴承，其特征还在于：一侧的偏置永磁体(1)体积大于另一侧的偏置永磁体(1)体积。
3.如权利要求1所述的永磁偏置的轴向电磁轴承，其特征还在于：它是外转子内定子结构，集中绕组(8)位于转子吸盘(4)的内径向顶部空间。
4.如权利要求1所述的永磁偏置的轴向电磁轴承，其特征还在于：它是内转子外定子结构，集中绕组(8)位于转子吸盘(4)的外径向顶部空间。
5.如权利要求2所述的永磁偏置的轴向电磁轴承，其特征还在于：所述的低磁通密度大磁极(2)的极面朝轴向。
6.如权利要求2所述的永磁偏置的轴向电磁轴承，其特征还在于：所述的转子吸盘(4)具径向面，低磁通密度大磁极(2)的极面具径向和轴向面。
7.如权利要求2所述的永磁偏置的轴向电磁轴承，其特征还在于：所述的转子吸盘(4)具径向面，低磁通密度大磁极(2)的极面朝径向。
8.如权利要求3所述的永磁偏置的轴向电磁轴承，其特征还在于：一侧的偏置永磁体(1)体积大于另一侧的偏置永磁体(1)体积。
9.如权利要求4所述的永磁偏置的轴向电磁轴承，其特征还在于：一侧的偏置永磁体(1)体积大于另一侧的偏置永磁体(1)体积。
10.如权利要求1所述的永磁偏置的轴向电磁轴承，其特征还在于：所述的高磁通密度小磁极(6)和低磁通密度大磁极(2)的极面面积之比小于等于0.2。
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