CN102788085B - 一种恒流源偏置外转子轴向磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于无接触悬浮支承的恒流源偏置外转子轴向磁轴承，转子同轴内套定子铁心，转子在轴向上与定子铁心两端面间均留有轴向气隙；定子铁心具有沿轴心圆周方向均布的、且向转子内侧壁处延伸的四个相同的定子铁心磁极，四个定子铁心磁极在径向上与转子间均留有径向气隙，四个定子铁心磁极上各绕制相同的一个恒流源偏置线圈；4个恒流源偏置线圈串联后与一个恒流源相接；在定子铁心和转子之间空腔内设有两个沿轴心对称的轴向控制线圈，两个轴向控制线圈串联后与一个功率放大器相接；只用一个功率放大器使控制线圈提供控制磁通，偏置线圈直接通过恒流源提供偏置电流，减小功率放大电路的体积和成本，提高磁轴承的工作性能。

Description

一种恒流源偏置外转子轴向磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非机械接触磁悬浮轴承，特指恒流源偏置外转子轴向磁轴承，可作为外转子电机、外转子轴流风机、外转子离心风机等系统中旋转部件的无接触悬浮支承。

背景技术

磁悬浮轴承（磁轴承）是利用磁场力将转子悬浮于空间, 使其与定子没有机械接触的一种新型支承轴承，具有无摩擦、无磨损、无需润滑和密封，高速度、高精度及寿命长等优点。磁轴承按照磁力提供方式，可分为被动磁轴承、主动磁轴承和永磁偏置混合磁轴承。恒流源偏置磁轴承是结合主动磁轴承的磁场可控与永磁偏置混合磁轴承功耗低的优点，提出的一种低成本、低功耗且高可控性的新型磁轴承。它由一个独立可调的恒流源提供偏置磁场，取代了主动磁轴承中的偏置磁场需要经过功率放大器产生及永磁偏置混合磁轴承中的偏置磁场由永磁体产生的方式，而它的控制线圈的供电方式和永磁偏置磁轴承相同，即每个自由度经过一个双极性功率放大器来提供控制电流，从而产生控制磁场。

目前，关于恒流源偏置磁轴承的相关结构只涉及径向结构的磁轴承，且均为内转子磁轴承。而轴向磁轴承对转子轴向定位能否准确和稳定地进行控制，直接影响到对转子的径向位置准确控制，因此研究恒流源偏置轴向磁轴承有重要意义。且内转子磁轴承与外转子磁轴承在不同的领域发挥着自己独特的优势，在一些具有特殊要求的场合，内转子磁轴承不能满足要求：如用于支承具有全密封、无泄漏、无污染等特点的新型外转子工业泵；支承具有空间小、设计紧凑且具有最佳冷却效果等特点的外转子电机；支承具有安装深度小，噪音低，运行效率高等特点的外转子轴流风机；支承具有卓越的空气动力效率、尤其在空气处理装置、清洁室系统、排油烟机、空调、汽车和轨道技术中，具有显著节省空间等特点的外转子离心风机等等。

中国专利公开号为CN101311571、名称为“恒流源偏置磁悬浮轴承”所提出的磁轴承为内转子径向磁轴承，定子磁极上同时套装偏置线圈和控制线圈，所有偏置线圈都串联在一起，每个自由度上的控制线圈用串联或者并联的连线方式连接在一起，此结构的磁轴承一个自由度采用两个功率放大器（一个独立的功率放大器使偏置线圈通过恒定的电流提供偏置磁通，一个独立的功率放大器使控制线圈通过恒定的电流提供控制磁通），因此功耗高，且功率放大器成本较大。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，弥补恒流源偏置外转子轴向磁轴承的空白，提出一种恒流源偏置外转子轴向磁轴承，降低磁轴承的成本、减少了磁轴承的功耗。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：包括同轴的转子和定子铁心，转子内套有定子铁心，转子在轴向上与定子铁心两端面之间均留有轴向气隙；定子铁心具有沿轴心圆周方向均布的、且向转子内侧壁处延伸的四个相同的定子铁心磁极，四个定子铁心磁极在径向上与转子之间均留有径向气隙，四个定子铁心磁极上各绕制相同的一个恒流源偏置线圈；四个恒流源偏置线圈串联后与一个提供偏置电流的恒流源相接；在定子铁心和转子之间的空腔内还设有两个沿轴心对称的轴向控制线圈，两个轴向控制线圈串联后与一个提供控制电流的功率放大器相接。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1、目前的恒流源偏置磁轴承是控制一个自由度需要两个独立的功率放大器，一个用来使偏置线圈通过恒定的电流提供偏置磁通，一个独立的功率放大器使控制线圈通过恒定的电流提供控制磁通，本发明只用一个功率放大器使控制线圈通过恒定的电流提供控制磁通，偏置线圈则直接通过恒流源提供偏置电流即可完全完成驱动单自由度磁轴承，因而大大减小了功率放大电路的体积和成本，显著降低了功率放大器的功耗，简化了驱动控制方法，提高了磁轴承的工作性能。

2、区别于现有的恒流源偏置内转子径向磁轴承的结构形式，本发明提出的一种恒流源偏置外转子轴向磁轴承，采用了新的机械结构和磁路结构，扩大了恒流源偏置磁轴承的应用领域。

附图说明

    图1为本发明恒流源偏置外转子轴向磁轴承的轴向截面、线圈的接线以及磁通回路示意图；

图2为图1中的A-A剖视图；

图3为图1中转子1结构的主视图；

图4为图3中经大圆环体11、圆盘12和小圆环体13的B-B阶梯剖视图；

图中：1.转子，11.大圆环体，12.圆盘，13.小圆环体，21、22、23、24.恒流源偏置线圈，31、32.轴向气隙， 33、34、35、36.径向气隙，4.定子铁心，41、42、43、44.定子铁心4上的磁极，51、52.轴向控制线圈，6.偏置磁通，7.控制磁通，8.功率放大器，9.恒流源，10.十字槽沉头螺钉。

带箭头的粗实线6为恒流源偏置线圈21、22、23、24产生的偏置磁通6在定子铁心4上的磁极41、42、43、44、径向气隙33、34、35、36、转子1、轴向气隙31、32与定子铁心4间形成的回路；带箭头的点划线7为轴向控制线圈51、52产生的控制磁通7在转子1与轴向气隙31、32间形成的回路。

具体实施方式

如图1、图2、图3及图4所示，本发明是外转子磁轴承结构，包括同轴安装的外部转子1和内部的定子铁心4，转子1是磁轴承的外壳，位于磁轴承的最外围，转子1是圆柱体形状，在转子1内套有定子铁心4。定子铁心4采用硅钢片叠压而成，转子1采用电工纯铁加工而成，确保导磁性能良好，磁滞低，并尽量降低涡流损耗与磁滞损耗。

如图3-4所示，转子1由两个相同的圆盘12、一个大圆环体11及两个相同的小圆环体13联接而成。在两个相同的圆盘12的轴向之间固定连接一个大圆环体11，大圆环体11的外径与圆盘12的外径相等。大圆环体11内空套两个相同的小圆环体13。两个相同的小圆环体13分别面对面地固定连接在两个圆盘12相应端面上，并且，两个相同的圆盘12的内径均与两个相同的小圆环体13的内径相等。两个相同的小圆环体13在轴向上面对定子铁心4的端面，并且小圆环体13与定子铁心4端面之间留有轴向气隙31、32，即转子1在轴向上与定子铁心4两个端面之间均留有轴向气隙31、32，轴向气隙31、32在轴向上的长度是0.3-0.5mm。在实施时，可将一个圆盘12和一个小圆环体13加工成为整体零件，并且采用四个十字槽沉头螺钉10将大圆环体11固定连接两个整体零件。

如图1、2所示，定子铁心4是中空的圆柱体状，具有四个相同的定子铁心磁极41、42、43、44，这四个定子铁心磁极41、42、43、44是由定子铁心4的轴心向转子1的大圆环体11的内侧壁处延伸所得，并且沿定子铁心4的轴心圆周方向均匀分布，即每两个定子铁心磁极之间的间隔角度为90度。四个相同的定子铁心磁极41、42、43、44在径向上与转子1的大圆环体11的内侧壁之间均留有径向气隙33、34、35、36，径向气隙33、34、35、36在径向上的长度为0.3-0.5mm。在每个定子铁心磁极41、42、43、44上均分别绕制相同的恒流源偏置线圈21、22、23、24。在定子铁心4和转子1之间的空腔内还设置沿轴心对称的两个轴向控制线圈51、52，两个轴向控制线圈51、52紧挨转子1的圆盘12及大圆环体11的内壁上。

如图1及图2所示，四个恒流源偏置线圈21、22、23、24产生八个接线端，每个恒流源偏置线圈21、22、23、24通过串联的连线方式连接，最终只有一个输入接线端，一个输出接线端，然后两个接线端连接到一个恒流源9的两个输出端，恒流源9提供偏置电流。

如图1中虚线所示。两个轴向控制线圈51、52产生四个接线端，每个轴向控制线圈51、52通过串联的连线方式连接起来，最终一个输入接线端，一个输出接线端，然后两个接线端连接到一个功率放大器8的两个输出端，功率放大器8提供控制电流，如图1中实线所示。

如图1所示，区别于已有的恒流源偏置磁轴承，控制一个自由度需要两个独立的功率放大器，一个用来使偏置线圈通过恒定的电流提供偏置磁通，一个独立的功率放大器使控制线圈通过恒定的电流提供控制磁通，而本发明只用一个功率放大器使控制线圈通过恒定的电流提供控制磁通，偏置线圈则直接通过恒流源提供偏置电流即可完全完成单自由度磁轴承，因而大大减小了功率放大电路的体积和成本，显著降低了功率放大器的功耗，简化了驱动控制方法，提高了磁轴承的工作效率。

如图1所示，本发明由与恒流源9连接的偏置线圈21、22、23、24产生的偏置磁通6从定子铁心4上的相应的磁极41、42、43、44出发，经过相应的径向气隙33、34、35、36，然后经过转子1的大圆环体11，圆盘12，小圆环体13，相应的轴向气隙31、32，定子铁心4，回到定子铁心4上的相应的磁极41、42、43、44，形成完整的偏置磁通回路，如图1中带箭头的粗实线所示6。轴向控制磁通如图1中带箭头的点划线所示7，轴向控制线圈51、52经过相连的功率放大器8通以直流电后，在转子1与两个轴向气隙51、52之间构成回路7，改变控制电流的大小与方向，则控制磁通7的大小和方向相应的发生变化，使得两个轴向气隙52、52中的合成磁场发生变化，磁轴承转子1所受的轴向悬浮力发生变化。本发明的恒流源9给磁轴承提供偏置磁通，提供磁轴承静态悬浮所需的轴向力，轴向控制线圈51、52所产生的磁通起调节作用，通过调整控制磁通的大小和方向，进而调节转子1轴向受力的大小和方向，确保转子1处于轴向平衡位置。

根据以上所述，便可以实现本发明。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种恒流源偏置外转子轴向磁轴承，包括同轴的转子（1）和定子铁心（4），转子（1）内套有定子铁心（4），其特征是：转子（1）在轴向上与定子铁心（4）两端面之间均留有轴向气隙；定子铁心（4）具有沿轴心圆周方向均布的、且向转子（1）内侧壁处延伸的四个相同的定子铁心磁极（41、42、43、44），四个定子铁心磁极（41、42、43、44）在径向上与转子（1）之间均留有径向气隙，四个定子铁心磁极（41、42、43、44）上各绕制相同的一个恒流源偏置线圈（21、22、23、24）；四个恒流源偏置线圈串联后与一个提供偏置电流的恒流源（9）相接；在定子铁心（4）和转子（1）之间的空腔内还设有两个沿轴心对称的轴向控制线圈（51、52），两个轴向控制线圈（51、52）串联后与一个提供控制电流的功率放大器（8）相接。

2.根据权利要求1所述的一种恒流源偏置外转子轴向磁轴承，其特征是：

转子（1）由两个相同的圆盘（12）、一个大圆环体（11）及两个相同的小圆环体（13）联接而成，在两个相同的圆盘（12）的轴向之间固定连接一个与圆盘（12）的外径相等的大圆环体（11），大圆环体（11）内空套有两个面对面固定连接在两个圆盘（12）相应端面上的相同的小圆环体（13），两个相同的圆盘（12）的内径均与两个相同的小圆环体（13）的内径相等。

3.根据权利要求2所述的一种恒流源偏置外转子轴向磁轴承，其特征是：轴向气隙是定子铁心（4）两端面在轴向与所述小圆环体（13）之间留有的气隙，径向气隙是定子铁心磁极（41、42、43、44）在径向上与所述大圆环体（11）内侧壁之间留有的气隙。

4.根据权利要求2所述的一种恒流源偏置外转子轴向磁轴承，其特征是：两个轴向控制线圈（51、52）设在圆盘（12）及大圆环体（11）的内壁上。

5.根据权利要求1所述的一种恒流源偏置外转子轴向磁轴承，其特征是：所述径向气隙、轴向气隙均是0.3-0.5mm。

6.根据权利要求1所述的一种恒流源偏置外转子轴向磁轴承，其特征是：定子铁心（4）采用硅钢片叠压而成，转子（1）采用电工纯铁加工而成。