CN102900761B

CN102900761B - 一种永磁偏磁轴向混合磁轴承

Info

Publication number: CN102900761B
Application number: CN201210326894.4A
Authority: CN
Inventors: 周超; 朱熀秋; 魏杰; 张维煜
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangyin Intellectual Property Operation Co., Ltd
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2032-09-06
Also published as: CN102900761A

Abstract

本发明公开一种永磁偏磁轴向混合磁轴承，有两个结构相同且相对于吸力盘轴向对称布置的定子盘，在每个定子盘的盘面上均沿径向由外向内具有一个外圆环形线圈槽、两个圆环形隔磁环槽、一个圆环形永磁体槽、一个内圆环形线圈槽，两个圆环形隔磁环槽分别位于所述圆环形永磁体槽的径向两侧；在每个内、外圆环形线圈槽内均设有控制线圈，在每个圆环形隔磁环槽内均嵌插有隔磁环，在每个圆环形永磁体槽内均压入有圆环形永磁体，每个圆环形永磁体均径向充磁；静态偏磁磁场由永磁材料产生，缩小磁轴承体积，降低功率放大器功耗，提高磁轴承承载能力；将圆环形永磁体嵌入在定子盘中间，保证了吸力盘的刚度，提供的偏磁磁场上下对称、左右相等。

Description

一种永磁偏磁轴向混合磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非机械接触磁轴承，特指一种永磁偏磁轴向混合磁轴承，适用于五自由度磁轴承系统、无轴承电机轴向定位和高速飞轮储能系统等机械设备中旋转部件的轴向无接触悬浮支承。

背景技术

自二十世纪七十年代磁轴承技术迅速发展以来，由于混合型磁悬浮轴承的偏磁磁场由永磁材料产生，电磁线圈只产生控制磁场，具有功耗低、体积小的优点，从而成为研究热点。径向混合磁轴承的技术已经趋于成熟，而单自由度轴向混合磁轴承的技术还不多见，特别是机械结构及磁路结构设计等方面设计还不太合理，普遍存在轴向混合磁轴承体积大、稳定性差的缺点。为了从结构上减小磁轴承轴向和径向尺寸，减小磁轴承的体积、降低功率损耗，提高吸力盘的刚度，提高磁轴承的稳定性，扩大磁轴承的应用领域，就必须采用新的机械结构和磁路结构。

中国专利公开号CN101038011、名称为“三自由度交流混合磁轴承”，将径向两自由度和轴向单自由度结合起来，具有集成度高，体积小等优点，但其缺陷是：径向力和轴向力之间存在耦合，增加了控制系统的难度。中国专利公开号CN101025198、名称为“一种永磁偏磁轴向混合磁轴承”是一种轴向单自由度磁悬浮轴承，仅采用一个径向充磁的园环形永磁体，转子质量小，结构简单，轴向控制绕组位于径向定子两侧，增加了磁轴承的轴向长度，降低了悬浮转子的临界转速。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种具有新的机械结构和磁路结构的永磁偏磁轴向混合磁轴承，结构合理紧凑、体积小、重量轻、功耗低、稳定性好和效率高，同时加工制造简单，便于装配，易于实现。

本发明采用的技术方案是：包括转轴以及套装在转轴上的吸力盘和定子盘，其特征是：有两个结构相同且相对于吸力盘轴向对称布置的定子盘，两个定子盘与吸力盘的外径相等，在每个定子盘的盘面上均沿径向由外向内具有一个外圆环形线圈槽、两个圆环形隔磁环槽、一个圆环形永磁体槽、一个内圆环形线圈槽，所述两个圆环形隔磁环槽分别位于所述圆环形永磁体槽的径向两侧；每个定子盘的盘面上的槽槽口均朝向吸力盘；在每个内、外圆环形线圈槽内均设有控制线圈，在每个圆环形隔磁环槽内均嵌插有隔磁环，在每个圆环形永磁体槽内均压入有圆环形永磁体，每个圆环形永磁体均径向充磁；同一个定子盘上的两控制线圈并联；两个定子盘上的相应的控制线圈、隔磁环、永磁体各自相对于吸力盘在轴向上对称；沿轴向上，每个定子盘外径处与吸力盘之间均具有轴向主间隙，每个定子盘内径处与吸力盘之间均具有轴向副间隙；每个圆环形永磁体与吸力盘之间均具有轴向间隙，沿径向上，每个定子盘内径处与转轴之间均具有径向间隙。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、与传统磁轴承由电磁铁产生静态偏磁磁场相比，本发明的静态偏磁磁场由永磁材料产生，能缩小磁轴承体积，降低功率放大器功耗，减轻磁轴承的重量，提高磁轴承承载能力。

2、本发明不占用径向和轴向长度，提高了悬浮转子的临界转速，增加了混合型磁悬浮轴承的应用范围。

3、与传统磁轴承将永磁体装在转子上，不易装配且转子刚度低相比，本发明将圆环形永磁体嵌入在定子盘中间，保证了吸力盘的刚度，提供的偏磁磁场上下对称、左右相等，当吸力盘处于中间位置时，在偏磁磁场的作用下可以实现稳定的悬浮。

4、与传统磁轴承只能单一地在主气隙施加主动控制相比，本发明采用的两套电磁控制线圈产生的控制磁场上下对称，主副气隙都可以施加主动控制，当转子偏移时，不容易产生偏心磁拉力。

5、本发明在圆环形永磁体两侧加入了隔磁环，在结构和磁路上均不存在耦合，简化了控制系统，提高了混合磁轴承的稳定性。

附图说明

图1为本发明永磁偏磁轴向混合磁轴承结构的轴向截面图及磁通回路示意图。

图2为图1中第一定子盘1不含有线圈41、42结构的径向截面缩小示意图。

图3为图1中第二定子盘2不含有线圈43、44结构的径向截面缩小示意图。

图4为图1中第二定子盘2含有线圈43、44结构的径向截面缩小示意图。

图中：1.第一定子盘；2.第二定子盘；3.转轴，41、42、43、44.第一、第二、第三、第四控制线圈；45、47.第一、第二外圆环形线圈槽；46、48.第一、第二、内圆环形线圈槽；51、52.第一、第二圆环形永磁体；53、54.第一、第二圆环形永磁体槽；61、62、63、64.第一、第二、第三、第四隔磁环；65、66、67、68.第一、第二、第三、第四圆环形隔磁环槽；71、72.第一、第二永磁体产生的静态偏磁磁通回路；81、82、83、84.第一、第二、第三、第四控制线圈产生的主动控制磁通回路；9.轴向主气隙；10.轴向副气隙；11.径向气隙；12.吸力盘；13.轴向气隙。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括第一定子盘1、第二定子盘2、吸力盘12、转轴3、两个圆环形永磁体、四个隔磁环、四套控制线圈、两个外圆环形线圈槽，两个内圆环形线圈槽、两个圆环形永磁体槽以及四个圆环形隔磁环槽。

其中，第一定子盘1、第二定子盘2和吸力盘12均与转轴3同轴心且套装在转轴3上，第一定子盘1和第二定子盘2的结构相同，分别位于吸力盘12的轴向两侧并且相对于吸力盘12对称布置。第一定子盘1、第二定子盘2与吸力盘12三者的外径均相等。

参见图1和图2，在第一定子盘1的盘面上沿径向由外向内依次地具有第一外圆环形线圈槽 45、第一圆环形隔磁环槽65、第一圆环形永磁体槽53、第二圆环形隔磁环槽66、第一内圆环形线圈槽46，其中布置在第一圆环形永磁体槽53径向两侧的第一、第二圆环形隔磁环槽65、66与第一圆环形永磁体槽53之间的间距相等。依次地，在第一外圆环形线圈槽 45中放置第一控制线圈41，在第一圆环形隔磁环槽65内嵌插第一隔磁环61，在第一圆环形永磁体槽53内压入第一圆环形永磁体51，在第二圆环形隔磁环槽66内嵌插第二隔磁环62，在第一内圆环形线圈槽46放置第二控制线圈42。第一控制线圈41和第二控制线圈42并联，用以产生控制磁通。

参见图1、图3和图4，在第二定子盘2的盘面上沿径向由外向内依次地具有第二外圆环形线圈槽 47、第三圆环形隔磁环槽67、第二圆环形永磁体槽54、第四圆环形隔磁环槽68、第二内圆环形线圈槽48，其中布置在第二圆环形永磁体槽54径向两侧的第三、第四圆环形隔磁环槽67、68与第二圆环形永磁体槽54之间的间距相等。依次地，在第二外圆环形线圈槽 47中放置第三控制线圈43，在第三圆环形隔磁环槽67内嵌插第三隔磁环63，在第二圆环形永磁体槽54内压入第二圆环形永磁体52，在第二外圆环形隔磁环槽67内嵌插第三隔磁环63，在第二内圆环形线圈槽48内放置第四控制线圈44。第三控制线圈43和第四控制线圈44并联，用以产生控制磁通，与第一控制线圈41和第二控制线圈42相互独立。

第一定子盘1和第二定子盘2的盘面上具有的各个槽的槽口均朝向吸力盘12，并且第一定子盘1上沿径向设置的控制线圈、隔磁环、永磁体与第二定子盘2上沿径向设置的相应的控制线圈、隔磁环、永磁体均相对于吸力盘12对称。

如图1，沿轴向上，第一、第二定子盘1、2外径处与吸力盘12之间均具有轴向主间隙9，内径处与吸力盘12之间均具有轴向副间隙10；第一、第二圆环形永磁体51、52与吸力盘12之间均具有轴向间隙13，两轴向气隙13均为0.45 mm；沿径向上，第一、第二定子盘1、2内径处均与转轴3之间具有径向间隙11。

第一定子盘1和第二定子盘2均采用硅钢片叠压而成，吸力盘12由圆形硅钢片叠压而成，第一、第二圆环形永磁体51、52均采用稀土材料钦铁硼制成。

在第一、第二圆环形永磁体51、52的径向充磁，第一、第二圆环形永磁体51、52的外环为N极，内环为S极。

如图1中带箭头的实线回路71、72所示的静态偏磁磁通回路，静态偏磁磁通是从圆环形永磁体的N极出发，经过定子盘、轴向气隙13、吸力盘12，再经过轴向气隙13进入定子盘，回到圆环形永磁体的S极，形成一个完整永磁磁通回路。实线回路71是由第一圆环形永磁体51、轴向气隙13和吸力盘12构成的完整的静态偏磁磁通回路。实线回路72是由第二圆环形永磁体52、轴向气隙13、吸力盘12构成完整的静态偏磁磁通回路。

如图1中带箭头的虚线回路81、82、83、84所示，虚线回路81是由第一定子盘1、轴向主气隙9和吸力盘12构成完整的控制磁通回路。虚线回路82是由第一定子盘1、轴向副气隙10和吸力盘12构成完整的控制磁通回路。虚线回路83是由第二定子盘2、轴向主气隙9和吸力盘12构成完整的控制磁通回路。虚线回路84是由第二定子盘2、轴向副气隙10和吸力盘12构成完整的控制磁通回路。以虚线回路83为例说明，当第三轴向控制线圈43通入直流电后，通过右手螺旋定律判断磁场方向，控制磁通从N极流向S极，在第二定子盘2、轴向主气隙 9、吸力盘12之间构成回路，形成轴向控制磁通回路即虚线回路83，同理，虚线回路81、82、84的控制磁通回路分析同上。

当吸力盘12处于平衡位置时，与第一、第二圆环形永磁体51、52之间的轴向气隙13相等，且两轴向气隙13均为0.45 mm。当轴向稳定悬浮时，转子在永磁体产生的静磁场吸力下处于悬浮的中间位置。当受到外界扰动或者其他的干扰时，吸力盘12脱离了平衡位置的时候，通过控制第一、第二、第三、第三控制线圈41、42、43、44中电流的大小和方向，可以控制磁通大小和方向发生相应的变化，使两个轴向气隙13中的合成磁场发生相应的变化，使轴向混合磁轴承的吸力盘12所受的轴向悬浮力发生相应的变化，从而确保吸力盘12始终处于轴向平衡的中间位置。

Claims

1.一种永磁偏磁轴向混合磁轴承，包括转轴以及套装在转轴上的吸力盘和定子盘，其特征是：有两个结构相同且相对于吸力盘轴向对称布置的定子盘，两个定子盘与吸力盘的外径相等，在每个定子盘的盘面上均沿径向由外向内具有一个外圆环形线圈槽、两个圆环形隔磁环槽、一个圆环形永磁体槽、一个内圆环形线圈槽，所述两个圆环形隔磁环槽分别位于所述圆环形永磁体槽的径向两侧；

每个定子盘的盘面上的槽槽口均朝向吸力盘；在每个内、外圆环形线圈槽内均设有控制线圈，在每个圆环形隔磁环槽内均嵌插有隔磁环，在每个圆环形永磁体槽内均压入有圆环形永磁体，每个圆环形永磁体均径向充磁；同一个定子盘上的两控制线圈并联；两个定子盘上的相应的控制线圈、隔磁环、永磁体各自相对于吸力盘在轴向上对称；沿轴向上，每个定子盘外径处与吸力盘之间均具有轴向主间隙，每个定子盘内径处与吸力盘之间均具有轴向副间隙；每个圆环形永磁体与吸力盘之间均具有轴向间隙，沿径向上，每个定子盘内径处与转轴之间均具有径向间隙。

2.根据权利要求1所述的一种永磁偏磁轴向混合磁轴承，其特征是：所述圆环形永磁体槽的径向两侧的两个圆环形隔磁环槽与所述圆环形永磁体槽之间的间距相等。

3.根据权利要求1所述的一种永磁偏磁轴向混合磁轴承，其特征是：所述轴向气隙为0.45 mm。

4.根据权利要求1所述的一种永磁偏磁轴向混合磁轴承，其特征是：所述定子盘由硅钢片叠压而成，所述吸力盘由圆形硅钢片叠压而成，所述圆环形永磁体均由稀土材料钦铁硼制成。

5.根据权利要求1所述的一种永磁偏磁轴向混合磁轴承，其特征是：所述圆环形永磁体的外环为N极，内环为S极。