CN103615465B - 一种新型永磁偏置轴向磁悬浮轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型永磁偏置轴向磁悬浮轴承，包括定子套筒A、定子套筒B、永磁体环、定子圆盘A、定子圆盘B、定子圆盘C、定子圆盘D、控制绕组A、控制绕组B、主轴和转子铁芯；永磁体环设置在定子套筒A和定子套筒B之间，连接定子套筒A和定子套筒B；所述定子套筒A、定子套筒B和永磁体环的截面厚度均相等；定子圆盘A和定子圆盘B分别设置在定子套筒A内壁的两端；控制绕组A设置在定子圆盘A和定子圆盘B之间；定子圆盘C和定子圆盘D分别设置在定子套筒B内壁的两端；控制绕组B设置在定子圆盘C和定子圆盘D之间。

Description

一种新型永磁偏置轴向磁悬浮轴承

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮轴承，具体是一种新型永磁偏置轴向磁悬浮轴承；属于磁悬浮技术领域。

背景技术

早在1842年，英国物理学家Earnshaw就对磁悬浮轴承技术进行了研究和论述，磁悬浮轴承技术的基本原理是利用定子铁芯与转子铁芯之间的磁场力来实现转轴的无接触支承。由于定、转子之间没有机械接触，磁悬浮轴承具有以下优点：

1.能够承受极高的转速。采用磁悬浮轴承支承的转轴可以在超临界、每分钟数十万转的工况下运行，其圆周速度只受转轴材料强度的限制。通常来说，在轴颈直径相同的情况下，采用磁悬浮轴承支承的转轴能达到的转速比采用滚动轴承支承的转轴大约高2倍，比采用滑动轴承支承的转轴大约高3倍。德国FAG公司通过试验得出：滚动轴承的dn值，即轴承平均直径与主轴极限转速的乘积，约为2.5～3×106mm·r/min，滑动轴承的dn值约为0.8～2×106mm·r/min，磁悬浮轴承的dn值约为4～6×106mm·r/min。

2.摩擦功耗较小。在10000r/min时，磁悬浮轴承的功耗大约只有流体动压润滑支承的6％，只有滚动支承的17％，节能效果明显。

3.寿命长，维护成本低。由于磁悬浮轴承依靠磁场力悬浮转轴，定、转子之间无机械接触，因此不存在由磨擦、磨损和接触疲劳所带来的寿命问题，所以磁悬浮轴承的寿命与可靠性均远高于传统的机械轴承。

4.无需添加润滑剂。由于定、转子之间不存在机械摩擦，工作时不需要添加润滑剂，因此不存在润滑剂对环境所造成的污染问题，在禁止使用润滑剂和禁止污染的场合，如真空设备、超净无菌室等场合，磁悬浮轴承有着无可比拟的优势。

根据磁场建立方式的不同，磁悬浮轴承可分为永磁型、电磁偏置型和永磁偏置型三种类型。

永磁型磁悬浮轴承主要利用磁性材料之间固有的斥力或吸力(如永磁材料之间，永磁材料与软磁材料之间)来实现转轴的悬浮，其结构简单，能量损耗少，但刚度和阻尼也都比较小。

电磁偏置型磁悬浮轴承由通入直流电的偏磁绕组在气隙中建立偏置磁场，由通入大小和方向都受到实时控制的交变电流的控制绕组来在气隙中建立控制磁场，这两个磁场在气隙中的叠加和抵消产生了大小和方向都可以主动控制的磁场吸力，从而实现了转子的稳定悬浮，这种类型的磁悬浮轴承刚度大，可以精密控制，但产生单位承载力所需的体积、重量和功耗也都比较大。

永磁偏置型磁悬浮轴承采用永磁材料替代偏磁线圈来产生所需的偏置磁场，能够较大程度地降低磁悬浮轴承的能量损耗，随着磁悬浮轴承技术在航空航天、能量存储以及能量转换等领域的广泛应用，对磁悬浮轴承的功耗、体积、性能等方面提出了越来越高的要求，永磁偏置型磁悬浮轴承的特点使它在这些领域有着不可替代的优势，永磁偏置型磁悬浮轴承技术也成为磁悬浮轴承技术研究与发展的一个重要方向。

目前现有技术中的轴向磁悬浮轴承存在下述不足之处：

1、中国专利申请号200510011272.2给出的一种永磁偏置轴向磁轴承，其漏磁较大，利用率不高；

2、中国专利申请号200910030777.1给出的永磁体位于转子上的混合型轴向磁轴承，其内外轴向定子磁极和半径差别较大，导致漏磁系数差别较大，很难保证轴向气隙中偏置磁场相同；

3、中国专利申请号200710098751.1给出的一种具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承，其漏磁较大，利用率不高；

4、中国专利申请号201120216533.5给出的一种新型永磁偏置型轴向磁悬浮轴承，其结构较复杂，体积较大，能耗较大。

发明内容

本发明的目的在于提出一种更为结构简单，体积小，重量轻，能耗少的永磁偏置型轴向磁悬浮轴承。

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：

一种新型永磁偏置轴向磁悬浮轴承，包括定子套筒A、定子套筒B、永磁体环、定子圆盘A、定子圆盘B、定子圆盘C、定子圆盘D、控制绕组A、控制绕组B、主轴和转子铁芯；

永磁体环设置在定子套筒A和定子套筒B之间，连接定子套筒A和定子套筒B；所述定子套筒A、定子套筒B和永磁体环的截面厚度均相等；

定子圆盘A和定子圆盘B分别设置在定子套筒A内壁的两端；控制绕组A设置在定子圆盘A和定子圆盘B之间；

定子圆盘C和定子圆盘D分别设置在定子套筒B内壁的两端；控制绕组B设置在定子圆盘C和定子圆盘D之间；

所述定子圆盘A的端面和定子圆盘D的端面之间连同控制绕组A的内壁、控制绕组B的内壁、定子圆盘B的内壁以及定子圆盘C的内壁之间形成一个空气腔；

转子铁芯装在主轴上，且跟随主轴转动；主轴同时贯穿过定子圆盘A、定子圆盘B、定子圆盘C、定子圆盘D、控制绕组A和控制绕组B，且使得转子铁芯位于前述空气腔内；

所述转子铁芯的外表面与控制绕组A的内壁之间、转子铁芯的外表面与控制绕组B的内壁之间均留有第五气隙；

所述转子铁芯的外表面与定子圆盘B的内壁、转子铁芯的外表面与定子圆盘C的内壁之间均留有第一气隙；

所述转子铁芯的左端面与定子圆盘A之间留有第二气隙；所述转子铁芯的右端面与定子圆盘D之间留有第三气隙；

所述定子圆盘A的内壁与主轴的外表面之间、定子圆盘D的内壁与主轴的外表面之间均留有第四气隙。

本发明中所述第一气隙、第二气隙和第三气隙的宽度为0.3-1.5mm。本发明中的第一气隙、第二气隙和第三气隙作用主要是作为磁场能量存储的介质，其宽度优选0.3-1.5mm。

本发明中所述第四气隙和第五气隙的宽度为1-3mm。本发明中的第四气隙和第五气隙作用主要是防止相关部件产生接触，其宽度优选1-3mm。

本发明中所述永磁体环的宽度为1-3mm。本发明中永磁体环的主要作用是在磁悬浮轴承中建立静态的偏置磁场。

本发明优点：本发明利用永磁体在气隙中建立偏置磁场，利用定子圆盘和转子铁芯之间的相互作用实现转子在轴向的稳定悬浮。

1、本发明专利与中国专利申请号200510011272.2给出的一种永磁偏置轴向磁轴承，相比：本发明中总的气隙长度较小，具有较少的漏磁。

2、本发明专利与中国专利申请号200910030777.1给出的永磁体位于转子上的混合型轴向磁轴承，相比：本发明中定子磁极的形状和大小相同，能够保证所有气隙中的偏置磁场相同。

3、本发明专利与中国专利申请号200710098751.1给出的一种具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承，相比：本发明中总的气隙长度较小，具有较少的漏磁。

4、本发明专利与中国专利申请号201120216533.5给出的一种新型永磁偏置型轴向磁悬浮轴承，相比本发明中只有一个转子铁心，具有比较简单的结构。

综上所述：相对于以上同类型的轴向磁悬浮轴承专利，本专利克服了以上所列举的缺点，结构更为紧凑，体积更小，能量损耗更小，是一个新型可靠的结构，具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

其中，1、定子圆盘A，2、转子铁芯，3、主轴，4、定子圆盘B，5、控制绕组A，6、定子套筒A，7、定子套筒B，8、控制绕组B，9、定子圆盘C，10、定子圆盘D，11、永磁体环，12、第一气隙，13、第二气隙，14、第三气隙，15、第四气隙，16、第五气隙，17、空气腔。

具体实施方式

为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图1和具体实施方式做进一步的描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明优选实施例如下：

如图1所示，本发明的新型永磁偏置轴向磁悬浮轴承，包括定子圆盘A1、转子铁芯2、主轴3、定子圆盘B4、控制绕组A5、定子套筒A6、定子套筒B7、控制绕组B8、定子圆盘C9、定子圆盘D10，永磁体环11。

永磁体环11设置在定子套筒A6和定子套筒B7之间，连接定子套筒A6和定子套筒B7；所述定子套筒A6、定子套筒B和永磁体环11的截面厚度均相等；

定子圆盘A1和定子圆盘B4分别设置在定子套筒A6内壁的两端；控制绕组A5设置在定子圆盘A1和定子圆盘B4之间；

定子圆盘C9和定子圆盘D10分别设置在定子套筒B7内壁的两端；控制绕组B8设置在定子圆盘C9和定子圆盘D10之间；

所述定子圆盘A1的端面和定子圆盘D10的端面之间连同控制绕组A5的内壁、控制绕组B8的内壁、定子圆盘B4的内壁以及定子圆盘C9的内壁之间形成一个空气腔17；

转子铁芯2装在主轴3上，且跟随主轴3转动；主轴3同时贯穿过定子圆盘A1、定子圆盘B4、定子圆盘C9、定子圆盘D10、控制绕组A5和控制绕组B8，且使得转子铁芯2位于前述空气腔17内；

所述转子铁芯2的外表面与控制绕组A5的内壁之间、转子铁芯2的外表面与控制绕组B8的内壁之间均留有第五气隙16；

所述转子铁芯2的外表面与定子圆盘B4的内壁、转子铁芯2的外表面与定子圆盘C9的内壁之间均留有第一气隙12；

所述转子铁芯2的左端面与定子圆盘A1之间留有第二气隙13；所述转子铁芯2的右端面与定子圆盘D7之间留有第三气隙14；

所述定子圆盘A1的内壁与主轴3的外表面之间、定子圆盘D10的内壁与主轴3的外表面之间均留有第四气隙15。

本发明中所述第一气隙12、第二气隙13和第三气隙14的宽度为0.3-1.5mm。本发明中的第一气隙12、第二气隙13和第三气隙14作用主要是作为磁场能量存储的介质，其宽度优选0.3-1.5mm。

本发明中所述第四气隙15和第五气隙16的宽度为1-3mm。本发明中的第四气隙15和第五气隙16作用主要是防止相关部件产生接触，其宽度优选1-3mm。

本发明利用永磁体11在定子圆盘A1右端面与转子铁芯2左端面之间的第二气隙13，定子圆盘B4内壁与转子铁芯2外表面之间、定子圆盘C9内壁与转子铁芯2外表面之间的第一气隙12，定子圆盘D10左端面与转子铁芯2右端面之间的第三气隙14中建立偏置磁场；

利用控制绕组A5在定子圆盘A1右端面与转子铁芯2左端面之间的第二气隙13，定子圆盘B4内壁与转子铁芯2外表面之间的第一气隙12中建立控制磁场；利用控制绕组B9在定子圆盘C9内壁与转子铁芯2外表面之间的第一气隙12、定子圆盘D10左端面与转子铁芯2右端面之间的第三气隙14中建立控制磁场；利用定子圆盘A1、定子圆盘B4与转子铁芯2之间的相互作用，定子圆盘C9、定子圆盘D10与转子铁芯2之间的相互作用实现主轴3轴向自由度的主动悬浮。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种新型永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于：包括定子套筒A(6)、定子套筒B(7)、永磁体环(11)、定子圆盘A(1)、定子圆盘B(4)、定子圆盘C(9)、定子圆盘D(10)、控制绕组A(5)、控制绕组B(8)、主轴(3)和转子铁芯(2)；

永磁体环(11)设置在定子套筒A(6)和定子套筒B(7)之间，连接定子套筒A(6)和定子套筒B(7)；所述定子套筒A(6)、定子套筒B(7)和永磁体环(11)的截面厚度均相等；

定子圆盘A(1)和定子圆盘B(4)分别设置在定子套筒A(6)内壁的两端；控制绕组A(5)设置在定子圆盘A(1)和定子圆盘B(4)之间；

定子圆盘C(9)和定子圆盘D(10)分别设置在定子套筒B(7)内壁的两端；控制绕组B(8)设置在定子圆盘C(9)和定子圆盘D(10)之间；

所述定子圆盘A(1)的端面和定子圆盘D(10)的端面之间连同控制绕组A(5)的内壁、控制绕组B(8)的内壁、定子圆盘B(4)的内壁以及定子圆盘C(9)的内壁之间形成一个空气腔(17)；

转子铁芯(2)装在主轴(3)上，且跟随主轴(3)转动；主轴(3)同时贯穿过定子圆盘A(1)、定子圆盘B(4)、定子圆盘C(9)、定子圆盘D(10)、控制绕组A(5)和控制绕组B(8)，且使得转子铁芯(2)位于前述空气腔(17)内；

所述转子铁芯(2)的外表面与控制绕组A(5)的内壁之间、转子铁芯(2)的外表面与控制绕组B(8)的内壁之间均留有第五气隙(16)；

所述转子铁芯(2)的外表面与定子圆盘B(4)的内壁、转子铁芯(2)的外表面与定子圆盘C(9)的内壁之间均留有第一气隙(12)；

所述转子铁芯(2)的左端面与定子圆盘A(1)之间留有第二气隙(13)；所述转子铁芯(2)的右端面与定子圆盘D(7)之间留有第三气隙(14)；

所述定子圆盘A(1)的内壁与主轴(3)的外表面之间、定子圆盘D(10)的内壁与主轴(3)的外表面之间均留有第四气隙(15)；

所述第一气隙(12)、第二气隙(13)和第三气隙(14)的宽度为0.3-1.5mm；所述第四气隙(15)和第五气隙(16)的宽度为1-3mm；所述永磁体环(11)的宽度为1-3mm。