CN103925291A

CN103925291A - 一种永磁偏置混合轴向磁轴承

Info

Publication number: CN103925291A
Application number: CN201410112880.1A
Authority: CN
Inventors: 王东; 苏振中; 吴磊涛; 张贤彪; 王抗; 易新强; 林楠
Original assignee: Naval University of Engineering PLA
Current assignee: Naval University of Engineering PLA
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2034-03-25
Also published as: CN103925291B

Abstract

本发明公开一种永磁偏置混合轴向磁轴承，包括转子组件和定子组件，所述转子组件包括转轴及转子双推力盘；所述定子组件包括定子外壳、上定子端板、上永磁体、定子中心板、下永磁体、下定子端板、定子励磁线圈；所述上定子端板和下定子端板分别与转子双推力盘的外端面构成外上气隙和外下气隙，所述定子中心板与转子双推力盘的内端面构成内上气隙和内下气隙；所述上永磁体和下永磁体轴向充磁，且充磁方向相反。在所述内外气隙内产生永磁偏置磁场，定子励磁线圈产生的磁场可以对永磁偏置磁场进行调节；所述磁轴承结构坚固可靠、可应用于高速运行场合、具有高能量密度，适用于大功率大承载力的高速系统。

Description

一种永磁偏置混合轴向磁轴承

技术领域

本发明属于磁悬浮技术领域，更具体地，涉及一种低待机损耗的永磁偏置混合轴向磁轴承；可应用于飞轮储能系统、电主轴、卫星反作用轮等低损耗的高速场合。

背景技术

轴向磁轴承是利用定、转子之间磁力使二者互不接触，达到控制转子轴向单个自由度运动的高性能新型轴承，可按照磁力提供方式将轴向磁轴承分为三类：纯永磁轴向轴承、纯电励磁轴向轴承和永磁偏置混合轴向轴承。其中纯永磁轴向轴承损耗低，结构简单，但刚度小，轴承状态不可控，不适合大承载力高速场合；纯电励磁轴向轴承状态可控，刚度较大，但由于电励磁提供偏置磁场，待机损耗大；永磁偏置混合轴向轴承综合了二者的优点，充分利用永磁体提供的偏置磁场，待机损耗小，状态可控，是未来轴向磁轴承的发展主流。

目前混合轴向轴承的结构存在一些不足：有些采用转子单推力盘结构，将线圈置于定子槽内，永磁体放在转子的推力盘上，虽然简化了磁路模型，但是增加了安装工艺的难度，且永磁体质地较脆的特性限制了这种结构在高速场合的应用；有些采用转子双推力盘结构，永磁体置于定子铁心内，线圈嵌入转子双推力盘之间，这种结构线圈安装困难，不适用于高速场合；有些结构将永磁体和线圈同时置于定子铁心内，安装简单，但电励磁磁路穿过永磁体，造成运行过程中电励磁磁场对永磁体反复冲退磁，缩短了永磁体的寿命，降低了系统的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构坚固可靠、可高速运行、待机损耗小且能提供永磁卸载力的永磁偏置混合轴向磁轴承。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种永磁偏置混合轴向磁轴承，包括转子组件和定子组件，所述转子组件包括转轴及套装在转轴上的转子双推力盘；所述定子组件包括定子外壳、上定子端板、下定子端板、设置在上定子端板和下定子端板中间的定子中心板、位于定子中心板与上定子端板之间的上永磁体及位于定子中心板与下定子端板之间的下永磁体，以及位于定子外壳与上定子端板、定子中心板及下定子端板围合形成空间内的定子励磁线圈；所述上定子端板和下定子端板分别与转子双推力盘的外端面构成外上气隙和外下气隙，所述定子中心板与转子双推力盘的内端面构成内上气隙和内下气隙；所述上永磁体和下永磁体轴向充磁，且充磁方向相反。

优选地，所述转子双推力盘的两个推力盘的外径相等，为轴对称结构。

优选地，所述转子双推力盘采用软磁材料。

优选地，所述外上气隙与外下气隙大小相等，所述内下气隙的大小小于内上气隙的大小。

优选地，所述上永磁体和下永磁体采用的是相同的环形永磁体；所述上永磁体距定子中心板和上定子端板的端面距离为其自身高度的一倍以上，所述下永磁体距定子中心板和下定子端板的端面距离为其自身高度的一倍以上。

优选地，所述定子组件内的定子励磁线圈进行灌胶处理。

进一步地，所述定子外壳采用软磁材料。

本发明的工作原理是：由上、下永磁体提供混合轴向磁轴承的偏置磁场，由定子励磁线圈来实现控制所需要的磁场调节。上、下永磁体的磁通路径主要有三条，第一条为上永磁体N极→上定子端板→外上气隙→转子双推力盘→内上气隙→定子中心板→上永磁体S极，第二条是上永磁体N极→上定子端板→外上气隙→转子双推力盘→内下气隙→定子中心板→上永磁体S极，另一条是下永磁体N极→下定子端板→外下气隙→转子推力盘→内下气隙→定子中心板→下永磁体S极。定子励磁线圈产生的电励磁磁通路径为上定子端板→外上气隙→转子双推力盘→外下气隙→下定子端板→定子外壳。永磁体和定子励磁线圈产生的磁场在外上气隙和外下气隙中叠加或抵消，共同作用在转子双推力盘上产生承载力。

定子组件内定子励磁线圈的电流方向可以双向调节，当励磁电流为正时，沿转子双推力盘分布的电励磁磁场方向向上，分别在外上气隙、外下气隙处叠加，外上气隙磁场增强，外下气隙磁场削弱，导致抵消重力后的承载力向上；同理，当定子励磁线圈的电流为负时，抵消重力后的承载力向下。

本发明与现有永磁偏置混合轴向磁轴承相比，具有以下特点：

(1)永磁体位于定子组件内，转子转速对其影响小，特别适合应用于高速场合；

(2)电励磁磁路不经过永磁体，不存在附加气隙，所需电励磁磁动势小，电励磁效率高；调节励磁电流不会引起永磁体的不可逆失磁，可靠性高；

(3)通过转子双推力盘的内上下气隙大小不同来提供抵消转子重力的磁场，有效减少了电励磁电流，降低了磁轴承待机损耗；

(4)电励磁磁路与提供永磁卸载力的永磁磁路完全解耦，有利于控制系统实现精确控制，提供了系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明永磁偏置混合轴向磁轴承的结构示意图；

图2为本发明实施例的永磁磁路示意图；

图3为本发明实施例的电励磁磁路示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1.1—上气隙、1.2—内上气隙、1.3—内下气隙、1.4—外下气隙、10—转轴、11—转子双推力盘、12—上定子端板、13—下定子端板、14—上永磁体、15—下永磁体、16—定子中心板、17—定子励磁线圈、18—定子外壳。

具体实施方式

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。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示的一种永磁偏置混合轴向磁轴承，包括转子组件和定子组件。转子组件包括转轴10及套装在转轴10上的转子双推力盘11；转子双推力盘11的两个推力盘的外径相等，为轴对称结构；转子双推力盘11由于受转速影响可根据实际进行选择，高速场合需采用高强度的软磁材料，强度的大小则需要根据实际应用计算而定，而转轴采用高强度钢。

定子组件均采用高导磁性能的电工纯铁材料，包括定子外壳18、上定子端板12、下定子端板13、设置在上定子端板12和下定子端板13中间的定子中心板16、位于定子中心板16与上定子端板12之间的上永磁体14及位于定子中心板16与下定子端板13之间的下永磁体15，以及位于定子外壳18与上定子端板12、定子中心板16及下定子端板13围合形成空间内的定子励磁线圈17。上、下永磁体14、15位于定子中心板16和上、下定子端板12、13之间，与转子双推力盘11一起构成永磁磁路，定子励磁线圈17位于定子外壳18与上、下定子端板12、13、定子中心板16之间，与转子双推力盘11构成电励磁磁路。上定子端板12和下定子端板13分别与转子双推力盘11的外端面构成外上气隙1.1和外下气隙1.4，定子中心板16与转子双推力盘11的内端面构成内上气隙1.2和内下气隙1.3；本实施例中，外上气隙1.1与外下气隙1.4大小相等，为系统提供偏置磁场，内下气隙1.3的大小小于内上气隙1.2的大小，使得转子双推力盘11产生抵消重力的卸载力。

本实施例中，上永磁体14和下永磁体15采用的是相同的环形永磁体；上永磁体14距定子中心板16和上定子端板12的端面距离为其自身高度的一倍以上，下永磁体15距定子中心板16和下定子端板13的端面距离为其自身高度的一倍以上，并且上永磁体14和下永磁体15轴向充磁，且充磁方向相反，在内外气隙1.1、1.2、1.3、1.4内产生永磁偏置磁场，可形成三条回路，如图2所示：内上气隙1.2、内下气隙1.3大小不一样，在本实施例中，内上气隙1.2取1.5mm，内下气隙1.3取0.5mm，因此上永磁体14形成两条回路，分别经过内上气隙1.2、内下气隙1.3且在内下气隙1.3处的磁密要大于内上气隙1.2，同时下永磁体15也通过内下气隙1.3形成回路，内下气隙1.3处的磁密远大于内上气隙1.2处的磁密（10倍以上），因此转子双推力盘11可以提供抵消转子重力的卸载力。

本发明实施例电励磁磁路如图3所示。定子组件内的定子励磁线圈17产生的电励磁磁场可以对永磁偏置磁场进行调节，定子励磁线圈17的电流方向可以双向调节，这里取励磁电流为正时的状态，电励磁磁路沿转子双推力盘11磁场方向向上，先后穿过外上气隙1.1、外下气隙1.4，通过定子外壳18形成回路。此时电励磁和永磁回路分别在外上气隙1.1、外下气隙1.4处叠加，外上气隙1.1磁场增强，外下气隙1.4磁场削弱，导致抵消重力后的承载力合力向上；同理，当定子励磁线圈17的电流为负时，抵消重力后的承载力合力向下。

本实施例中定子外壳采用软磁材料，定子组件内的定子励磁线圈进行灌胶处理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种永磁偏置混合轴向磁轴承，包括转子组件和定子组件，其特征在于，所述转子组件包括转轴（10）及套装在转轴（10）上的转子双推力盘（11）；所述定子组件包括定子外壳（18）、上定子端板（12）、下定子端板（13）、设置在上定子端板（12）和下定子端板（13）中间的定子中心板（16）、位于定子中心板（16）与上定子端板（12）之间的上永磁体（14）及位于定子中心板（16）与下定子端板（13）之间的下永磁体（15），以及位于定子外壳（18）与上定子端板（12）、定子中心板（16）及下定子端板（13）围合形成空间内的定子励磁线圈（17）；所述上定子端板（12）和下定子端板（13）分别与转子双推力盘（11）的外端面构成外上气隙（1.1）和外下气隙（1.4），所述定子中心板（16）与转子双推力盘（11）的内端面构成内上气隙（1.2）和内下气隙（1.3）；所述上永磁体（14）和下永磁体（15）轴向充磁，且充磁方向相反。

2.根据权利要求1所述的永磁偏置混合轴向磁轴承，其特征在于，所述转子双推力盘（11）的两个推力盘的外径相等，为轴对称结构。

3.根据权利要求1或2所述的永磁偏置混合轴向磁轴承，其特征在于，所述转子双推力盘（11）采用软磁材料。

4.根据权利要求1所述的永磁偏置混合轴向磁轴承，其特征在于，所述外上气隙（1.1）与外下气隙（1.4）大小相等，所述内下气隙（1.3）的大小小于内上气隙（1.2）的大小。

5.根据权利要求1所述的永磁偏置混合轴向磁轴承，其特征在于，所述上永磁体（14）和下永磁体（15）采用的是相同的环形永磁体；所述上永磁体（14）距定子中心板（16）和上定子端板（12）的端面距离为其自身高度的一倍以上，所述下永磁体（15）距定子中心板（16）和下定子端板（13）的端面距离为其自身高度的一倍以上。

6.根据权利要求1所述的永磁偏置混合轴向磁轴承，其特征在于，所述定子组件内的定子励磁线圈（17）进行灌胶处理。