CN103925292A - 一种永磁偏置混合径向磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种永磁偏置混合径向磁轴承，包括转子组件和定子组件，所述定子组件包括两个定子铁心，每个定子铁心磁极极靴位置布置一导磁块，导磁块之间嵌入有永磁体，每个定子铁心的径向槽内分布有缠绕各个磁极的绕组线圈；所述转子组件包括转轴、设置在与定子铁心对应位置的转子铁心、布置在转子铁心轴向位置之间的导磁环；导磁块与转子铁心之间留有工作气隙。定子铁心的每个磁极对应的永磁体大小相同，通过工作气隙向径向各个方向提供相同的偏置力；各绕组线圈产生的电磁场与永磁体产生的永磁偏置磁场相互抵消或叠加，可以对径向各方向提供承载力。该永磁偏置混合径向磁轴承结构简单、可高速运行、损耗低，特别适用于大承载力大容量的高速系统。

Description

一种永磁偏置混合径向磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非接触高性能的磁悬浮轴承，更具体地，涉及一种大承载力、低损耗的永磁偏置混合径向磁轴承。

背景技术

主动式磁悬浮轴承有两大类：纯电励磁磁轴承和永磁偏置混合磁轴承，前者采用电励磁磁场作为偏置磁场，待机损耗大；混合磁轴承的永磁体提供偏置磁场，电励磁进行调节控制，降低控制电流，减小待机损耗，是目前磁悬浮轴承主要的研究方向。但是目前的混合偏置磁轴承结构在一定程度上存在不足：有些结构电磁磁路穿过永磁体，不仅需要较大的励磁电流，功耗较大，而且对永磁体反复充退磁，降低了永磁体的可靠性；有些结构永磁磁路与硅钢片叠压方向相同，在铁心部分损失较大的磁动势，浪费永磁体且不易提高轴承刚度；有些结构为了将永磁磁路和电励磁磁路解耦，在永磁体位置采用辅助气隙，若辅助气隙过大，则电励磁在辅助气隙处损失较大，若辅助气隙小，则永磁体漏磁严重，位移刚度线性度差；有些结构各向磁极大小不对称，承载力方向存在各向异性，无法适用于转子卧、立两用的系统。

发明内容

本发明的目的在于针对现有结构存在的缺陷，提供一种结构简单、可高速运行、无辅助气隙并具有大承载力、低损耗的永磁偏置混合径向磁轴承。

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径向磁轴承，包括转子组件和定子组件，所述定子组件包括两个定子铁心，每个定子铁心磁极极靴位置布置一导磁块，导磁块之间嵌入有永磁体，每个定子铁心的径向槽内分布有缠绕各个磁极的绕组线圈；所述转子组件包括转轴、设置在与定子铁心对应位置的转子铁心、布置在转子铁心轴向位置之间的导磁环；所述导磁块与转子铁心之间留有工作气隙。

优选地，所述导磁块为圆弧，同样地，所述永磁体为圆弧状。

优选地，所述永磁体充磁方式采用轴向充磁，且定子铁心的每个磁极对应的永磁体大小相同、充磁方向相同。

优选地，所述导磁环的截面积等于所述转轴的截面积。

优选地，所述工作气隙的大小在1mm以下。

优选地，所述每个定子铁心的磁极数目为四个、八个或十六个，且每个磁极的形状相同。

优选地，所述每个定子铁心的磁极数目为四个，且每个磁极的形状相同。

优选地，缠绕在所述定子铁心磁极上的绕组线圈进行灌胶处理。

优选地，所述定子铁心和转子铁心均由硅钢片沿轴向叠置而成，厚度为0.2mm、0.35mm或0.5mm。

优选地，所述导磁块和导磁环的材料均为电工纯铁；所述转轴的材料为导磁钢。

本发明的工作原理是：由永磁体提供磁轴承悬浮的偏置磁场，由绕组线圈产生需要的控制磁场。永磁体的磁通路径为永磁体N极→导磁块→工作气隙→转子铁心→转轴、导磁环→转子铁心→工作气隙→导磁块→永磁体S极。绕组线圈产生的电励磁磁通路径为定子铁心极1→导磁块→工作气隙→转子铁心→工作气隙→定子铁心极2→定子铁心磁轭→定子铁心极1。永磁体和绕组线圈产生的磁场在气隙中叠加或抵消，共同作用在转子组件上产生承载力。

磁轴承径向剖面的X轴或Y轴正负方向对应绕组线圈的瞬时电流方向相同，可以产生双向电励磁磁场，对偏置磁场调节。以径向剖面的X轴气隙磁场为例，当励磁电流为正时，X轴正向气隙处电励磁磁场和永磁磁场方向相同，叠加后气隙磁场增强，X轴负向气隙处电励磁磁场和永磁磁场方向相反，叠加后气隙磁场减弱；当励磁电流为负时，磁场叠加效果相反。

本发明与现有永磁偏置混合磁轴承相比，具有以下特点：

（1）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，提高系统可靠性；电励磁和永磁磁路解耦，有利于控制系统设计；

（2）永磁体为圆弧状，分块放置，便于加工和安装；

（3）由导磁钢制成的转轴解决了硅钢片叠压而成的铁心轴向磁阻过大的问题，同时由于转轴的磁导率小于硅钢片，电励磁磁路与永磁磁路在转子铁心处开始解耦，转子组件部分导磁环的设置有效缓解了转轴磁密较大的问题，有助于减小转轴外径，提高转速；

（4）磁轴承整体结构对称，径向各个方向均能满足承载力要求，不仅能够满足卧式系统承载转子重力的要求，也可应用于立式系统，满足不同应用场合的工程要求。

附图说明

图1为本发明永磁偏置混合径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为本发明实施例的一个定子铁心径向剖面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：2.1—工作气隙、20—转轴、21—转子铁心、22—导磁环、23—定子铁心、24—导磁块、25—永磁体、26—绕组线圈。

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所示一种永磁偏置混合径向磁轴承，包括转子组件和定子组件。定子组件包括两个定子铁心23，每个定子铁心23磁极极靴位置布置一导磁块24，导磁块24之间嵌入有永磁体25，本实施例中导磁块24的材料为高导磁率低导电率的电工纯铁，为圆弧，而永磁体25也同样为圆弧状，每个定子铁心23的径向槽内分布有缠绕各个磁极的绕组线圈26。

转子组件包括转轴20、设置在与定子铁心23对应位置的转子铁心21、布置在转子铁心21轴向位置之间的导磁环22，导磁环22材料为高导磁低导电的电工纯铁；导磁块24与转子铁心21之间留有工作气隙2.1；而永磁体25充磁方式采用轴向充磁，且定子铁心的每个磁极对应的永磁体25大小相同、充磁方向相同，通过转子铁心21和转轴20实现永磁磁路导通。

通常情况下，每个定子铁心21的磁极数目可以为四个、八个或十六个，且每个磁极的形状相同，本实施例中每个定子铁心21的磁极数目为四个，因此，永磁体有四个，两个定子铁心共有八个绕组线圈26，同向两个绕组线圈26作为一组，一共四组，对应四个方向。导磁环22的截面积取决于转轴磁密饱和程度，本实施例中导磁环22的截面积等于转轴的截面积，并且转子组件的每个部件内外表面均为光滑曲面。

在本实施例中，永磁磁路采用轴向磁路，如图2所示，定子极靴由导磁块24构成，作为永磁体和电励磁磁路的延伸，有效减小永磁磁路的磁阻，永磁体25嵌入其中；为了便于装配和考虑实际加工工艺，永磁体25形状不再设置为圆环状，而是圆弧状；导磁块24和转子铁心21之间是工作气隙2.1，为了保证磁轴承能提供较大的承载力，工作气隙2.1必须在1mm以下，本实施例采用0.5mm；从减少组件数目和提高空间利用率的角度考虑，转轴20采用高强度高磁导率的导磁钢，本实施例采用25Cr2Ni4Mov，等同于非导磁转轴外套导磁环结构，更加紧凑；转轴20是各个工作气隙的永磁磁路共用的组件，但是其外径受到强度的限制，因此在其中间设置导磁环防止转轴磁密饱和。四个永磁体25大小相等，充磁方向相同，产生的偏置磁场相等，具有较好的对称性。

本发明的转子铁心21和定子铁心23由硅钢片沿轴向叠置而成，厚度为0.2mm、0.35mm或0.5mm，电励磁磁路径向分布。因此，图3选取单个定子铁心23径向剖面作为电励磁磁路分布的示例。绕组线圈26分为四组，分别绕在定子铁心23的四个磁极上，受功率放大器控制，进行灌胶处理以便于固定和散热；以x轴为例，其正负方向的电励磁方向相同，磁场方向可正可负，由于永磁磁场方向全部是指向圆心，因此二者在气隙处叠加或者抵消；y轴原理相同，在此不再赘述。

本发明中的永磁偏置混合径向磁轴承在具体应用中应成对使用。

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 (10)

1.一种永磁偏置混合径向磁轴承，包括转子组件和定子组件，其特征在于，所述定子组件包括两个定子铁心（23），每个定子铁心（23）磁极极靴位置布置一导磁块（24），导磁块（24）之间嵌入有永磁体（25），每个定子铁心（23）的径向槽内分布有缠绕各个磁极的绕组线圈（26）；所述转子组件包括转轴（20）、设置在与定子铁心（23）对应位置的转子铁心（21）、布置在转子铁心（21）轴向位置之间的导磁环（22）；所述导磁块（24）与转子铁心（21）之间留有工作气隙（2.1）。

2.根据权利要求1所述的永磁偏置混合径向磁轴承，其特征在于，所述导磁块（24）为圆弧，所述永磁体（25）为圆弧状。

3.根据权利要求1或2所述的永磁偏置混合径向磁轴承，其特征在于，所述永磁体（25）充磁方式采用轴向充磁，且定子铁心（23）的每个磁极对应的永磁体（25）大小相同、充磁方向相同。

4.根据权利要求1所述的永磁偏置混合径向磁轴承，其特征在于，所述导磁环（22）的截面积等于所述转轴（20）的截面积。

5.根据权利要求1所述的永磁偏置混合径向磁轴承，其特征在于，所述工作气隙（2.1）的大小在1mm以下。

6.根据权利要求1所述的永磁偏置混合径向磁轴承，其特征在于，所述每个定子铁心（23）的磁极数目为四个、八个或十六个，且每个磁极的形状相同。

7.根据权利要求1或6所述的永磁偏置混合径向磁轴承，其特征在于，所述每个定子铁心（23）的磁极数目为四个，且每个磁极的形状相同。

8.根据权利要求1所述的永磁偏置混合径向磁轴承，其特征在于，缠绕在所述定子铁心（23）磁极上的绕组线圈（26）进行灌胶处理。

9.根据权利要求1所述的永磁偏置混合径向磁轴承，其特征在于，所述定子铁心（23）和转子铁心（21）均由硅钢片沿轴向叠置而成，厚度为0.2mm、0.35mm或0.5mm。

10.根据权利要求1所述的永磁偏置混合径向磁轴承，其特征在于，所述导磁块（24）和导磁环（22）的材料均为电工纯铁；所述转轴（20）的材料为导磁钢。