CN104019130B - 一种可调刚度径向永磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调刚度径向永磁轴承，包括：定子、定子永磁磁环、定子磁环调节装置、转子、转子永磁磁环；在定子和转子的内周面相对应位置处分别设置数量相同的定子永磁磁环和转子永磁磁环；所述定子永磁磁环上连接有用于调节定子磁环轴向间距的定子磁环调节装置，所述定子永磁磁环与转子永磁磁环之间留有用于形成径向气隙的间隙。本发明有益效果：与传统径向永磁轴承相比，当转子处于某一位置时，可以通过调节定子磁环的轴向位置和轴向间距，调节定子转子之间径向力和径向悬浮刚度，传统径向永磁轴承无法调节。

Description

一种可调刚度径向永磁轴承

技术领域

本发明涉及一种轴承，尤其涉及一种可调刚度径向永磁轴承。

背景技术

磁轴承的理论研究最早从永磁轴承开始，Earnshaw等人发现，仅由永磁轴承不能实现所有自由度的稳定悬浮。Yonnet等提出了多种结构的径向和轴向永磁轴承，并建立模型对其承载力和刚度进行了计算。Dellinger，谭庆昌等人利用等效磁荷法，对轴向磁化的径向永磁轴承进行了数学建模和求解。田录林等人利用磁路模型和虚位移法对多种永磁轴承的刚度和承载力进行了计算。以上研究都集中在求解永磁轴承的承载力和刚度与永磁体尺寸、悬浮间隙之间的关系，刚度由系统的结构参数决定，一旦设计加工完成后，无法进行调节，缺乏可调刚度永磁轴承的理论与应用研究。

径向永磁磁悬浮轴承利用永磁体之间的磁力，实现转子悬浮于径向设定位置。目前的径向永磁轴承多采用双环状，或者多环状结构，转子部分由一个或者多个磁环轴向并排装配，定子部分也由一个或者多个磁环轴向并排装配，两者无物理接触。当转子在径向偏移平衡位置时，定子磁环对转子磁环会产生一个指向平衡位置的径向力，使转子回到平衡位置，从而实现径向的被动悬浮。刚度是表征径向永磁轴承特性的主要指标和参数。

永磁轴承在应用中常常要面临可变负载，因此刚度不可调节往往影响永磁轴承的被动悬浮特性。另外，刚度调节在高速旋转机械过临界转速和振动抑制方面都有重要的作用。传统永磁轴承刚度不可调，从而限制了永磁轴承的应用。实现永磁轴承刚度的调节，将拓宽永磁轴承的应用。

目前的径向永磁轴承的缺点是，刚度由系统的结构参数决定，具体包括永磁体的磁性能、结构尺寸、充磁方向等参数，一旦设计加工完成后，转子在空间某一位置时，径向永磁轴承的刚度是确定的，无法进行调节。

径向永磁轴承的刚度无法调节，会导致一系列的系统问题：

1)系统的支撑性能无法调节，无法适应可变负载。

2)系统的临界转速由刚度确定，当工作转速在临界转速附近时，将发生共振，导致系统不稳定。

3)与电磁轴承相比，不具备承载力可调、刚度可调的特性，限制了径向永磁轴承应用。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种可调刚度径向永磁轴承，该径向永磁轴承的刚度可以根据实际工程需求进行调节，能够适应不同负载的需要。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可调刚度径向永磁轴承，包括：定子、定子永磁磁环、定子磁环调节装置、转子、转子永磁磁环；

在定子和转子的内周面相对应位置处分别设置数量相同的定子永磁磁环和转子永磁磁环；

所述定子永磁磁环上连接有用于调节定子磁环轴向间距的定子磁环调节装置，定子磁环调节装置能够在外力下带动定子永磁磁环沿轴向移动，所述定子永磁磁环与转子永磁磁环之间留有用于形成径向气隙的间隙。

所述定子磁环调节装置一端设有用于与定子永磁磁环连接的连接头、另一端设有用于带动定子磁环调节装置旋转的旋转头，定子磁环调节装置的中间部分与定子接触的一面设有用于与定子进行配合连接的螺纹结构；所述旋转头位于定子外侧，由外部驱动装置驱动旋转，进而通过改变定子磁环调节装置旋进定子的距离控制定子磁环调节装置轴向位置的改变。

所述外部驱动装置驱动为外部步进电机，由电机控制定子磁环调节装置轴向位置的改变。

所述定子磁环调节装置由非磁性材料制成。

所述定子磁环调节装置与定子永磁磁环之间通过粘接或者机械配合方式紧固连接；定子磁环调节装置能够由外力驱动沿轴向移动。

所述转子设置在定子内部或者转子设置在定子外部。

所述定子永磁磁环由两个轴向充磁且充磁方向相对的定子磁环组成，每一个定子磁环均连接用于调节定子磁环轴向间距的定子磁环调节装置。

所述转子永磁磁环由两个轴向充磁且充磁方向相对的转子磁环组成。

所述定子永磁磁环和转子永磁磁环分别在定子和转子的内周面上均匀布置。

本发明的有益效果：

1)与传统径向永磁轴承相比，当转子处于某一位置时，可以通过调节定子磁环的轴向位置和轴向间距，调节定子转子之间径向力和径向悬浮刚度，传统径向永磁轴承无法调节。

2)本发明结构简单，传统的刚度可调的径向电磁轴承需要传感器、控制器、功率放大器等硬件，本发明省略的这些硬件。

3)本结构通过径向刚度调节，可以改变转子的临界转速，可以适应不同的工作环境。

附图说明

图1为可调刚度径向永磁轴承转子在内的结构示意图；

图2为定子磁环调节装置结构示意图；

图3为去除定子磁环调节装置的可调刚度径向永磁轴承径向剖视图；

图4为可调刚度径向永磁轴承转子在外的结构示意图；

图5为径向永磁轴承定子磁环单端调节时的刚度变化关系；

图6为径向永磁轴承定子磁环双端调节时的刚度变化关系。

其中，1.定子，2.定子永磁磁环，3.定子磁环调节装置，4.转子5.转子永磁磁环，6.螺纹结构，7.旋转头，8.连接头。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1，可调刚度的径向永磁磁悬浮轴承，该磁轴承为分装式，由静止部分和可动部分组成，静止部分与设备的固定部分相连，可动部分与设备的转动部分相连；静止部分包括定子1、定子永磁磁环2、定子磁环调节装置3；可动部分包括转子4、转子永磁磁环5。在定子部分中，定子永磁磁环2为轴向充磁，两个磁环的充磁方向相对，共同安装在定子1内周面上，轴向可以自由移动；定子磁环分别与定子磁环调节装置3连接，通过调节器的轴向移动，可以调节定子永磁磁环2间的轴向间距。在转子部分中，转子永磁磁环5由两个轴向充磁磁环组成，以同极相对的形式排列，并于定子永磁磁环2的排列方式相同，定子永磁磁环2与转子永磁磁环5间留有一定的间隙，形成径向永磁轴承的径向气隙。

如图2所示，定子磁环调节装置3包括：定子磁环调节装置3一端设有用于与定子永磁磁环2连接的连接头8、另一端设有用于带动定子磁环调节装置3旋转的旋转头7，定子磁环调节装置3的中间部分与定子1接触的一面设有用于与定子1进行配合连接的螺纹结构6；所述旋转头7位于定子外侧，由外部驱动装置驱动旋转，进而通过改变定子磁环调节装置3旋进定子的距离控制定子磁环调节装置3轴向位置的改变。

定子磁环调节装置3的作用是使定子永磁磁环2能够沿轴向运动，定子磁环调节装置3与定子永磁磁环2之间可以通过粘接、机械配合等方式紧固连接，定子磁环调节装置3由外力驱动沿轴向移动。驱动方式有多种，例如方式1：定子磁环调节装置3可以与定子1外壳之间可以螺纹连接，通过旋进达到改变定子磁环调节装置3和定子永磁磁环2的轴向位置的目的。方式2：定子磁环调节装置3可以与外部直线步进电机相连，由电机控制定子磁环调节装置3的轴向位置。

该径向永磁轴承的径向剖视图如图3所示，定子永磁磁环2和转子永磁磁环5分别在定子和转子的内周面上均匀布置。

图4所示为径向永磁轴承转子在外的结构示意图，转子设置在定子外部，定子永磁磁环2和转子永磁磁环5的设置方式不变，定子永磁磁环2分别与定子磁环调节装置3连接，通过调节器的轴向移动，可以调节定子永磁磁环2间的轴向间距。

径向永磁轴承工作原理：

当转子永磁磁环5处于径向中心位置时，定子永磁磁环2与转子永磁磁环5之间的径向力为零。当转子偏离径向中心位置时，定子永磁磁环2与转子永磁磁环5之间的径向斥力指向轴心方向，使转子回到平衡位置。

径向永磁轴承刚度调节原理：

径向永磁的刚度主要由定子永磁磁环2和转子永磁磁环5之间的磁斥力决定，而磁斥力通过定转子之间气隙处的磁场来实现。当需要调节磁轴承和刚度时，定子磁环调节装置3可以由外力驱动，沿轴向移动，带动定子永磁磁环2轴向移动，从而改变定转子气隙间的磁场分布和磁场强度，达到调节径向永磁轴承和刚度的效果。

调节方式有两种：一种是一端定子磁环调节装置3固定不动，另外一端定子磁环调节装置3轴向移动，这种调节方式的特点是，定子1部分只有一个移动机构，调节精度相对较高，在调节刚度的同时，轴向力会同时改变；另一种是两端的定子磁环调节装置3同时移动，这种调节方式的特点是可以保持轴向力不变。

通过有限元分析，得到了刚度可调径向永磁轴承的刚度随定子永磁磁环2轴向间距之间的关系。图5为对典型的径向永磁轴承轴，一端定子磁环调节装置3固定不动，另外一端定子磁环调节装置3轴向移动时，定子轴向间距与永磁轴承径向刚度之间的关系，可以看到，在整个调节过程中，径向刚度始终为正值，保持径向的稳定悬浮，随着轴向间距的增大，径向刚度先减小，到达最小值之后缓慢上升。

当定子磁环两端同时调节，并且两端调节量相同时，径向永磁轴承的刚度随轴向气隙增加而减小，直到为零，然后刚度变为负值，并随轴向轴向气隙增加，先增加后减小，如图6所示。因此当双端调节径向永磁轴承时，刚度除了数值上的变化，还可以由正值变为负值，由径向的稳定悬浮变为轴向的稳定悬浮。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种可调刚度径向永磁轴承，包括：定子、定子永磁磁环、定子磁环调节装置、转子、转子永磁磁环；其特征是，

在定子和转子的内周面相对应位置处分别设置数量相同的定子永磁磁环和转子永磁磁环；

所述定子永磁磁环上连接有用于调节定子磁环轴向间距的定子磁环调节装置，定子磁环调节装置能够在外力下带动定子永磁磁环沿轴向移动，所述定子永磁磁环与转子永磁磁环之间留有用于形成径向气隙的间隙；

所述定子永磁磁环由两个轴向充磁且充磁方向相对的定子磁环组成，每一个定子磁环均连接用于调节定子磁环轴向间距的定子磁环调节装置；

定子磁环的调节方式有两种：一种是一端定子磁环调节装置固定不动，另外一端定子磁环调节装置轴向移动，在调节刚度的同时，轴向力会同时改变；

另一种是两端的定子磁环调节装置同时移动，保持轴向力不变，径向永磁轴承的刚度能够由正值变为负值，由径向的稳定悬浮变为轴向的稳定悬浮。

2.如权利要求1所述的一种可调刚度径向永磁轴承，其特征是，所述定子磁环调节装置一端设有用于与定子永磁磁环连接的连接头、另一端设有用于带动定子磁环调节装置旋转的旋转头，定子磁环调节装置的中间部分与定子接触的一面设有用于与定子进行配合连接的螺纹结构；所述旋转头位于定子外侧，由外部驱动装置驱动旋转，进而通过改变定子磁环调节装置旋进定子的距离控制定子磁环调节装置轴向位置的改变。

3.如权利要求2所述的一种可调刚度径向永磁轴承，其特征是，所述外部驱动装置驱动为外部步进电机，由电机控制定子磁环调节装置轴向位置的改变。

4.如权利要求1所述的一种可调刚度径向永磁轴承，其特征是，所述定子磁环调节装置由非磁性材料制成。

5.如权利要求1所述的一种可调刚度径向永磁轴承，其特征是，所述定子磁环调节装置与定子永磁磁环之间通过粘接或者机械配合方式紧固连接；定子磁环调节装置能够由外力驱动沿轴向移动。

6.如权利要求1所述的一种可调刚度径向永磁轴承，其特征是，所述转子设置在定子内部或者转子设置在定子外部。

7.如权利要求1所述的一种可调刚度径向永磁轴承，其特征是，所述转子永磁磁环由两个轴向充磁且充磁方向相对的转子磁环组成。

8.如权利要求1所述的一种可调刚度径向永磁轴承，其特征是，所述定子永磁磁环和转子永磁磁环分别在定子和转子的内周面上均匀布置。