CN104295604A - 混合偏置型径向磁悬浮轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合偏置型径向磁悬浮轴承，属混合型磁悬浮轴承，利用轴向充磁的环形永久磁铁、电磁偏置线圈在定子磁极叠片与对应的转子环形导磁叠片之间的径向间隙处建立偏置磁场；利用绕在定子磁极叠片的磁极上的控制线圈产生控制磁场；可调的偏置磁场和控制磁场对转子产生磁力，实现对转子径向位移的控制；并在定子导磁盖板、定子非导磁护套上开散热孔，便于控制线圈、电磁偏置线圈、环形永久磁铁等的冷却。所述磁悬浮轴承功耗小，有短时过动载能力，轴承刚度和阻尼调节范围大，冷却能力好，永久磁铁可再充磁，有广阔应用前景，且特别适用于要求轴承短时过动载能力或可能引起永久磁铁性能恶化的高温环境等应用场合。

Description

混合偏置型径向磁悬浮轴承

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮轴承，具体涉及一种混合偏置型径向磁悬浮轴承。

背景技术

磁悬浮轴承支撑转子的基本工作原理是利用控制定子与转子铁心之间的磁力变化来达到转子的无接触支承的目的。

磁悬浮轴承主要具有以下优点：(1)它无接触、无需润滑和无磨损，可使磁悬浮轴承应用到洁净无菌空间，真空系统、低温环境等场合，甚至是高温环境中；(2)由于无机械磨损，转子可以在超高转速下运转，理论上转速仅受限于转子材料；(3)它的刚度、阻尼可调，使所支撑转子具有可控性；(4)轴承损耗很低，仅为传统球轴承或滑动轴承的1/20至1/5；(5)它在苛刻环境中维护成本更低，寿命更长。

磁悬浮轴承按磁场建立的方式分为永磁型、电磁偏置型、永磁偏置型等。

永磁型磁悬浮轴承利用磁性材料的吸力或斥力来实现转子的悬浮，结构简单，但其阻尼一般较小且无法主动控制。

电磁偏置型磁悬浮轴承通过偏置电流在工作气隙中产生偏置磁场，交变电流绕组在工作气隙中产生控制磁场，偏置磁场与控制磁场叠加产生的磁力可根据反馈信号精密控制，从而实现转子某个或某些的自由度的控制。这种类型磁悬浮轴承刚度、阻尼可调，其偏置电流也可根据需要进行调节。但由于稳定情况下的偏置电流远大于控制电流，造成绕组产生较多的功率损耗，而且产生单位承载力所需的体积、重量较大。

相比电磁偏置型磁悬浮轴承，永磁偏置型磁悬浮轴承则通过永磁磁铁替代偏置线圈在气隙中产生所需的偏置磁场，不仅能够很大程度上减少能耗，也能减小磁悬浮轴承的温升，还能减小磁悬浮轴承的体积及重量。

一般说来，转子大部分处于正常工作状态，但也有少部分工况比较恶劣，有可能超出磁悬浮轴承的能力，特别是动载能力。这时需要更大的刚度或阻尼调节范围来减小转子振动。而一旦转子工况超出磁悬浮轴承最大能力时，轻则造成非正常停机，重则毁坏机器，甚至可能出现重大事故。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混合偏置型径向磁悬浮轴承，该磁悬浮轴承功耗小、具有短时过动载能力，拥有更大的刚度、阻尼调节范围以及散热效果好，在永久磁铁性能恶化甚至失效时对磁悬浮系统有安全保护作用，且能给永久磁铁充磁。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

包括转子组件和定子组件，所述转子组件设置于定子组件内；转子组件包括主轴以及与主轴相连的转子环形非导磁垫片，转子环形非导磁垫片的两侧分别设置有两个与主轴相连的转子环形导磁叠片，相邻转子环形导磁叠片之间设置有与主轴相连的转子环形导磁垫片；定子组件包括定子外导磁套筒、设置于所述定子外导磁套筒内的两个定子非导磁护套、设置于所述定子外导磁套筒两端上的定子导磁盖板以及设置于转子环形导磁叠片外侧的定子磁极叠片，定子磁极叠片近似环形，因为圆环内侧有外伸的磁极，一个定子磁极叠片上的磁极个数为4的整数倍，位于两端的定子磁极叠片分别通过对应的定子导磁盖板固定，位于中间的两个定子磁极叠片分别通过对应的定子内导磁套筒固定，环形永久磁铁设置于定子内导磁套筒之间，环形永久磁铁以及定子内导磁套筒固定于由两个定子非导磁护套组成的护套结构内，定子内导磁套筒与护套结构沿轴向留有间隙，所述位于中间的两个定子磁极叠片的外侧端面沿轴向分别紧靠对应定子非导磁护套的内侧端面，所述位于两端的定子磁极叠片的内侧端面沿轴向紧靠对应定子非导磁护套的外侧端面，各个定子磁极叠片周向位置相同，定子导磁盖板和所述定子外导磁套筒的对应端之间分别设置有定子环形导磁垫片，所述定子外导磁套筒与对应定子非导磁护套、定子导磁盖板以及定子环形导磁垫片形成的空腔中设置有电磁偏置线圈，电磁偏置线圈呈螺线管状沿轴向环绕，各个定子磁极叠片的磁极上设置有绝缘方套，每个绝缘方套上绕有控制线圈。

转子环形导磁叠片共计四个，分别记为第一转子环形导磁叠片、第二转子环形导磁叠片、第三转子环形导磁叠片以及第四转子环形导磁叠片，第一转子环形导磁叠片、第一转子环形导磁垫片、第二转子环形导磁叠片、转子环形非导磁垫片、第三转子环形导磁叠片、第二转子环形导磁垫片以及第四转子环形导磁叠片依次紧挨并过盈地安装在主轴上。

所述位于两端的定子磁极叠片分别记为第一定子磁极叠片和第二定子磁极叠片，所述位于中间的两个定子磁极叠片分别记为第三定子磁极叠片和第四定子磁极叠片，第一定子磁极叠片以及第二定子磁极叠片分别对应紧压在第一定子导磁盖板以及第二定子导磁盖板的圆形槽内，第三定子磁极叠片以及第四定子磁极叠片分别对应紧压在第一定子内导磁套筒以及第二定子内导磁套筒的圆形槽内，第一、第二定子磁极叠片与对应定子导磁盖板之间的配合以及第三、第四定子磁极叠片与对应定子内导磁套筒之间的配合皆为径向的过盈配合；环形永久磁铁设置在第一定子内导磁套筒与第二定子内导磁套筒之间，第一、第二定子内导磁套筒分别径向过盈安装在对应的第一定子非导磁护套和第二定子非导磁护套内，环形永久磁铁径向过盈安装在第一定子非导磁护套与第二定子非导磁护套的交界处，第三、第四定子磁极叠片的外侧端面分别对应紧靠第一、第二定子非导磁护套的内侧端面，第一、第二定子内导磁套筒分别与第一、第二定子非导磁护套沿轴向留有间隙；第一、第二定子非导磁护套组成的护套结构径向过盈地安装在所述定子外导磁套筒内，护套结构在轴向紧靠第一、第二定子磁极叠片的内侧端面，第一、第二、第三以及第四定子磁极叠片的周向位置相同；第一定子导磁盖板和所述定子外导磁套筒的对应端之间设置有第一定子环形导磁垫片，第二定子导磁盖板和所述定子外导磁套筒的对应端之间设置有第二定子环形导磁垫片；第一定子非导磁护套、所述定子外导磁套筒、第一定子导磁盖板以及第一定子环形导磁垫片形成的空腔中设置有第一电磁偏置线圈，第二定子非导磁护套、所述定子外导磁套筒、第二定子导磁盖板以及第二定子环形导磁垫片形成的空腔中设置有第二电磁偏置线圈，第一以及第二电磁偏置线圈呈螺线管状沿轴向环绕；控制线圈通过绝缘方套安装在定子磁极叠片的磁极上；绝缘方套径向两端都有延边，位于中间的定子磁极叠片上设置的绝缘方套，其径向外侧与定子非导磁护套以及定子内导磁套筒接触，其径向内侧与对应定子磁极叠片的磁极面的距离至少为0.5mm，而位于两端的定子磁极叠片上设置的绝缘方套，其径向外侧与定子非导磁护套以及定子导磁盖板接触，其径向内侧与对应定子磁极叠片的磁极面的距离至少为0.5mm，每个绝缘方套上绕有控制线圈。

所述第一定子导磁盖板上开设有内外两排周向均布的轴向散热孔，第一定子导磁盖板上的内排轴向散热孔靠近第一定子非导磁护套，第一定子导磁盖板上的外排轴向散热孔靠近第一电磁偏置线圈，第二定子导磁盖板上开设有内外两排周向均布的轴向散热孔，第二定子导磁盖板上的内排轴向散热孔靠近第二定子非导磁护套，第二定子导磁盖板上的外排轴向散热孔靠近第二电磁偏置线圈，第一定子导磁盖板上的外排轴向散热孔以及第二定子导磁盖板上的外排轴向散热孔与对应空腔的一端连通，第一定子导磁盖板上的内排轴向散热孔以及第二定子导磁盖板上的内排轴向散热孔与开设于对应定子非导磁护套上的周向均布的径向散热孔分别连通为通孔，该通孔一端与外界相通，另一端与第一以及第三定子磁极叠片相邻侧磁极间的空间连通或另一端与第二以及第四定子磁极叠片相邻侧磁极间的空间连通；第一定子非导磁护套以及第二定子非导磁护套的最大圆环面上开设有若干沿周向均布的轴向散热孔，两个定子非导磁护套的最大圆环面上的轴向散热孔通过两个定子非导磁护套交界处的间隙连通，开设于第一定子非导磁护套最大圆环面上的轴向散热孔以及开设于第二定子非导磁护套最大圆环面上的轴向散热孔与对应空腔的另一端连通。

所述定子磁极叠片的磁极面与对应的转子环形导磁叠片外环圆柱面留有径向间隙，该间隙的宽度为0.2～2.0mm；定子导磁盖板与对应定子非导磁护套在径向和轴向都留有间隙，该间隙的宽度至少为0.3mm；两个定子非导磁护套在靠近的两圆环形端面间留有间隙，该间隙的宽度至少为0.5mm；各个转子环形导磁叠片的轴向长度L₁相等，各个定子磁极叠片的轴向长度L₂相等，L₁大于L₂，L₁与L₂之差至少为转子组件的最大轴向位移；相邻的两组控制线圈之间在轴向留有间隙，该间隙的宽度至少为0.5mm。

各个转子环形导磁叠片、各个转子环形导磁垫片、各个定子内导磁套筒、各个定子磁极叠片、各个定子导磁盖板、各个定子环形导磁垫片以及所述定子外导磁套筒为软磁材料；环形永久磁铁为稀土永磁材料；主轴、转子环形非导磁垫片以及各个定子非导磁护套为非导磁材料；各个电磁偏置线圈以及控制线圈由绝缘导线绕制而成，其绝缘等级可按GB755-2008选取；各个绝缘方套为非导电且耐高温材料，耐高温指的是能够承受线圈严重发热的情况，其温度要高于线圈的绝缘等级要求的最高允许温度，一般工况下可选用工程塑料或热固性塑料制成的绝缘方套。

本发明的混合偏置型径向磁悬浮轴承一般成对支撑转子，轴向充磁的环形永久磁铁通过定子内导磁套筒(数量为2)、定子磁极叠片(数量为4)、转子环形导磁叠片(数量为4)、转子环形导磁垫片(数量为2)、定子导磁盖板(数量为2)、定子外导磁套筒在定子磁极叠片与转子环形导磁叠片径向间隙处形成永磁偏置磁场；所述的电磁偏置线圈在通入电流后，通过与上述相同或相反的磁路可在对应的定子磁极叠片与转子环形导磁叠片径向间隙处形成电磁偏置磁场；永磁偏置磁场和电磁偏置磁场在叠加后形成混合偏置磁场，其特殊的情况是：电磁偏置线圈中电流为零，仅形成永磁偏置磁场。各组控制绕圈在通入一定大小和方向控制电流以后，在定子磁极叠片和转子环形导磁叠片径向间隙处形成的控制磁场，其与偏置磁场叠加后来控制转子的位移。

当环形永久磁铁由于高温环境性能发生恶化甚至失效后，在停机状态且切断电源的情况下，首先是在转子环形导磁叠片与定子磁极叠片的径向间隙处填上导磁片，然后在电磁偏置线圈两端接上合适的充磁电路后，即可为环形永久磁铁充磁，而无需拆卸下环形永久磁铁充磁。

本发明所述的混合偏置型径向磁悬浮轴承主要有以下优点：(1)本发明主要采用永磁体产生偏置磁通，与全电磁轴承相比消除了在线圈电流中占主要分量的偏置励磁电流，降低了绕组铜耗及控制功放损耗，因此功耗很低；(2)本发明所述的磁悬浮轴承产生的磁场仅大小变化，而无极性变化，铁耗也很小；(3)在本发明中，永磁磁路与控制磁路分离，这使得控制磁路磁阻很小，较小电流可以产生较大磁通；(4)本发明带有电磁偏置线圈，可实现对轴承的力-位移系数在实际运行过程中的不确定性和非线性进行补偿；(5)本发明带有的电磁偏置线圈可以适时的改变轴承的刚度和阻尼的调节范围，以应对恶劣的运行工况；(6)本发明带有的电磁偏置线圈还可以在永久磁铁性能恶化或失效时，可起部分或全部替代作用，提高磁悬浮轴承的安全、可靠性；(7)在停机状态下，如果电磁线圈两端接上合适的充磁电路，还可为性能恶化甚至失效的永久磁铁充磁；(8)本发明针对部分发热严重处设计有散热孔结构，提高了轴承的冷却能力，允许更高的线圈温升。

本发明功耗小，有短时过动载能力，能有更大的轴承刚度和阻尼调节范围，有较好的冷却能力，而且可为由于高温情况下性能恶化甚至失效的永久磁铁充磁，在各类磁悬浮系统中都有广阔前景，且特别适用于要求轴承短时过动载能力及可能引起永久磁铁性能恶化的高温环境等应用场合。

附图说明

图1是本发明所述混合偏置型径向磁悬浮轴承的结构示意图。其中，图1(a)为所述磁悬浮轴承全剖图，图1(b)为图1(a)中A-A截面的向视图(磁极数以8为例)。

图1(a)中：1、主轴，2、第二定子导磁盖板，3、第二定子导磁盖板上的内排轴向散热孔，4、第二定子导磁盖板上的外排轴向散热孔，5、第二定子环形导磁垫片，6、第二电磁偏置线圈，7、第二定子非导磁护套，8、开设于第二定子非导磁护套最大圆环面上的轴向散热孔，9、开设于第一定子非导磁护套最大圆环面上的轴向散热孔，10、第一定子非导磁护套，11、第一电磁偏置线圈，12、第一定子环形导磁垫片，13、第一定子导磁盖板上的外排轴向散热孔，14、第一定子导磁盖板上的内排轴向散热孔，15、第一定子导磁盖板，16、控制线圈a组，17、第一转子环形导磁叠片，18、控制线圈b组，19、第二转子环形导磁叠片，20、控制线圈c组，21、第三转子环形导磁叠片，22、控制线圈d组，23、第四转子环形导磁叠片，24、第二转子环形导磁垫片，25、绝缘方套c组，26、转子环形非导磁垫片，27、绝缘方套b组，28、第一转子环形导磁垫片，29、绝缘方套a组，30、第一定子磁极叠片，31、第三定子磁极叠片，32、第一定子非导磁护套上的径向散热孔，33、第一定子内导磁套筒，34、环形永久磁铁，35、第二定子内导磁套筒，36、第二定子非导磁护套上的径向散热孔，37、定子外导磁套筒，38、第四定子磁极叠片，39、第二定子磁极叠片，40、绝缘方套d组。

图1(b)中：1、主轴，11、第一电磁偏置线圈，14、第一定子导磁盖板上的内排轴向散热孔，15、第一定子导磁盖板，17、第一转子环形导磁叠片，30、第一定子磁极叠片，37、定子外导磁套筒。

定子磁极叠片中的磁极如图1(b)所示进行命名，逆时针依次分别为磁极I至磁极VIII；所对应的控制线圈也依次为控制线圈I至控制线圈VIII；图1(b)中“”表示磁场方向为垂直纸面朝里，“⊙”表示磁场方向垂直纸面朝外；在图1(b)中以O为原点，x和y为坐标轴建立直角坐标系，假设转子组件有y轴负方向的小扰动，需要所述的磁悬浮轴承定子组件对转子组件产生y轴正方向的磁力。

图1(a)和图1(b)中带实心箭头的粗实线表示偏置磁场，带空心箭头的细虚线表示控制线圈产生的磁场。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

本发明所述混合偏置型径向磁悬浮轴承包括转子组件和定子组件两部分。具体来说，转子组件包括：主轴，4组转子环形导磁叠片，2个转子环形导磁垫片及1个转子环形非导磁垫片。定子组件包括：环形永久磁铁，2组定子内导磁套筒，4组定子磁极叠片(每组定子磁极叠片的磁极个数为4n，n为正整数，图1中n取为2)，4组控制线圈(每组控制线圈个数为4n)，4组绝缘方套(每组绝缘方套的个数为4n)、2个定子非导磁护套，2个定子导磁盖板，2个电磁偏置线圈，2个定子环形导磁垫片，1个定子外导磁套筒。转子组件位于定子组件中心腔内，转子环形导磁叠片与定子磁极叠片轴向位置相同。对于转子组件，转子环形导磁叠片，转子环形导磁垫片，转子环形导磁叠片，转子环形非导磁垫片，转子环形导磁叠片，转子环形导磁垫片，转子环形导磁叠片按照从左到右顺序过盈地套在非导磁主轴上。对于定子组件，4组定子磁极叠片分别过盈地安装到2组定子内导磁套筒和2个定子导磁盖板中；环形永久磁铁在2组定子内导磁套筒之间，它们一起被过盈地安装在2个定子非导磁护套中间，由此形成的组件过盈地安装到定子外导磁套筒的中部，并且轴向紧靠安装到定子导磁盖板中的定子磁极叠片轴向端面；2个定子环形导磁垫片在定子导磁盖板与定子外导磁套筒两端面之间；2个电磁偏置线圈分别在定子非导磁护套、定子外导磁套筒、定子导磁盖板以及定子环形导磁垫片形成的空腔中，电磁偏置线圈呈螺线管状沿轴向环绕；每个控制线圈组绕在对应的绝缘方套上，并将它们一起安装到定子磁极叠片的磁极上。

参见图1(a)，第一转子环形导磁叠片17、第二转子环形导磁叠片19、第三转子环形导磁叠片21、第四转子环形导磁叠片23、第一转子环形导磁垫片28、第二转子环形导磁垫片24、第一定子内导磁套筒33、第二定子内导磁套筒35、第一定子磁极叠片30、第三定子磁极叠片31、第四定子磁极叠片38、第二定子磁极叠片39、第一定子导磁盖板15、第二定子导磁盖板2、第一定子环形导磁垫片12、第二定子环形导磁垫片5以及定子外导磁套筒37为软磁材料；环形永久磁铁34为稀土永磁材料；主轴1、转子环形非导磁垫片26、第一定子非导磁护套10以及第二定子非导磁护套7为非导磁材料；各个线圈由绝缘导线绕制而成，其绝缘等级可按GB755-2008选取；各组绝缘方套为非导电、耐高温材料，其耐高温程度要高于线圈的绝缘等级要求的最高允许温度。

参见图1(a)，第一转子环形导磁叠片17、第一转子环形导磁垫片28、第二转子环形导磁叠片19、转子环形非导磁垫片26、第三转子环形导磁叠片21、第二转子环形导磁垫片24、第四转子环形导磁叠片23从左到右依次紧挨，并过盈地安装在主轴1上，形成转子组件。

如图1(a)所示，第一、第二定子磁极叠片30、39分别紧压在第一、第二定子导磁盖板15、2的圆形槽内，第三、第四定子磁极叠片31、38分别紧压在第一、第二定子内导磁套筒33、35的圆形槽内，它们之间(指定子磁极叠片与定子导磁盖板之间以及指定子磁极叠片与定子内导磁套筒之间)的配合皆为径向的过盈配合；环形永久磁铁34处在安装定子磁极叠片后的第一、第二定子内导磁套筒33、35之间，它们(指环形永久磁铁以及2个定子内导磁套筒)一起被过盈地安装在第一、第二定子非导磁护套10、7中间，第三、第四定子磁极叠片31、38的两外侧端面分别紧靠第一、第二定子非导磁护套10、7的内侧端面，第一、第二定子内导磁套筒33、35与第一、第二定子非导磁护套10、7轴向留有间隙；由此形成的组件(包括第三、第四定子磁极叠片、第一、第二定子内导磁套筒、环形永久磁铁34以及第一、第二定子非导磁护套)过盈地安装到定子外导磁套筒37的中部，并且轴向紧靠安装在定子导磁盖板中的第一、第二定子磁极叠片30、39轴向内侧端面，并且保证第一、第二、第三、第四定子磁极叠片30、39、31、38周向位置相同；第一定子环形导磁垫片12在第一定子导磁盖板15和定子外导磁套筒37的端面之间，第二定子环形导磁垫片5在第二定子导磁盖板2和定子外导磁套筒37的端面之间；第一电磁偏置线圈11在第一定子非导磁护套10、定子外导磁套筒37、第一定子导磁盖板15以及第一定子环形导磁垫片12形成的空腔中，第二电磁偏置线圈6在第二定子非导磁护套7、定子外导磁套筒37、第二定子导磁盖板2以及第二定子环形导磁垫片5形成的空腔中，且第一、第二电磁偏置线圈11、6呈螺线管状沿轴向环绕；每个控制线圈绕在对应的绝缘方套上并将它们一起安装到对应的定子磁极叠片的磁极上。以上构成定子组件，转子组件位于定子组件中心腔内，第一、第二、第三、第四转子环形导磁叠片17、19、21、23与对应的第一、第二、第三、第四定子磁极叠片30、39、31、38轴向位置相同。

如图1(a)所示，第一定子导磁盖板15与第一定子非导磁护套10在两者靠近位置在相同半径处带有若干个周向均布的散热孔结构，第二定子导磁盖板2与第二定子非导磁护套7在两者靠近位置在相同半径处带有若干个周向均布的散热孔结构，其孔的中心线与轴向平行；第一、第二定子非导磁护套10、7在上述散热孔结构的末端带有若干个周向均布的径向散热孔，使其成为通孔；第一、第二定子非导磁护套10、7的最大圆环面上周向均布若干个散热孔；第一、第二定子导磁盖板15、2在靠近第一、第二电磁偏置线圈11、6附近还带有若干个周向均布的散热孔结构(即第一定子导磁盖板上的外排轴向散热孔13以及第二定子导磁盖板上的外排轴向散热孔4)，其孔的中心线与轴向平行。

第一、第二、第三、第四定子磁极叠片30、39、31、38的磁极面分别与对应的第一、第二、第三、第四转子环形导磁叠片17、19、21、23外环圆柱面有径向间隙，其间隙宽度为0.2～2.0mm之间；第二定子导磁盖板2与第二定子非导磁护套7，第一定子导磁盖板15与第一定子非导磁护套10在径向和轴向都留有间隙，其间隙宽度大于或等于0.3mm；第一、第二定子非导磁护套10、7相靠近的两圆环形端面间留有间隙，其间隙宽度大于或等于0.5mm；第一、第二、第三、第四转子环形导磁叠片17、19、21、23的轴向长度相等，第一、第二、第三、第四定子磁极叠片30、39、31、38轴向长度也相等，前者(指转子环形导磁叠片)的轴向长度大于后者(指定子磁极叠片)的轴向长度，两者长度之差大于或等于转子的最大轴向位移；相邻的两组控制线圈之间在轴向留有间隙，其间隙宽度大于或等于0.5mm。

参见图1(a)，轴向充磁的环形永久磁铁通过第二定子内导磁套筒35、第四定子磁极叠片38、第三转子环形导磁叠片21、第二转子环形导磁垫片24、第四转子环形导磁叠片23、第二定子磁极叠片39、第二定子导磁盖板2、第二定子环形导磁垫片5、定子外导磁套筒37、第一定子环形导磁垫片12、第一定子导磁盖板15、第一定子磁极叠片30、第一转子环形导磁叠片17、第一转子环形导磁垫片28、第二转子环形导磁叠片19、第三定子磁极叠片31、第一定子内导磁套筒33在各定子磁极叠片与对应转子环形导磁叠片径向间隙处形成永磁偏置磁场；第一、第二电磁偏置线圈11、6在通入电流后，通过与上述相同或相反的磁路可在各定子磁极叠片与对应转子环形导磁叠片径向间隙处形成电磁偏置磁场；永磁偏置磁场和电磁偏置磁场在叠加后形成混合偏置磁场(如图1(a)和图1(b)带实心箭头的粗实线所示)，其特殊的情况是：第一、第二电磁偏置线圈11、6中电流为零，仅形成永磁偏置磁场。当转子工况良好时，仅有永磁偏置磁场，可以降低磁悬浮轴承功耗；当转子组件遇到需要更大轴承刚度和阻尼范围的工况时，电磁偏置线圈产生与环形永久磁场相同的偏置磁路，从而提高轴承的动载能力；当环形永久磁铁34在高温下其性能恶化甚至失效时，产生的电磁偏置磁场可部分或全部替代永磁偏置磁场，提高磁悬浮轴承的可靠性，安全性；当环形永久磁铁34由于高温环境性能发生恶化甚至失效后，在停机状态且切断电源的情况下，首先是在各转子环形导磁叠片与对应定子磁极叠片径向间隙之间填上导磁片，然后在电磁偏置线圈两端接上充磁电路，即可为环形永久磁铁34充磁，而无需拆卸下环形永久磁铁34充磁。

参见图1(b)，如图建立以O为原点，x、y为坐标轴的直角坐标系。其基本工作原理是：当转子组件处于平衡位置时，转子组件在x，y方向的位移为零。如果此时转子组件受到y轴负方向的扰动时，转子组件就会偏离平衡位置向y轴负方向运动，此时，若位移传感器或其它类型传感器检测到这种变化，并传输到控制器中，然后控制器经过计算后将这一信号转换为控制信号，功率放大器放大控制信号来在控制线圈中得到对应的控制电流，从而在工作间隙中建立控制磁场，如图1(b)所示的带空心箭头的细虚线为控制线圈在对应磁极I、II、V、VI产生的控制磁场，而带实心箭头的粗实线为形成的混合偏置磁场(当第一、第二电磁偏置线圈11、6中电流为零时，仅有永偏置磁场)。磁极I、II与对应转子环形导磁叠片间隙处的控制磁场方向与偏置磁场方向相同，其间隙处的磁通量增加，同时，磁极V、VI与对应转子环形导磁叠片间隙处的控制磁场方向与偏置磁场方向相反，其间隙处的磁通量减小，由于在磁极面积一定时，磁吸力的大小与磁通量的平方成正比，磁极I、II对转子组件的吸引力大于磁极V、VI对转子组件的吸引力，从而对转子组件产生需要的一个额外的y轴正方向的磁吸力使其回到平衡位置。同理，y轴正方向受到扰动时，定子组件对转子组件产生一个y轴负方向的磁力使其回到平衡位置。x轴方向控制原理与y轴方向相同，采用磁极III、IV和磁极VII、VIII对转子组件位移进行控制，其他轴向位置磁极控制方式类似，只是注意不同定子磁极叠片与对应转子环形导磁叠片的径向间隙处偏置磁场的方向可能不同，其偏置磁场方向如图1(a)所示。

本发明所述混合偏置型径向磁悬浮轴承既有永磁偏置，又有电磁偏置。它可结合两种偏置的优势，即永磁偏置型磁悬浮轴承节约能耗、减小温升的优势和电磁偏置型磁悬浮轴承偏置电流可调的优势。而混合偏置的提出则可发挥两者的优势：在转子良好正常工做状态下，主要发挥前者优势，电磁偏置线圈不工作；而在转子处在恶劣工作状态时，则可两者共同发挥作用，进一步增加其可控性；永久磁铁高温时性能变差甚至失效时，电磁偏置线圈可部分或全部替代其产生偏置磁场，为安全停机争取时间；待停机后，如果电磁线圈两端接上合适的充磁电路，还可为性能恶化甚至失效的永久磁铁充磁。

Claims (6)

1.一种混合偏置型径向磁悬浮轴承，其特征在于：包括转子组件和定子组件，所述转子组件设置于定子组件内；转子组件包括主轴(1)以及与主轴(1)相连的转子环形非导磁垫片(26)，转子环形非导磁垫片(26)的两侧分别设置有两个与主轴(1)相连的转子环形导磁叠片，相邻转子环形导磁叠片之间设置有与主轴(1)相连的转子环形导磁垫片；定子组件包括定子外导磁套筒(37)、设置于所述定子外导磁套筒(37)内的两个定子非导磁护套、设置于所述定子外导磁套筒(37)两端上的定子导磁盖板以及设置于转子环形导磁叠片外侧的定子磁极叠片，位于两端的定子磁极叠片分别通过对应的定子导磁盖板固定，位于中间的两个定子磁极叠片分别通过对应的定子内导磁套筒固定，环形永久磁铁(34)设置于定子内导磁套筒之间，环形永久磁铁(34)以及定子内导磁套筒固定于由两个定子非导磁护套组成的护套结构内，定子内导磁套筒与护套结构沿轴向留有间隙，所述位于中间的两个定子磁极叠片的外侧端面沿轴向分别紧靠对应定子非导磁护套的内侧端面，所述位于两端的定子磁极叠片的内侧端面沿轴向紧靠对应定子非导磁护套的外侧端面，各个定子磁极叠片周向位置相同，定子导磁盖板和所述定子外导磁套筒(37)的对应端之间分别设置有定子环形导磁垫片，所述定子外导磁套筒(37)与对应定子非导磁护套、定子导磁盖板以及定子环形导磁垫片形成的空腔中设置有电磁偏置线圈，电磁偏置线圈呈螺线管状沿轴向环绕，各个定子磁极叠片的磁极上设置有绝缘方套，每个绝缘方套上绕有控制线圈。

2.根据权利要求1所述一种混合偏置型径向磁悬浮轴承，其特征在于：第一转子环形导磁叠片(17)、第一转子环形导磁垫片(28)、第二转子环形导磁叠片(19)、转子环形非导磁垫片(26)、第三转子环形导磁叠片(21)、第二转子环形导磁垫片(24)以及第四转子环形导磁叠片(23)依次紧挨并过盈地安装在主轴(1)上。

3.根据权利要求1所述一种混合偏置型径向磁悬浮轴承，其特征在于：第一定子磁极叠片(30)以及第二定子磁极叠片(39)分别对应紧压在第一定子导磁盖板(15)以及第二定子导磁盖板(2)的圆形槽内，第三定子磁极叠片(31)以及第四定子磁极叠片(38)分别对应紧压在第一定子内导磁套筒(33)以及第二定子内导磁套筒(35)的圆形槽内，第一、第二定子磁极叠片与对应定子导磁盖板之间的配合以及第三、第四定子磁极叠片与对应定子内导磁套筒之间的配合皆为径向的过盈配合；环形永久磁铁(34)设置在第一定子内导磁套筒与第二定子内导磁套筒之间，第一、第二定子内导磁套筒分别径向过盈安装在对应的第一定子非导磁护套(10)和第二定子非导磁护套(7)内，环形永久磁铁(34)径向过盈安装在第一定子非导磁护套与第二定子非导磁护套的交界处，第三、第四定子磁极叠片的外侧端面分别对应紧靠第一、第二定子非导磁护套的内侧端面，第一、第二定子内导磁套筒分别与第一、第二定子非导磁护套沿轴向留有间隙；第一、第二定子非导磁护套组成的护套结构径向过盈地安装在所述定子外导磁套筒(37)内，护套结构在轴向紧靠第一、第二定子磁极叠片的内侧端面，第一、第二、第三以及第四定子磁极叠片的周向位置相同；第一定子导磁盖板(15)和所述定子外导磁套筒(37)的对应端之间设置有第一定子环形导磁垫片(12)，第二定子导磁盖板(2)和所述定子外导磁套筒(37)的对应端之间设置有第二定子环形导磁垫片(5)；第一定子非导磁护套(10)、所述定子外导磁套筒(37)、第一定子导磁盖板(15)以及第一定子环形导磁垫片(12)形成的空腔中设置有第一电磁偏置线圈(11)，第二定子非导磁护套(7)、所述定子外导磁套筒(37)、第二定子导磁盖板(2)以及第二定子环形导磁垫片(5)形成的空腔中设置有第二电磁偏置线圈(6)，第一以及第二电磁偏置线圈呈螺线管状沿轴向环绕；控制线圈通过绝缘方套安装在定子磁极叠片的磁极上。

4.根据权利要求3所述一种混合偏置型径向磁悬浮轴承，其特征在于：所述第一定子导磁盖板(15)上开设有内外两排周向均布的轴向散热孔，第一定子导磁盖板上的内排轴向散热孔(14)靠近第一定子非导磁护套(10)，第一定子导磁盖板上的外排轴向散热孔(13)靠近第一电磁偏置线圈(11)，第二定子导磁盖板(2)上开设有内外两排周向均布的轴向散热孔，第二定子导磁盖板上的内排轴向散热孔(3)靠近第二定子非导磁护套(7)，第二定子导磁盖板上的外排轴向散热孔(4)靠近第二电磁偏置线圈(6)，第一定子导磁盖板上的外排轴向散热孔(13)以及第二定子导磁盖板上的外排轴向散热孔(4)与对应空腔的一端连通，第一定子导磁盖板上的内排轴向散热孔(14)以及第二定子导磁盖板上的内排轴向散热孔(3)与开设于对应定子非导磁护套上的周向均布的径向散热孔分别连通为通孔，该通孔一端与外界相通，另一端与第一以及第三定子磁极叠片相邻侧磁极间的空间连通或另一端与第二以及第四定子磁极叠片相邻侧磁极间的空间连通；第一定子非导磁护套(10)以及第二定子非导磁护套(7)的最大圆环面上开设有若干沿周向均布的轴向散热孔，开设于第一定子非导磁护套最大圆环面上的轴向散热孔(9)以及开设于第二定子非导磁护套最大圆环面上的轴向散热孔(8)与对应空腔的另一端连通。

5.根据权利要求1所述一种混合偏置型径向磁悬浮轴承，其特征在于：所述定子磁极叠片的磁极面与对应的转子环形导磁叠片外环圆柱面留有径向间隙，该间隙的宽度为0.2～2.0mm；定子导磁盖板与对应定子非导磁护套在径向和轴向都留有间隙，该间隙的宽度至少为0.3mm；两个定子非导磁护套在靠近的两圆环形端面间留有间隙，该间隙的宽度至少为0.5mm；各个转子环形导磁叠片的轴向长度L₁相等，各个定子磁极叠片的轴向长度L₂相等，L₁大于L₂，L₁与L₂之差至少为转子组件的最大轴向位移；相邻的两组控制线圈之间在轴向留有间隙，该间隙的宽度至少为0.5mm。

6.根据权利要求1所述一种混合偏置型径向磁悬浮轴承，其特征在于：各个转子环形导磁叠片、各个转子环形导磁垫片、各个定子内导磁套筒、各个定子磁极叠片、各个定子导磁盖板、各个定子环形导磁垫片以及所述定子外导磁套筒为软磁材料；环形永久磁铁(34)为稀土永磁材料；主轴、转子环形非导磁垫片(26)以及各个定子非导磁护套为非导磁材料；各个电磁偏置线圈以及控制线圈由绝缘导线绕制而成；各个绝缘方套为非导电且耐高温材料。