CN104533947B - 一种环状磁极结构以及具有环状磁极结构的轴向磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环状磁极结构以及具有环状磁极结构的轴向磁轴承，包括：铁心的内侧磁极和外侧磁极；所述内侧磁极为圆柱状，外侧磁极为圆筒状，内侧磁极设置在外侧磁极的内部；在所述内侧磁极和外侧磁极的端面上至少有一个端面开有至少一圈沟槽，所述沟槽在内外侧磁极端面上形成同心圆环结构。本发明有益效果：采用环状磁极后，轴向磁轴承的径向力与径向刚度得到明显增强；可以选择内侧磁极采用环状结构、外侧磁极采用环状结构或者内外侧磁极同时采用环状结构等不同结构，调控轴向磁轴承的径向力与径向刚度。

Description

一种环状磁极结构以及具有环状磁极结构的轴向磁轴承

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮轴承结构，特别涉及一种环状磁极结构以及具有环状磁极结构的轴向磁轴承。

背景技术

磁悬浮轴承是通过定转子之间的磁力作用，支承转子悬浮于空间设定位置的新型机电一体化轴承。由于其转子和定子之间没有任何机械接触,故无磨损,大大降低了机械能耗和噪音,且无需润滑、无油污染、使用寿命长,适用于高速、真空等特殊环境。近年来，国际上已将磁悬浮轴承成功应用于机床、离心压缩机、真空分子泵、人工心脏等设备。

传统五自由度磁悬浮轴承系统由两组径向磁轴承和一组轴向磁轴承组成，分别控制径向四个平动自由度和轴向的一个平动自由度，每组磁轴承都通过各个自由度上的位移传感器、控制器和功率放大器等器件，实现闭环控制，提供各自自由度悬浮所需的磁力，实现转子在空间中的五自由度悬浮。传统五自由度磁悬浮系统缺点是体积较大，功耗高。某一自由度磁轴承提供多自由度承载力的磁悬浮系统，能够降低主动控制的自由度，减小系统功耗和体积。

传统轴向磁轴承的径向承载力较小，在轴向磁轴承提供径向悬浮力的系统中，径向难以承受大的干扰力；径向刚度低，难以在径向发生位移后迅速回到平衡位置。其物理原因在于磁极结构，内侧为圆形平面，外侧磁极为单一环状平面，当发生径向位移时，气隙磁通中轴向磁通比例较高，径向磁通分量较小，因此导致径向力与径向刚度较小。径向承载力直接决定了磁轴承系统的径向悬浮性能，提高轴向磁轴承径向承载力和刚度，是轴向磁轴承实现单自由度主动控制磁悬浮系统的关键。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述技术问题，提供了一种环状磁极结构以及具有环状磁极结构的轴向磁轴承，采用环状磁极结构，使得轴向磁轴承磁极间的气隙磁场中，磁通轴向分量比例降低，磁通径向分量比例增加，从而达到提高轴向磁轴承径向力与径向刚度的目的。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种环状磁极结构，包括：铁心的内侧磁极和外侧磁极；所述内侧磁极为圆柱状，外侧磁极为圆筒状，内侧磁极设置在外侧磁极的内部；在所述内侧磁极和外侧磁极的同一侧端面上至少有一个端面开有至少一圈沟槽，所述沟槽在内外侧磁极端面上形成同心圆环结构。

所述铁心为定子铁心，与所述定子铁心磁极相对的转子铁心的磁极结构与所述定子铁心磁极结构相同，并且内侧磁极和外侧磁极端面的同心圆环结构尺寸相同；

通过环状磁极结构改变定转子铁心气隙磁场的磁感应强度和磁场分布，从而增强定子铁心与转子铁心之间的径向作用力。

一种具有环状磁极结构的轴向磁轴承，其特征是，包括磁悬浮转子，沿所述磁悬浮转子的轴向两端分别设置用于提供转子轴向悬浮力与径向悬浮力的轴向磁轴承，所述转子轴向两端的轴向磁轴承成对称分布；

所述磁悬浮转子铁心和定子铁心的磁极均为环状磁极结构，转子铁心与定子铁心的磁极相对布置，磁极结构以及内侧磁极和外侧磁极端面的同心圆环结构尺寸均相同。

通过控制两侧轴向磁轴承与转子之间气隙处的磁通，产生轴向恢复力，使转子在轴向保持主动的稳定悬浮；

当转子发生某一径向位移时，轴向磁轴承与转子之间的电磁力将产生径向分力，所述径向分力方向与转子径向位移方向相反，指向轴心，所述径向分力使转子回到径向平衡位置，从而保持转子的径向悬浮；

当转子沿径向轴发生微小角偏移时，所述两侧轴向磁轴承的径向分力产生一个恢复力矩，使转子回到平衡位置。

在所述转子轴向或者径向分别设置轴向位移传感器，所述轴向位移传感器与控制器连接，所述控制器分别通过功率放大器与磁悬浮转子轴向两端轴向磁轴承的线圈连接。

所述轴向位移传感器设置在转子径向时，转子上布置用于提供传感器信号源的永磁环，永磁环采用轴向充磁，永磁环位置与传感器处于同一轴向位置。

如果转子径向选择被动悬浮，则不需要安装径向位移传感器；

如果转子径向需要主动控制，则需要在转子径向安装用于测量转子径向位移的径向位移传感器，径向位移传感器共有四个，布置在转子外侧，分为两组，每组两个传感器成90度垂直安装，对径向位移进行检测。

所述轴向磁轴承为电磁轴承或者电磁永磁混合磁轴承。

本发明有益效果：

(1)采用环状磁极后，轴向磁轴承的径向力与径向刚度得到明显增强；可以选择内侧磁极采用环状结构、外侧磁极采用环状结构或者内外侧磁极同时采用环状结构等不同结构，调控轴向磁轴承的径向力与径向刚度。

(2)本发明结构简单，只需在磁极处利用机械加工工艺，将磁极面加工成多环状结构，其余结构与传统磁轴承结构基本一致，或者将多环状磁极结构应用到本发明的轴向磁轴承结构中，利用轴向磁轴承的径向力，作为转子径向悬浮力，从而省去了径向磁轴承。

(3)当发生径向位移时，这种结构减小了磁极间轴向磁通的比例，增加了磁极间径向磁通的比例，从而使定子与转子之间的径向力增加。

(4)研究表明，通过改变环状磁极的径向厚度可以改变轴向磁轴承的轴向力和径向力。针对不同轴向和径向负载，可以只改变环状磁极参数，改变轴向磁轴承轴向与径向悬浮特性。

(5)本发明的轴向磁轴承结构将磁悬浮系统主动控制自由度降低到最低，省去了多余主动自由度控制所需的控制器、功率放大器、电磁线圈等部件，简化了五自由度磁悬浮轴承支撑结构。

附图说明

图1为本发明环状磁极用于轴向磁轴承系统结构示意图；

图2为本发明环状磁极轴向磁轴承定子端面图；

图3为本发明环状磁极轴向磁轴承转子端面图；

图4为本发明轴向位移传感器沿径向布置结构示意图；

图5为本发明径向位移传感器布置结构径向剖面示意图；

图6(a)为无径向位移时传统磁轴承气隙磁场分布图；

图6(b)为无径向位移时环状磁极磁轴承气隙磁场分布图；

图7(a)为发生径向位移时传统磁轴承气隙磁场分布图；

图7(b)为发生径向位移时环状磁极磁轴承气隙磁场对比图；

其中，1.定子铁心，2.线圈，3.转子铁心，4.磁路磁通，5.转子，6.外侧磁极，7.内侧磁极，8.径向位移传感器，9.控制器，10.轴向位移传感器，11.功率放大器，12.沟槽，13.永磁环。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

一种环状磁极结构，包括：铁心的内侧磁极7和外侧磁极6；所述内侧磁极7为圆柱状，外侧磁极6为圆筒状，内侧磁极6设置在外侧磁极7的内部；在所述内侧磁极6和外侧磁极7的端面上至少有一个端面开有至少一圈沟槽12，所述沟槽12在内外侧磁极端面上形成同心圆环结构。

该环状磁极结构可以应用到传统磁轴承结构中，只需在磁极处利用机械加工工艺，将磁极面加工成多环状结构，其余结构与传统磁轴承结构基本一致。定子铁心1的内侧磁极7为圆柱状，外侧磁极6为圆筒状，在内外侧磁极端面处有沟槽12结构，使磁极面形成多个同心圆环形状；转子铁心3磁极与定子铁心1相对，表面沟槽结构相同，也为多个同心圆环形状，并且转子铁心的环状磁极尺寸与定子铁心相同。

通过环状磁极结构改变定转子铁心气隙磁场的磁感应强度和磁场分布，从而增强定子铁心1与转子铁心3之间的径向作用力。

该环状磁极结构也可以应用到本发明的由轴向磁轴承实现转子五自由度悬浮的轴向磁轴承结构中，如图1-3所示，一种具有环状磁极的轴向磁轴承结构，包括磁悬浮转子5沿磁悬浮转子5的轴向两端分别设置用于提供转子轴向悬浮力与径向悬浮力的轴向磁轴承，转子轴向两端的轴向磁轴承成对称分布；定子铁心1与转子铁心3磁极处结构相同，磁极分为内侧磁极7与外侧磁极6，内外侧磁极7由机械加工形成多环状结构，转子铁心3与定子铁心1的磁极相对布置，磁极结构以及内侧磁极7和外侧磁极6端面的同心圆环结构尺寸均相同，环状磁极轴向磁轴承定子和转子端面图分别如图2和图3所示。

轴向或者径向分别设置轴向位移传感器10，轴向位移传感器10与控制器9连接，控制器9分别通过功率放大器11与磁悬浮转子轴向两端轴向磁轴承的线圈2连接。

轴向位移传感器10用于实时测量转子的轴向位移，并将轴向位移信号输入到控制器内。轴向位移传感器10可以放置于转子5轴向，两个轴向位移传感器10置于转子5轴向两端，测量转子5轴向位移并进行差分后，输入控制器9。传感器可以是电涡流位移传感器、电感位移传感器、霍尔位移传感器等，但不限于以上这些。

轴向位移传感器10也可放置于转子5径向，如图4所示，转子5上要布置一永磁环13，永磁环13采用轴向充磁，永磁环13位置与传感器处于同一轴向位置，用于传感器的信号源，传感器为霍尔位移传感器，通过检测磁场变化得到转子轴向位移信号，输入控制器9。

径向位移传感器8可按照需要安装，如果径向选择被动悬浮，则不需要安装位移传感器；如果径向需要主动控制，则需要在径向安装径向位移传感器8，如图5所示，径向位移传感器8共有四个，布置在转子外侧，分为两组，每组两个传感器成90度垂直安装，对径向位移进行检测，径向位移传感器分别与控制器连接，可以是电涡流位移传感器、电感位移传感器、霍尔位移传感器等，但不限于以上这些。

控制器9作用是根据输入的位移信号，通过预先设定的控制策略，进行运算，输出控制信号。

功率放大器11作用是将控制信号转化为电流，输入到磁轴承中，从而控制磁轴承的承载力、刚度、阻尼等悬浮特性。

线圈2通入电流产生磁动势，在磁路中产生磁通，依次通过定子铁心1、内侧气隙、转子铁心3，外侧气隙形成磁通回路，如图1中虚线箭头所示。磁通通过定转子之间气隙，建立气隙磁场，在定转子与气隙交界面产生的磁力作用，磁力可以分解为轴向力Fz和径向力Fr。通过环状结构的磁极改变定转子气隙磁场的磁感应强度和磁场分布，从而改变轴向磁轴承的轴向力与径向力。

当无径向位移时，磁轴承定子与转子的外侧磁极面正对，磁极间磁轴对称分布，径向力为零。当定子与转子之间发生径向位移后，磁极间磁通不再轴对称分布，随着径向位移增加，磁极间径向磁通比例增加，从而产生径向力。径向力的方向与径向位移方向相反。

本发明中定转子之间的磁极端面由多个同心圆环形状组成，当发生径向位移时，这种结构减小了磁极间轴向磁通的比例，增加了磁极间径向磁通的比例，从而使定子与转子之间的径向力增加，同时由于磁极正对面积减小，会使轴向力减小。

图1中外侧磁极7为2个环，内侧磁极6为2个环，但不限于2个，可以为多个环。

以外侧双环状磁极为例说明环状磁极对气隙磁场以及承载力的影响，内外侧环，以及多环状磁极情况类似。图6(a)和图6(b)为无径向位移时传统磁轴承与环状磁极磁轴承气隙磁场对比图，外侧磁极7由2个环状磁极组成，可见环状磁极使定转子之间气隙磁场中边缘磁通在总磁通中比例增加，图7(a)和图7(b)为当发生径向位移时的气隙磁场对比图，传统磁轴承由于磁极正对面积较大，在磁极正对区域内磁通以轴向磁通为主，轴向磁通比例高；而环状磁极使得磁极正对面积减小，气隙磁通中径向分量增加，磁通径向分量将使轴向磁轴承的径向力和径向刚度增强。

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 (3)

1.一种具有环状磁极结构的轴向磁轴承，其特征是，所述的环状磁极结构，包括：铁心的内侧磁极和外侧磁极；所述内侧磁极为圆柱状，外侧磁极为圆筒状，内侧磁极设置在外侧磁极的内部；在所述内侧磁极和外侧磁极的端面上至少有一个端面开有至少一圈沟槽，所述沟槽在内外侧磁极端面上形成同心圆环结构；

所述铁心为定子铁心，与所述定子铁心磁极相对的转子铁心的磁极结构与所述定子铁心磁极结构相同，并且内侧磁极和外侧磁极端面的同心圆环结构尺寸相同；

线圈通入电流产生磁动势，在磁路中产生磁通，依次通过定子铁心、内侧气隙、转子铁心，外侧气隙形成磁通回路，磁通通过定转子之间气隙，建立气隙磁场，在定转子与气隙交界面产生的磁力作用，磁力分解为轴向力和径向力；通过环状磁极结构改变定转子铁心气隙磁场的磁感应强度和磁场分布，从而增强定子铁心与转子铁心之间的径向作用力；

所述的轴向磁轴承包括磁悬浮转子，沿所述磁悬浮转子的轴向两端分别设置用于提供转子轴向悬浮力与径向悬浮力的轴向磁轴承，所述转子轴向两端的轴向磁轴承成对称分布；

所述磁悬浮转子铁心和定子铁心的磁极均为环状磁极结构，转子铁心与定子铁心的磁极相对布置，磁极结构以及内侧磁极和外侧磁极端面的同心圆环结构尺寸均相同；

在所述转子轴向或者径向设置轴向位移传感器，所述轴向位移传感器与控制器连接，所述控制器分别通过功率放大器与磁悬浮转子轴向两端轴向磁轴承的线圈连接；

转子径向需要主动控制时，需要在转子径向安装用于测量转子径向位移的径向位移传感器，所述径向位移传感器共有四个，布置在转子外侧，分为两组，每组两个传感器成90度垂直安装，对径向位移进行检测；

通过控制两侧轴向磁轴承与转子之间气隙处的磁通，产生轴向恢复力，使转子在轴向保持主动的稳定悬浮；

当转子发生某一径向位移时，轴向磁轴承与转子之间的电磁力将产生径向分力，所述径向分力方向与转子径向位移方向相反，指向轴心，所述径向分力使转子回到径向平衡位置，从而保持转子的径向悬浮；

当转子沿径向轴发生微小角偏移时，所述两侧轴向磁轴承的径向分力产生一个恢复力矩，使转子回到平衡位置。

2.如权利要求1所述的一种具有环状磁极结构的轴向磁轴承，其特征是，所述轴向位移传感器设置在转子径向时，转子上布置用于提供传感器信号源的永磁环，永磁环采用轴向充磁，永磁环位置与传感器处于同一轴向位置。

3.如权利要求1所述的一种具有环状磁极结构的轴向磁轴承，其特征是，所述轴向磁轴承为电磁轴承或者电磁永磁混合磁轴承。