CN104632891B - 叠片铁芯式六环冗余轴向磁力轴承 - Google Patents

Abstract

本发明是一种叠片铁芯式六环冗余轴向磁力轴承，其由推力盘、转子和两个磁力轴承定子组成，其中：推力盘与转子固定连接为一整体。两个磁力轴承定子均为圆盘形状，分别位于推力盘的两侧；每个磁力轴承定子上均开有六个结构相同的方形槽，六个方形槽在磁力轴承定子圆周方向上均匀布置，每个方形槽内固定结构完全相同的U形硅钢片叠片铁芯，铁芯上缠绕匝数相同的线圈。本发明解决了现有轴向磁力轴承不能采用硅钢片叠片的形式，降低了轴向磁力轴承中的涡流损耗和温升，极大的提高了轴向磁力轴承工作的可靠度，较现有的轴向磁力轴承具有明显的优势。

Description

叠片铁芯式六环冗余轴向磁力轴承

技术领域

本发明涉及轴向磁力轴承，更具体的是一种叠片铁芯式六环冗余轴向磁力轴承。

背景技术

磁力轴承是一种新型的轴承，是利用电磁力将导磁体悬浮起来，从而实现对转子的无接触支承。与普通轴承相比，磁力轴承具有无需润滑、可用于高速度、高精度、寿命长等特点，从根本上改变了传统的支承形式，己成为某些应用领域不可替代的支承技术。随着磁力轴承技术应用的不断扩展，对磁力轴承系统工作的可靠性和容错能力提出了更高的要求。

目前，常规的五自由度磁悬浮转子系统由两个径向磁力轴承和一个轴向磁力轴承组成。冗余设计是提高磁力轴承系统可靠性的一种方法。

从20世纪90年代至今，国内外学者关于磁力轴承冗余研究的重点集中在径向磁力轴承上，而对轴向磁力轴承的研究很少。目前看来，轴向磁力轴承定子有单环结构和两环冗余结构，无论是单环结构还是两环冗余结构，其定子线圈均为绕定子轴心线的同心圆环，而定子铁芯材料通常采用实心结构，然而现代磁力轴承通常采用开关功放，而开关功放提供的放大电流里叠加有高频调制三角波电流，这些高频电流在实心定子铁芯和转子中会产生较大的涡流损耗，涡流损耗使轴向定子和转子发热，产生热膨胀，影响轴向磁轴承的定位精度，在涡流损耗足够大时，会引起定子和转子变形，影响转子的正常运转。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种叠片铁芯式六环冗余轴向磁力轴承，以便解决如何通过轴向磁力轴承中定子结构的变化将轴向磁力轴承中的实心式铁芯结构用叠片式硅钢片来代替，使轴向磁力轴承中的涡流损耗减少，降低轴向磁力轴承温升的技术问题。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的叠片铁芯式六环冗余轴向磁力轴承，其由推力盘、转子和两个磁力轴承定子组成，其中：推力盘与转子固定连接为一整体。两个磁力轴承定子均为圆盘形状，分别位于推力盘的两侧；每个磁力轴承定子上均开有六个结构相同的方形槽，六个方形槽在磁力轴承定子圆周方向上均匀布置，每个方形槽内固定结构完全相同的U形硅钢片叠片铁芯，铁芯上缠绕匝数相同的线圈。

所述的推力盘通过温差装配法与转轴过盈配合连接。

所述两个磁力轴承定子通过过盈连接固定安装在转子箱体上面，并且面对面地设置在推力盘的两侧。

所述推力盘两侧端面与两磁力轴承定子端面均留有气隙。

所述两个磁力轴承定子上面的定子线圈在轴向方向上的轮廓投影完全重合。

所述推力盘固接在转子的外圆周上，推力盘的轴线与转子的轴线重合，推力盘与转子成为一体，工作时推力盘与转子一起运动。

所述两个磁力轴承定子侧面均匀装配有6个紧定螺钉以及硅钢片上开有直口，以实现对硅钢片的定位以及夹紧。

本发明与现有技术相比具有以下的优点：

1.解决了现有轴向磁力轴承不能采用硅钢片叠片的形式，极大地降低了轴向磁力轴承中的涡流损耗，从而降低了轴向磁力轴承的温升，极大的提高了轴向磁力轴承工作的可靠度，较现有的轴向磁力轴承具有明显的优势。

2.相比较整体式六环冗余轴向磁力轴承，叠片式六环冗余轴向磁力轴承在最大承载力相同(F_max＝54N)，定子外径相同(2R₂＝108mm)，转子直径相同(d＝20mm)的条件下，叠片铁芯式六环冗余轴向磁力轴承的整体温度仅为整体式六环冗余轴向磁力轴承整体温度的52.6﹪(235×52.6°＝123.5℃)。

附图说明

图1是本发明叠片铁芯式轴向磁力轴承的装配图。

图2是图1的拆去转子箱体的C-C剖视图。

图3是图1的拆去转子箱体的B-B剖视图。

图4是图1的拆去转子箱体的A-A剖视图。

图5是硅钢片叠片铁芯的主视图(共40片硅钢片，每片厚度0.5毫米)。

图6是图5的左视图。

图7是单片硅钢片的尺寸示意图。

图8是主视面线圈腔尺寸示意图。

图中：1.铁芯；2.磁力轴承定子；3.推力盘；4.定子线圈；5.转子；6.转子箱体；7.单片硅钢片；8.紧定螺钉

具体实施方式

下面结合实例及附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的叠片式六环冗余轴向磁力轴承，其结构如图1至图8所示，包括推力盘3、转子5和左右两个磁力轴承定子2，其中：两个磁力轴承定子均为圆盘形状，每个磁力轴承定子上均开有六个结构相同的方形槽，六个方形槽在磁力轴承定子圆周方向上均匀布置，每个方形槽内固定缠绕结构完全相同的叠片式硅钢片定子线圈。而推力盘通过温差装配法与转轴过盈配合连接。

所述的推力盘通过温差装配法与转轴过盈配合连接。所述温差装配法是一种过盈配合连接方法，包括冷缩、热胀以及冷热结合的工艺方法，使本来是过盈配合的零件在装配过程中变为间隙装配。完成装配后，零件在工作温度下仍为过盈配合。

所述两个磁力轴承定子通过过盈连接固定安装在转子箱体上面，并且面对面地设置在推力盘的两侧。

所述推力盘两侧端面与两磁力轴承定子端面均留有气隙。该气隙一般为0.3mm。

所述两个磁力轴承定子上面的定子线圈在轴向方向上的轮廓投影完全重合。

所述推力盘固接在转子的外圆周上，推力盘的轴线与转子的轴线重合，推力盘与转子成为一体，工作时推力盘与转子一起运动。

所述两个磁力轴承定子侧面均匀装配有6个紧定螺钉以及硅钢片上开有直口，以实现对硅钢片的定位以及夹紧。

本发明提供的上述叠片铁芯式六环冗余轴向磁力轴承，其计算原理如下：

1.设计计算以及对比计算证明：

首先根据安培环路定理：NI₀＝2B₀x₀/μ₀定线圈匝数N＝47.7，取N＝32。

由于在相同的区域面积下，圆形形状的面积是最大的。而叠片式轴向磁力轴承磁极区域是四边形区域，经过估算在每环的区域内是不能取到像原有的六环轴向磁力轴承那么大的磁极面积的。所以在设计叠片式轴向磁力轴承时，根据面积最大化原则来选取磁极面积。

然后根据电磁力方程：定磁极面积S＝298.4mm²，取磁极面积A＝260mm²

又因为A＝L₁×L₅。取L₂＝13mm,则L₅＝20mm。此时理论电磁力

导线线径：定导线径d_w＝1.236mm,查标准(加上绝缘漆包线厚度)，取d_w

确定定子的线圈腔面积：

取线圈腔面积A_cu＝88mm²＝(S₅-10-S₄)×S₃，取S₃＝8mm,S₅-S₄＝21mm。

由于要保证硅钢片上任意截面处的面积均要相等，取硅钢片一侧到中心线的距离为

17mm,取则S₅＝34mm。因为所选用的硅钢片取C型结构，查相关标准硅钢片厚度取0.5mm。因为L₅＝20mm，所以每个轴向磁力轴承的磁极所要放置的硅钢片的数量为40片。

下面确定定子的内径2R₁和外径2R₂：

根据所设计的推力盘转子的外径为20mm，轴肩处的壁厚取4mm，则轴肩处直径为28mm。由此可以使定子的内径2R₁＝28+(4－8)mm.为了和已经设计好的六环冗余轴向磁力轴承做对比，取2R₁＝32mm、2R₂＝108mm，即R₁＝16mm、R₂＝54mm。

确定每个磁极所开硅钢片槽相对于定子中心的位置。根据刚才所确定的R₁、R₂的尺寸，以及L₄-L₃＝30mm，取L₄＝50mm,L₃＝20mm。

取推力盘转子外径：d＝20mm

推力盘轴肩处的壁厚取4mm，则轴肩处直径D₆＝28mm

定子内径：D₅＝D₆+(4～8)mm＝28+(4～8)＝32～36mm

取D5＝32mm

根据磁极面积相等以及隐含条件：

得出D2＝82mm，D3＝58mm，b＝3mm

Sc＝373mm²，So＝411mm²

又由不饱和条件，知：

定轴向长度ha＝22.8mm,考虑强度，取ha＝23mm

推力盘轴向尺寸：

t≥2×(h_a-L)

令t＝10mm

最后，根据以下关系求得所有的径向尺寸：

D₄＝D₅+2b

D₃＝D₄+2h

D₁＝D₂+2h

D₀＝D₁+2b

得到D₄＝38mm，D₁＝102mm，D₀＝108mm仿真磁力计算：

针对以上设计的叠片铁芯式轴向磁力轴承，对其在不同冗余失效情况下的温度场进行仿真。

根据公式计算线圈的铜损耗，根据公式计算磁滞损耗，根据公式计算涡流损耗。最后根据公式计算各部分的生热率。线圈铜损耗的计算过程与普通冗余轴向磁力轴承铜损耗计算过程相同，经过计算不论是哪种冗余失效方式，铜损耗的大小均为4.30w，但是由于不同冗余失效下线圈的体积不同，V_{单个线圈体积}＝1674.285mm³，关于铜损耗发热率见表2。

对于硅钢片叠片式结构(图6)，取硅钢片型号为50w270，查相关资料得到ρ＝44μΩ·cm，硅钢片的厚度为0.5mm，每个磁极总共有40片硅钢片。对于每片硅钢片来说其生热率：带入相关数据之后，求出q_e＝93.36。

而对于采用电工纯铁材质的定子和转子，根据上述公式同样可以求出其涡流损耗的生热率q_定子＝q_转子＝7.47×10⁵。

对于同一种结构来说，冗余电流的补偿并没有对磁力轴承的温度场造成特别大的影响。按照上表进行设计之后，叠片式冗余磁力轴承整体的平均温度约为123.5℃，普通轴向磁力轴承整体的平均温度约为235℃。叠片式的温度约为普通的52.6％。而经过仿真计算，当两种轴向磁力轴承的结构外形尺寸基本相同时，叠片式轴向磁力轴承的实际承载力可以达到普通六环磁力轴承的62％，而叠片铁芯式的温度仅为普通六环机构的52.5％。以上分析只是基于控制电路采用频率为50HZ的交变电流时磁力轴承温度场分析。由于硅钢片和电工纯铁的单位电阻率ρ相差较大，当交变电流的频率进一步升高时，普通六环轴向磁力轴承的温度会成二次方曲线的趋势迅速增加，而叠片铁芯式磁力轴承的温度并不会有十分明显的增加。

另外采用叠片铁芯式的轴向磁力轴承由于可以把铁芯分割成每一小片，这样可以大大减少涡流损耗。对于普通的轴向磁力轴承来说当控制电流的变化频率上升到100HZ的时候，磁力轴承的整体温度就会超过800℃以上。而对于叠片式冗余轴向磁力轴承来说，即使取变化频率f为5KHZ，经过仿真分析之后，整个磁力轴承的温度最高也才达到260℃左右。这更进一步说明叠片式冗余轴向磁力轴承在高频交流电路中比普通的六环冗余轴向磁力轴承温度要低。表1表示了叠片铁芯式轴向磁力轴承与普通六环冗余磁力轴承参数对比。

本发明提供的叠片铁芯式六环冗余轴向磁力轴承，其工作过程是：传感器检测到转子相对于参考位置的偏移，作为控制器的微处理就此给出一个控制信号，通过功率放大器后转变为控制电流，控制电流在电磁铁执行器中形成相应的电磁场，最终的结果是所形成的磁场力始终维持着转子悬浮在设定的位置上。但是由于普通轴向推力磁轴承的实铁芯结构和高频工作特性，定子和推力盘上会产生过大的铁芯损耗，且以涡流损耗为主。另外，磁轴承铁耗过高会产生大量的热量，导致铁芯温度升高，对磁轴承系统的可靠性、稳定性及动态性能等有多方面的影响。而叠片铁芯式的轴向磁力轴承在定子上刻槽，减小涡流回路，采用叠片的磁轴承替代普通轴向磁轴承，这样等效增加了定转子的电阻率，达到降低涡流损耗的目的。

表1叠片铁芯式轴向磁力轴承与普通六环冗余磁力轴承参数对比

表2在不同冗余失效情况下铜损耗发热率

Claims (7)

1.一种叠片铁芯式六环冗余轴向磁力轴承，其特征是由推力盘、转子和两个磁力轴承定子组成，其中：推力盘与转子固定连接为一整体；

两个磁力轴承定子均为圆盘形状，分别位于推力盘的两侧；每个磁力轴承定子上均开有六个结构相同的方形槽，六个方形槽在磁力轴承定子圆周方向上均匀布置，每个方形槽内固定结构完全相同的U形硅钢片叠片铁芯，铁芯上缠绕匝数相同的线圈，所述方形槽减小所述磁力轴承定子的涡流回路。

2.根据权利要求1所述的叠片铁芯式六环冗余轴向磁力轴承，其特征在于：推力盘通过温差装配法与转轴过盈配合连接。

3.根据权利要求1所述的叠片铁芯式六环冗余轴向磁力轴承，其特征在于：所述两个磁力轴承定子通过过盈连接固定安装在转子箱体上面，并且面对面地设置在推力盘的两侧。

4.根据权利要求3所述的叠片铁芯式六环冗余轴向磁力轴承，其特征在于：所述推力盘两侧端面与两磁力轴承定子端面均留有气隙。

5.根据权利要求1所述的叠片铁芯式六环冗余轴向磁力轴承，其特征在于：所述两个磁力轴承定子上面的定子线圈在轴向方向上的轮廓投影完全重合。

6.根据权利要求1所述的叠片铁芯式六环冗余轴向磁力轴承，其特征在于：所述推力盘固接在转子的外圆周上，推力盘的轴线与转子的轴线重合，推力盘与转子成为一体，工作时推力盘与转子一起运动。

7.根据权利要求1所述的叠片铁芯式六环冗余轴向磁力轴承，其特征在于：所述两个磁力轴承定子侧面均匀装配有6个紧定螺钉以及硅钢片上开有直口，以实现对硅钢片的定位以及夹紧。