CN105090245B - 一种非对称永磁偏置轴向磁轴承 - Google Patents
一种非对称永磁偏置轴向磁轴承 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种非对称永磁偏置轴向磁轴承，由定子铁心、带有推力盘的转子铁心、永磁体和激磁线圈组成。双E型定子铁心组成了磁轴承Z正负方向上的4个定子磁极，Z正和Z负方向各两个定子磁极。Z正方向和Z负方向的两个定子磁极之间是两个磁动势不同的环形永磁体，可以在提供偏置磁密的时候，同时产生轴向两个方向不同的静态承载力。本发明利用Z正和Z负方向采用不同磁动势的非对称环形永磁体在产生偏置磁场的同时，产生轴向两个方向不同的静态承载力，从而大大减小静态偏置电流；利用双E型的定子铁心的径向空间放置激励线圈，既节省了轴向空间，又避免了产生不必要的径向力，且具有性能可靠、利于控制，损耗小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种非对称永磁偏置轴向磁轴承，可作为电机、分子泵等机械设备中旋转部件的无接触支撑。
背景技术
磁悬浮轴承分为被动磁轴承、纯电磁式主动磁轴承和永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承。被动磁轴承虽然功耗低，但是不稳定；纯电磁式磁轴承使用的电流大、功耗大；永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，永磁体产生的磁场承担主要的承载力，电磁磁场提供辅助的调节承载力，因而这种轴承可大大减小控制电流，降低损耗。目前的永磁偏置轴向磁轴承结构主要有以下几种：一些永磁偏置轴向磁轴承使用圆柱形转子，但是没有推力盘，这样虽然转速可以保持很高，但是轴向负载力会受到限制。也有一些永磁偏置轴向磁轴承采用带推力盘的圆柱形转子，U型定子中间加上相同的永磁体，这样可以避免不必要的径向力。但是当存在轴向两端受力不均衡时，如鼓风机等，线圈电流中占主要分量的偏置电流较大，增加了绕组铜耗和控制功放损耗。还有一些永磁偏置的径轴向一体化磁轴承，虽然较小了体积，缩短了轴向长度，但是存在径轴向耦合问题。由于存在上述缺陷，故现有的永磁偏置轴向磁轴承存在功耗大的缺点，并且当出现轴向两个方向承载力不相同的情况时，现有的永磁偏置轴向磁轴承结构通常都采用偏置电流来提供静态承载力。这就会增加控制电流，加大损耗，增加磁轴承控制系统的复杂性和控制难度。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种适合于轴向两个方向承载力不同的场合使用的损耗小、易于控制、性能可靠的非对称永磁偏置轴向磁轴承，解决了轴向两个方向承载力不同时，对功耗要求高的磁轴承应用时所面临的降低损耗问题，且具有性能可靠、利于控制，损耗小的优点。
本发明的技术解决方案之一为：非对称永磁偏置轴向磁轴承由定子铁心、转子铁心、第一永磁体、激磁线圈和第二永磁体组成。双E型定子铁心组成了磁轴承Z正负方向上的4个定子磁极，Z正和Z负方向各两个定子磁极。Z正方向和Z负方向的两个定子磁极之间是两个形状大小相同但磁动势不同的环形永磁体。为了保证两个环形永磁体具有相同的温度和频率特性，采用不同牌号的永磁材料。两个环形永磁体，在提供偏置磁密的时候，同时产生静态承载力。定子铁心内部是转子铁心，Z正和Z负方向定子磁极之间是推力盘。定子磁极内表面，两个永磁体的内表面都分别与推力盘外表面留有一定的间隙，形成空气气隙。本发明利用Z正和Z负方向采用不同材料构成的非对称永磁体在产生偏置磁场的同时，轴向两个方向产生不同的静态承载力，从而大大减小静态偏置电流，减小功耗。
上述方案的原理是：永磁体给轴向磁轴承提供永磁偏置磁场，并承担磁轴承所受的静态轴向力，激磁线圈所产生的磁场起调节作用，用来改变每个磁极下磁场的强弱，保持磁轴承定子和推力盘气隙均匀，并使转子得到无接触的轴向支撑。本发明的永磁磁路分为第一永磁体产生的永磁磁路和第二永磁体产生的永磁磁路两部分。第一永磁体产生的永磁磁路为：一部分磁通从第一永磁体的N极出发，通过定子铁心构成的Z正方向的两个磁极、Z正方向磁极对应的气隙、第一永磁体对应的气隙回到第一永磁体的S极，形成磁悬浮轴承的第一偏置子磁路闭合回路，如图2的实线所示。另一部分磁通从第一永磁体的N极出发，通过定子铁心，Z负方向的两个磁极、Z负方向磁极对应的气隙、推力盘，第一永磁体对应的气隙回到第一永磁体的S极，形成磁悬浮轴承的第二偏置子磁路闭合回路，如图2的实线所示。第二永磁体产生的永磁磁路为：一部分磁通从第二永磁体的N极出发，通过定子铁心构成的Z负方向的两个磁极、Z负方向磁极对应的气隙、第二永磁体对应的气隙回到第二永磁体的S极，形成磁悬浮轴承的第三子偏置磁路闭合回路，如图2的点划线所示。另一部分磁通从第二永磁体的N极出发，通过定子铁心，Z正方向的两个磁极、Z正方向磁极对应的气隙、推力盘，第二永磁体对应的气隙回到第二永磁体的S极，形成磁悬浮轴承的第四偏置子磁路闭合回路，如图2的点划线所示。以Z轴正方向激磁线圈电流产生的磁通为例，其路径为：磁通的通过定子铁心构成的Z正方向的两个磁极，Z正方向磁极对应的气隙，推力盘，Z负方向磁极对应的气隙，定子铁心构成的Z负方向的两个磁极，最后汇合于定子铁心，形成控制磁通闭合回路，如图2的虚线所示。这种结构中，永磁体没有贯穿定子铁心，保证了电励磁磁路不通过永磁体内部而从定子铁心通过，从而减小了电励磁磁路的磁阻，降低了励磁电流。
本发明的技术解决方案之二为：非对称永磁偏置轴向磁轴承由定子铁心、带推力盘的转子铁心、第一永磁体、激磁线圈和第二永磁体组成。4个定子铁心组成了磁轴承Z正负方向上的4个定子磁极，Z正和Z负方向各两个定子磁极。Z正方向和Z负方向的两个定子磁极之间是材料相同，但是形状大小不同，充磁长度不同的两个环形永磁体。这样既保证了两个环形永磁体相同的温度和频率特性，又可以在提供偏置磁密的时候，产生静态承载力。定子铁心内部是转子铁心，Z正和Z负方向定子磁极之间是推力盘。定子磁极内表面，两个永磁体内表面都分别与推力盘外表面留有一定的间隙，形成Z正和Z负方向的空气气隙。本发明利用Z正和Z负方向采用不同形状大小相同材料的非对称永磁体在产生偏置磁场地同时，产生静态轴向承载力，从而大大减小静态偏置电流。
上述方案的原理是：永磁体给轴向磁轴承提供永磁偏置磁场，并承担磁轴承所受的静态轴向力，激磁线圈所产生的磁场起调节作用，用来改变每个磁极下磁场的强弱，保持磁轴承定子和推力盘气隙均匀，并使转子得到无接触的轴向支撑。本发明的永磁磁路分为第一永磁体产生的永磁磁路和第二永磁体产生的永磁磁路两部分。第一永磁体产生的永磁磁路为：一部分磁通从第一永磁体的N极出发，通过定子铁心构成的Z正方向的两个磁极、Z正方向磁极对应的气隙、第一永磁体对应的气隙回到第一永磁体的S极，形成磁悬浮轴承的第一偏置子磁路闭合回路，如图4的实线所示。另一部分磁通从第一永磁体的N极出发，通过定子铁心，Z负方向的两个磁极、Z负方向磁极对应的气隙、推力盘，第一永磁体对应的气隙回到第一永磁体的S极，形成磁悬浮轴承的第二偏置子磁路闭合回路，如图4的实线所示。第二永磁体产生的永磁磁路为：一部分磁通从第二永磁体的N极出发，通过定子铁心构成的Z负方向的两个磁极、Z负方向磁极对应的气隙、第二永磁体对应的气隙回到第二永磁体的S极，形成磁悬浮轴承的第三子偏置磁路闭合回路，如图4的点划线所示。另一部分磁通从第二永磁体的N极出发，通过定子铁心，Z正方向的两个磁极、Z正方向磁极对应的气隙、推力盘，第二永磁体对应的气隙回到第二永磁体的S极，形成磁悬浮轴承的第四偏置子磁路闭合回路，如图4的点划线所示。以Z轴正方向激磁线圈电流产生的磁通为例，其路径为：磁通的通过定子铁心构成的Z正方向的两个磁极，Z正方向磁极对应的气隙，推力盘，Z负方向磁极对应的气隙，定子铁心构成的Z负方向的两个磁极，最后汇合于定子铁心，形成控制磁通闭合回路，如图4的虚线所示。这种结构中，永磁体没有贯穿定子铁心，保证了电励磁磁路不通过永磁体内部而从定子铁心通过，从而减小了电励磁磁路的磁阻，降低了励磁电流。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明由于采用永磁磁场作为偏置磁场，与传统纯电磁轴承相比消除了在线圈电流中占主要分量的偏置电流，降低了绕组铜耗和控制功放损耗，因此功耗很低。与现有的永磁偏置磁轴承相比，本发明非对称环形永磁体在产生偏置磁场地同时，产生静态轴向承载力，从而大大减小静态偏置电流，降低了绕组铜耗和控制功放损耗。
(2)本发明利用双E形状的定子铁心的径向空间放置轴向的控制线圈，可以降低转子的轴向长度，有利于转子模态和转速的提高。
附图说明
图1为本发明技术解决方案之一的非对称永磁偏置轴向磁轴承轴向截面图；
图2为本发明技术解决方案之一的非对称永磁偏置轴向磁轴承的磁路图；
图3为本发明技术解决方案之二的非对称永磁偏置轴向磁轴承轴向截面图；
图4为本发明技术解决方案之二的非对称永磁偏置轴向磁轴承的磁路图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明技术方案之一的两个形状大小相同而材料不同的永磁体构成的非对称永磁偏置轴向磁轴承，即本发明的基本形式。它由定子铁心1、带有推力盘的转子铁心2、第一永磁体3、第二永磁体5和激磁线圈4组成。双E型定子铁心组成了磁轴承Z正负方向上的4个定子磁极，Z正和Z负方向各两个定子磁极。Z正方向和Z负方向的两个定子磁极之间是两个形状大小相同而材料不同的环形永磁体，可以在提供偏置磁密的时候，同时产生轴向两个方向不同的静态承载力。根据所需的静态承载力大小不同而选择具有不同矫顽力的两个永磁体。本发明设定的轴承为提供Z正方向的静态承载力。沿Z负方向充磁的第二永磁体5的磁性材料矫顽力为沿Z正方向充磁的第二永磁体3的磁性材料矫顽力的0.5～0.8倍，具体值由实际所需的静态承载力来决定，当所需要的静态承载力越大时，则取值越小。与定子铁心内部Z是转子铁心，Z正和Z负方向定子磁极之间是推力盘。定子磁极内表面与推力盘外表面留有0.4mm的间隙，形成空气隙。激磁线圈4位于定子铁心2最外端与推力盘2-1之间形成的径向空间里，用来产生控制磁通。
如图2所示，为发明技术方案之一的两个形状大小相同而材料不同的永磁体构成的非对称永磁偏置轴向磁轴承的磁路图。本发明的永磁磁路分为第一永磁体5产生的永磁磁路4和第二永磁体11产生的永磁磁路10两部分。第一永磁体产生的永磁磁路4为：一部分磁通从第一永磁体5的N极出发，分别通过定子铁心构成的Z正方向的左磁极3和右磁极7、Z正方向磁极对应的气隙2、第一永磁体对应的气隙回到第一永磁体5的S极，形成磁悬浮轴承的第一偏置子磁路闭合回路，如图2的实线所示。另一部分磁通从第一永磁体5的N极出发，通过定子铁心，Z负方向的左磁极12和右磁极9、Z负方向磁极对应的气隙13、推力盘1，第一永磁体对应的气隙回到第一永磁体5的S极，形成磁悬浮轴承的第二偏置子磁路闭合回路，如图2的实线所示。第二永磁体11产生的永磁磁路为：一部分磁通从第二永磁体11的N极出发，分别通过定子铁心构成的Z负方向的左磁极12和右磁极9、Z负方向磁极对应的气隙13、第二永磁体对应的气隙回到第二永磁体11的S极，形成磁悬浮轴承的第三子偏置磁路闭合回路，如图2的点划线所示。另一部分磁通从第二永磁体11的N极出发，通过定子铁心，Z正方向的左磁极3和右磁极7、Z正方向磁极对应的气隙2、推力盘1，第二永磁体对应的气隙回到第二永磁体11的S极，形成磁悬浮轴承的第四偏置子磁路闭合回路，如图2的点划线所示。以Z轴正方向激磁线圈电流产生的磁通为例，其控制磁通路径6为：磁通的通过定子铁心构成的Z正方向的左磁极3和右磁极7，Z正方向磁极对应的气隙2，推力盘1，Z负方向磁极对应的气隙，定子铁心构成的Z负方向的左磁极12和右磁极9，最后汇合于定子铁心，形成控制磁通闭合回路，如图2的虚线所示。
如图3所示，为本发明技术方案之二的两个材料相同而形状大小不同的永磁体构成的非对称永磁偏置轴向磁轴承，它由定子铁心1、带有推力盘的转子铁心2、第一永磁体3、第二永磁体5和激磁线圈4组成。双E型定子铁心组成了磁轴承Z正负方向上的4个定子磁极，Z正和Z负方向各两个定子磁极。Z正方向和Z负方向的两个定子磁极之间是两个材料相同而形状大小不同的环形永磁体，可以在提供偏置磁密的时候，同时产生轴向两个方向不同的静态承载力。根据所需的静态承载力大小不同而调整两个永磁体充磁长度之差。本发明的轴承为提供Z正方向的静态承载力。第二永磁体5沿Z负方向的充磁长度为第二永磁体3沿Z正方向的充磁长度的0.5～0.8倍，具体值由实际所需的静态承载力来决定，当所需要的静态承载力越大时，则取值越小。与定子铁心内部Z是转子铁心，Z正和Z负方向定子磁极之间是推力盘。定子磁极内表面与推力盘外表面留有0.4mm的间隙，形成空气隙。激磁线圈4位于定子铁心2最外端与推力盘2-1之间形成的径向空间里，用来产生控制磁通。
如图4所示，为本发明技术方案之二的两个材料相同而形状大小不同的永磁体构成的非对称永磁偏置轴向磁轴承的磁路图。本发明的永磁磁路分为第一永磁体5产生的永磁磁路4和第二永磁体10产生的永磁磁路11两部分。第一永磁体产生的永磁磁路4为：一部分磁通从第一永磁体5的N极出发，分别通过定子铁心构成的Z正方向的左磁极3和右磁极7、Z正方向磁极对应的气隙2、第一永磁体对应的气隙回到第一永磁体5的S极，形成磁悬浮轴承的第一偏置子磁路闭合回路，如图4的实线所示。另一部分磁通从第一永磁体5的N极出发，通过定子铁心，Z负方向的左磁极12和右磁极9、Z负方向磁极对应的气隙13、推力盘1，第一永磁体对应的气隙回到第一永磁体5的S极，形成磁悬浮轴承的第二偏置子磁路闭合回路，如图4的实线所示。第二永磁体10产生的永磁磁路为：一部分磁通从第二永磁体10的N极出发，分别通过定子铁心构成的Z负方向的左磁极12和右磁极9、Z负方向磁极对应的气隙13、第二永磁体对应的气隙回到第二永磁体10的S极，形成磁悬浮轴承的第三子偏置磁路闭合回路，如图4的点划线所示。另一部分磁通从第二永磁体10的N极出发，通过定子铁心，Z正方向的左磁极3和右磁极7、Z正方向磁极对应的气隙2、推力盘1，第二永磁体对应的气隙回到第二永磁体11的S极，形成磁悬浮轴承的第四偏置子磁路闭合回路，如图4的点划线所示。以Z轴正方向激磁线圈电流产生的磁通为例，其控制磁通路径6为：磁通的通过定子铁心构成的Z正方向的左磁极3和右磁极7，Z正方向磁极对应的气隙2，推力盘1，Z负方向磁极对应的气隙，定子铁心构成的Z负方向的左磁极12和右磁极9，最后汇合于定子铁心，形成控制磁通闭合回路，如图4的虚线所示。
上述本发明各技术方案所用的定子铁心1、转子铁心2可用导磁性能良好的电工薄钢板如电工纯铁电工硅钢板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79等磁性材料冲压迭制而成。推力盘2-1可用电工纯铁制成。第一永磁体3和第二永磁体5的材料为磁性能良好的稀土永磁体或铁氧体永磁体第一永磁体3和第二永磁体5为轴向圆环，其中第一永磁体3沿轴正向充磁，第二永磁体5沿轴负向充磁。激磁线圈4用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。
Claims (6)
1.一种非对称永磁偏置轴向磁轴承，包括4个定子铁心(1)、转子铁心(2)、第一永磁体(3)、激磁线圈(4)和第二永磁体(5)，其特征在于：所述4个定子铁心(1)组成磁轴承上下两端4个磁极，其中每2个定子铁心(1)组成了磁轴承一端的2个定子磁极；第一永磁体(3)位于由定子铁心(1)构成的Z正方向上的2个定子磁极之间，第二永磁体(5)位于由定子铁心(1)构成的Z负方向上的2个定子磁极之间；定子铁心(1)内部为转子铁心(2)，转子铁心带有推力盘(2-1)；定子铁心(1)构成的磁极内表面，第一永磁体(3)和第二永磁体(5)内表面均分别与推力盘(2-1)上下两个外表面均留有间隙，形成Z正方向空气气隙(6)和Z负方向空气气隙(7)；激磁线圈(4)位于定子铁心(2)最外端与推力盘(2-1)之间形成的径向空间里；永磁磁路分为第一永磁体产生的永磁磁路和第二永磁体产生的永磁磁路两部分，第一永磁体产生的永磁磁路为：一部分磁通从第一永磁体的N极出发，通过定子铁心构成的Z正方向的两个磁极、Z正方向磁极对应的气隙、第一永磁体对应的气隙回到第一永磁体的S极，形成磁悬浮轴承的第一偏置子磁路闭合回路；另一部分磁通从第一永磁体的N极出发，通过定子铁心，Z负方向的两个磁极、Z负方向磁极对应的气隙、推力盘，第一永磁体对应的气隙回到第一永磁体的S极，形成磁悬浮轴承的第二偏置子磁路闭合回路；第二永磁体产生的永磁磁路为：一部分磁通从第二永磁体的N极出发，通过定子铁心构成的Z负方向的两个磁极、Z负方向磁极对应的气隙、第二永磁体对应的气隙回到第二永磁体的S极，形成磁悬浮轴承的第三子偏置磁路闭合回路；另一部分磁通从第二永磁体的N极出发，通过定子铁心，Z正方向的两个磁极、Z正方向磁极对应的气隙、推力盘，第二永磁体对应的气隙回到第二永磁体的S极，形成磁悬浮轴承的第四偏置子磁路闭合回路；以Z轴正方向激磁线圈电流产生的磁通为例，其路径为：磁通的通过定子铁心构成的Z正方向的两个磁极，Z正方向磁极对应的气隙，推力盘，Z负方向磁极对应的气隙，定子铁心构成的Z负方向的两个磁极，最后汇合于定子铁心，形成控制磁通闭合回路；定子铁心(1)采用双E型结构，永磁体没有贯穿定子铁心，保证了电励磁磁路不通过永磁体内部而从定子铁心通过，从而减小了电励磁磁路的磁阻，降低了励磁电流；非对称永磁偏置轴向磁轴承技术解决方案为第一永磁体(3)和第二永磁体(5)的形状大小相同，但材料不同，采用不同的稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成或者第一永磁体(3)和第二永磁体(5)的材料是相同的，但大小形状不同的两个永磁体，采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成；第二永磁体(5)沿Z负方向的充磁长度为第一永磁体(3)沿Z正方向的充磁长度的0.5～0.8倍，具体值由实际所需的静态承载力来决定，当所需要的静态承载力越大时，则取值越小。
2.根据权利要求1所述的非对称永磁偏置轴向磁轴承，其特征在于：所述定子铁心(1)采用导磁性能良好的材料，包括电工纯铁、1J50或硅钢任意一种制成。
3.根据权利要求1所述的非对称永磁偏置轴向磁轴承，其特征在于：所述转子铁心(2)是带有推力盘(2-1)的圆柱形转子。
4.根据权利要求1所述的非对称永磁偏置轴向磁轴承，其特征在于：所述第一永磁体(3)和第二永磁体(5)为轴向圆环，第一永磁体(3)沿轴向正向充磁；第二永磁体(5)沿轴向负向充磁。
5.根据权利要求1所述的非对称永磁偏置轴向磁轴承，其特征在于：所述激磁线圈(4)采用电磁线，放置的位置是利用定子铁心(1)的径向空间。
6.根据权利要求1所述的非对称永磁偏置轴向磁轴承，其特征在于：所述第一永磁体(3)和第二永磁体(5)内表面均分别与推力盘(2-1)上下两个外表面均留有0.4mm的间隙。
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