CN105114457A - 一种轴向径向电励磁磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种轴向径向电励磁磁轴承。所述磁轴承定子由E型定子和C型定子构成，转子由径向悬浮转子和轴向悬浮转子构成，绕组由偏置绕组、径向悬浮绕组和轴向悬浮绕组构成；径向悬浮绕组由两个径向方向悬浮绕组构成；E型定子和C型定子的个数均为4，其中E型定子中间齿宽为其余两齿的二倍；径向悬浮转子和轴向悬浮转子均为圆柱结构；偏置绕组同时提供径向和轴向偏置磁通，径向悬浮绕组控制径向悬浮，轴向悬浮绕组控制轴向悬浮。本发明的磁轴承轴向悬浮力与径向悬浮力相互解耦，两个径向悬浮力也相互解耦，且磁路相互隔离，容错性能好，控制变量少，控制简单，且功率电路数少。

Description

一种轴向径向电励磁磁轴承

技术领域

本发明涉及一种轴向径向电励磁磁轴承，属于磁悬浮轴承领域。

背景技术

磁悬浮轴承按照磁场建立方式的不同可分为主动型、被动型和混合型三种类型。主动型磁悬浮轴承由通入直流电的偏磁绕组在气隙中建立偏置磁场，由通入大小和方向都受到实时控制的交变电流的控制绕组来在气隙中建立控制磁场，这两个磁场在气隙中的叠加和抵消产生了大小和方向都可以主动控制的磁场吸力，从而实现了转子的稳定悬浮，这种类型的磁悬浮轴承刚度大，可以精密控制，但产生单位承载力所需的体积、重量和功耗也都比较大。

被动型磁悬浮轴承利用磁性材料之间的吸力或斥力来实现转子的悬浮，所需控制器简单，功耗小，但刚度和阻尼也都比较小。混合型磁悬浮轴承结合了主动型磁悬浮轴承和被动型磁悬浮轴承的特点，采用永磁材料替代偏磁线圈来产生所需的偏置磁场，因此电磁线圈匝数比主动型磁悬浮轴承少得多，较大程度地降低了磁悬浮轴承的功率损耗，减小了产生单位承载力所需的体积和重量，这使其在对体积和功耗有着严格要求的领域独特的优势。

主动型磁轴承，由于不存在永磁体，在高温等恶劣环境具有明显优势。为此，研究低功耗、解耦性好、容错性强、功率变换器成本低且控制简单的电励磁磁轴承，是一个重要的研究方向。

发明内容

本发明为了解决现有技术的不足，提出一种轴向径向电励磁磁轴承。所述轴承是一种悬浮力相互解耦、磁路相互隔离、容错性能好、控制变量少、控制简单且功率电路数少的轴向径向电励磁磁轴承。

本发明为解决上述问题，采用如下技术方案：

一种轴向径向电励磁磁轴承，包括径向磁轴承定子、轴向磁轴承定子、径向悬浮转子、轴向悬浮转子、偏置绕组、径向悬浮绕组和轴向悬浮绕组；

所述径向磁轴承定子由4个E型结构构成；所述轴向磁轴承定子由8个C型结构组成；所述径向悬浮转子和轴向悬浮转子均为圆柱结构；

所述径向悬浮转子布置在径向磁轴承定子内；所述径向悬浮转子和轴向悬浮转子套在转轴上；

所述径向磁轴承定子的4个E型结构在圆周上均匀分布，空间上相差90°；每个E型结构有3个齿，其中间齿为宽齿，其余两齿为窄齿，宽齿齿宽为窄齿的二倍；

每个E型结构的两个窄齿上各绕有1个绕组，共2个，串联在一起，形成1个窄齿绕组，4个E型结构形成4个窄齿绕组；所述4个窄齿绕组中相隔180°的两个窄齿绕组反向串联，形成1个径向悬浮绕组；另外两个相隔180°的窄齿绕组反向串联，形成另1个径向悬浮绕组；所述2个径向悬浮绕组空间上相隔90°；

所述轴向磁轴承定子的每4个C型结构组成1个轴向定子，共2个，且2个轴向定子齿与齿对齐；每个轴向定子中的4个C型结构在圆周上均匀分布，空间上相差90°；C型结构的齿部、轭部与E型结构宽齿的宽度相等；

每个轴向定子中的4个C型结构槽中共同嵌入1个圆环结构的绕组，共2个，反向串联在一起，构成1个轴向悬浮绕组；

所述轴向磁轴承定子、轴向悬浮转子和偏置绕组的结构，根据轴向悬浮转子数目的不同，有A、B两种结构形式，分别描述如下：

A，所述轴向悬浮转子数为1个，所述轴向磁轴承定子的2个轴向定子和1个轴向悬浮转子均布置在径向磁轴承定子的一侧，轴向悬浮转子布置在2个轴向定子的中间，且存有间隙；

所述2个轴向定子中的C型结构槽口方向相对，其中1个轴向定子与径向磁轴承定子紧密串联布置，其4个C型结构的轭部与4个E型结构的宽齿，紧密对齐布置；

径向磁轴承定子的每个宽齿上，和与之相连1个轴向定子的每个轭上，共同缠绕着1个绕组，共4个；另1个轴向定子的每个轭上也绕有1个绕组，共4个，从而形成8个绕组，串联一起构成1个偏置绕组；

B，所述轴向悬浮转子数为2个，所述1个轴向悬浮转子和1个轴向定子串联布置在径向磁轴承定子的一侧，剩余1个轴向悬浮转子和1个轴向定子串联布置在径向磁轴承定子的另一侧；

所述每个轴向定子的一侧与径向磁轴承定子紧密布置，其轭部与径向磁轴承定子的宽齿对齐，且C型结构槽口方向背离E型结构；另一侧与1个轴向悬浮转子串联布置，且存有间隙；

所述径向悬浮转子布置在2个轴向悬浮转子之间，套在转轴上；

径向磁轴承定子的每个宽齿上，和与之相连2个轴向定子的每个轭上，共同缠绕着1个绕组，共4个，串联一起构成1个偏置绕组。

本发明的有益效果：本发明提出了一种轴向径向磁轴承，采用本发明的技术方案，能够达到如下技术效果：

(1)各方向悬浮力间相互解耦；

(2)轴向磁通与径向磁路相互隔离，各方向上也相互隔离；

(3)轴向悬浮力与径向悬浮力共用一个偏置磁通；

(4)控制变量小、控制简单，功率电路数少、成本低。

附图说明

图1是本发明轴向径向磁轴承实施例1的三维结构示意图。

图2是本发明实施例1的径向磁通分布图。

图3是本发明实施例1的轴向磁通分布图。

图4是本发明实施例2的三维结构示意图。

附图标记说明：图1至图4中，1是径向磁轴承定子，2是径向悬浮转子，3是径向悬浮绕组，4是偏置绕组，5是轴向磁轴承定子，6是轴向悬浮转子，7是轴向悬浮绕组，8是轴向偏置绕组，9是转轴，10是偏置绕组产生的磁通，11为径向悬浮绕组产生的磁通，12是气隙1，13是气隙2，14是气隙3，15是气隙4，16、17、18分别为x、y、z方向坐标轴的正方向，19是偏置绕组产生的磁通。20是轴向悬浮绕组产生的磁通，21是气隙5，22是气隙6。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明一种轴向径向电励磁磁轴承的技术方案进行详细说明：

如图1所示，是本发明一种轴向径向电励磁磁轴承实施例1的三维结构示意图，其中，1是径向磁轴承定子，2是径向悬浮转子，3是径向悬浮绕组，4是偏置绕组，5是轴向磁轴承定子，6是轴向悬浮转子，7是轴向悬浮绕组，8是轴向偏置绕组，9是转轴。

一种轴向径向电励磁磁轴承，包括径向磁轴承定子、轴向磁轴承定子、径向悬浮转子、轴向悬浮转子、偏置绕组、径向悬浮绕组和轴向悬浮绕组；

所述径向磁轴承定子由4个E型结构构成；所述轴向磁轴承定子由8个C型结构组成；所述径向悬浮转子和轴向悬浮转子均为圆柱结构；

所述径向悬浮转子布置在径向磁轴承定子内；所述径向悬浮转子和轴向悬浮转子套在转轴上；

所述径向磁轴承定子的4个E型结构在圆周上均匀分布，空间上相差90°；每个E型结构有3个齿，其中间齿为宽齿，其余两齿为窄齿，宽齿齿宽为窄齿的二倍；E型结构的槽口面向于所述径向悬浮转子，其每个齿的齿中心线均相交于一点，且该点位于转轴的中心线上。

每个E型结构的两个窄齿上各绕有1个绕组，共2个，串联在一起，形成1个窄齿绕组，4个E型结构形成4个窄齿绕组；所述4个窄齿绕组中相隔180°的两个窄齿绕组反向串联，形成1个径向悬浮绕组；另外两个相隔180°的窄齿绕组反向串联，形成另1个径向悬浮绕组；所述2个径向悬浮绕组空间上相隔90°；

所述轴向磁轴承定子的每4个C型结构组成1个轴向定子，共2个，且2个轴向定子齿与齿对齐；每个轴向定子中的4个C型结构在圆周上均匀分布，空间上相差90°；C型结构的齿部、轭部与E型结构宽齿的宽度相等；C型结构槽口方向与转轴平行，其轭部中心线沿径向方向，且与转轴中心线正交；

每个轴向定子中的4个C型结构槽中共同嵌入1个圆环结构的绕组，共2个，反向串联在一起，构成1个轴向悬浮绕组；

所述轴向悬浮转子数为1个，所述轴向磁轴承定子的2个轴向定子和1个轴向悬浮转子均布置在径向磁轴承定子的一侧，轴向悬浮转子布置在2个轴向定子的中间，且存有间隙；

所述2个轴向定子中的C型结构槽口方向相对，其中1个轴向定子与径向磁轴承定子紧密串联布置，其4个C型结构的轭部与4个E型结构的宽齿，紧密对齐布置；

径向磁轴承定子的每个宽齿上，和与之相连1个轴向定子的每个轭上，共同缠绕着1个绕组，共4个；另1个轴向定子的每个轭上也绕有1个绕组，共4个，从而形成8个绕组，串联一起构成1个偏置绕组，提供轴向和径向悬浮所需的偏置磁通；

偏置绕组恒导通，同时为轴向悬浮力和径向悬浮力提供偏置磁通。控制x方向径向悬浮绕组的电流大小和方向，以控制x方向径向悬浮力；控制y方向径向悬浮绕组的电流大小和方向，以控制y方向径向悬浮力；控制z方向轴向悬浮绕组的电流大小和方向，以控制z方向轴向悬浮力；从而实现三自由度悬浮。

图2为本发明实施例1的径向磁通分布图。4个宽齿绕组串联一起构成1个偏置绕组，产生的磁通(如实线所示)，在空间上呈NNNN，或NSNS，或NNSS，或SSSS分布。当x方向径向悬浮绕组施加电流时，将产生一个磁通(如虚线所示)，在气隙1处，x方向径向悬浮绕组和偏置绕组产生磁通方向一样，磁通增加；而在气隙3处，方向相反，磁通减弱，进而产生一个x正方向的径向悬浮力。当x方向径向悬浮绕组施加电流反向时，产生一个x负方向的径向悬浮力。同理，控制y方向径向悬浮绕组的电流大小和方向，可以产生y方向的径向悬浮力。

图3为本发明实施例1的轴向磁通分布图。偏置绕组产生的磁通(如实线所示)，当轴向悬浮绕组施加电流时，将产生一个磁通(如虚线所示)，在气隙5处，轴向悬浮绕组和偏置绕组产生磁通方向相同，磁通增加；而在气隙5处，方向相反，磁通减弱，进而产生一个z正方向的轴向悬浮力。当轴向悬浮绕组施加的电流反向时，产生一个z负方向的轴向悬浮力。

如图4所示，是本发明实施例2的三维结构示意图，其中，1是径向磁轴承定子，2是径向悬浮转子，3是径向悬浮绕组，4是偏置绕组，5是轴向磁轴承定子，6是轴向悬浮转子，7是轴向悬浮绕组，9是转轴。

一种轴向径向电励磁磁轴承的第二种实施方式，与实施例1相比，区别在于，所述轴向悬浮转子数为2个，所述1个轴向悬浮转子和1个轴向定子串联布置在径向磁轴承定子的一侧，剩余1个轴向悬浮转子和1个轴向定子串联布置在径向磁轴承定子的另一侧；

所述每个轴向定子的一侧与径向磁轴承定子紧密布置，其轭部与径向磁轴承定子的宽齿对齐，且C型结构槽口方向背离E型结构；另一侧与1个轴向悬浮转子串联布置，且存有间隙；

所述径向悬浮转子布置在2个轴向悬浮转子之间，套在转轴上；

径向磁轴承定子的每个宽齿上，和与之相连2个轴向定子的每个轭上，共同缠绕着1个绕组，共4个，串联一起构成1个偏置绕组。

综上所述，本发明偏置绕组同时提供径向和轴向偏置磁通，径向悬浮绕组控制径向悬浮，轴向悬浮绕组控制轴向悬浮；轴向悬浮力与径向悬浮力相互解耦，两个径向悬浮力也相互解耦，且磁路相互隔离，容错性能好，控制变量少，控制简单，且功率电路数少。

对该技术领域的普通技术人员而言，根据以上实施类型可以很容易联想其他的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述具体实例，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员根据上述具体实例通过各种等同替换所得到的技术方案，均应包含在本发明的权利要求范围及其等同范围之内。

Claims (1)

1.一种轴向径向电励磁磁轴承，包括径向磁轴承定子、轴向磁轴承定子、径向悬浮转子、轴向悬浮转子、偏置绕组、径向悬浮绕组和轴向悬浮绕组；

所述径向磁轴承定子由4个E型结构构成；所述轴向磁轴承定子由8个C型结构组成；所述径向悬浮转子和轴向悬浮转子均为圆柱结构；

所述径向悬浮转子布置在径向磁轴承定子内；所述径向悬浮转子和轴向悬浮转子套在转轴上；

所述径向磁轴承定子的4个E型结构在圆周上均匀分布，空间上相差90°；每个E型结构有3个齿，其中间齿为宽齿，其余两齿为窄齿，宽齿齿宽为窄齿的二倍；

每个E型结构的两个窄齿上各绕有1个绕组，共2个，串联在一起，形成1个窄齿绕组，4个E型结构形成4个窄齿绕组；所述4个窄齿绕组中相隔180°的两个窄齿绕组反向串联，形成1个径向悬浮绕组；另外两个相隔180°的窄齿绕组反向串联，形成另1个径向悬浮绕组；所述2个径向悬浮绕组空间上相隔90°；

所述轴向磁轴承定子的每4个C型结构组成1个轴向定子，共2个，且2个轴向定子齿与齿对齐；每个轴向定子中的4个C型结构在圆周上均匀分布，空间上相差90°；C型结构的齿部、轭部与E型结构宽齿的宽度相等；

每个轴向定子中的4个C型结构槽中共同嵌入1个圆环结构的绕组，共2个，反向串联在一起，构成1个轴向悬浮绕组；

其特征在于：

所述轴向磁轴承定子、轴向悬浮转子和偏置绕组的结构，根据轴向悬浮转子数目的不同，有A、B两种结构形式，分别描述如下：

A，所述轴向悬浮转子数为1个，所述轴向磁轴承定子的2个轴向定子和1个轴向悬浮转子均布置在径向磁轴承定子的一侧，轴向悬浮转子布置在2个轴向定子的中间，且存有间隙；

所述2个轴向定子中的C型结构槽口方向相对，其中1个轴向定子与径向磁轴承定子紧密串联布置，其4个C型结构的轭部与4个E型结构的宽齿，紧密对齐布置；

径向磁轴承定子的每个宽齿上，和与之相连1个轴向定子的每个轭上，共同缠绕着1个绕组，共4个；另1个轴向定子的每个轭上也绕有1个绕组，共4个，从而形成8个绕组，串联一起构成1个偏置绕组；

B，所述轴向悬浮转子数为2个，所述1个轴向悬浮转子和1个轴向定子串联布置在径向磁轴承定子的一侧，剩余1个轴向悬浮转子和1个轴向定子串联布置在径向磁轴承定子的另一侧；

所述每个轴向定子的一侧与径向磁轴承定子紧密布置，其轭部与径向磁轴承定子的宽齿对齐，且C型结构槽口方向背离E型结构；另一侧与1个轴向悬浮转子串联布置，且存有间隙；

所述径向悬浮转子布置在2个轴向悬浮转子之间，套在转轴上；

径向磁轴承定子的每个宽齿上，和与之相连2个轴向定子的每个轭上，共同缠绕着1个绕组，共4个，串联一起构成1个偏置绕组。