CN105840655B - 一种新型永磁偏置单自由度轴向磁轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型永磁偏置单自由度轴向磁轴承，包括定子、转子铁芯，所述定子包括左侧定子铁芯、右侧定子铁芯，左侧定子铁芯与右侧定子铁芯之间设置有环形永磁体，左侧定子铁芯、右侧定子铁芯与环形永磁体组成的环形空腔的上壁面内设置有隔磁铝环；左侧定子铁芯、右侧定子铁芯均呈E形结构，定子槽内分别绕制有控制绕组；本发明有效解决了现有轴向磁轴承的不足，提供一种控制、制造与装配简单，控制磁通不经过永磁体与转子轴向铁芯，可产生更大轴向悬浮力的低功耗单自由度轴向磁轴承。

Description

一种新型永磁偏置单自由度轴向磁轴承
技术领域
本发明涉及轴承制造技术领域，特别是一种控制、制造与装配简单、控制磁通不经过永磁体与转子轴向铁芯，可产生更大轴向悬浮力的低功耗永磁偏置单自由度轴向磁轴承。
背景技术
磁轴承是利用定子和转子之间的电磁力将转子悬浮于空间，使定、转子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承。由于定、转子之间不存在机械接触，所以磁悬浮轴承支撑的悬浮转子可达到很高的运转转速，并且具有无机械磨损、能耗低、寿命长、无需润滑、无污染等优点，特别适合应用于高速或超高速直接驱动领域。
目前，磁轴承按照磁力提供的方式分为以下三种：、主动磁轴承，由偏置电流产生偏置磁场，控制电流产生的控制磁通与偏置磁通相互叠加，从而产生可控的悬浮力，该种磁轴承体积、重量和功耗都比较大；、被动磁轴承，悬浮力完全由永磁体提供，所需的控制器简单，悬浮功耗小，但是刚度和阻尼都较小，一般运用于仅在一个方向上支撑物体或者是减轻作用在传统轴承上的负荷；、混合磁轴承，是采用永磁材料替代主动磁轴承中的电磁铁来产生偏置磁场，控制电流仅提供平衡负载或干扰的控制磁通，大大降低了磁轴承的功率损耗，缩小了磁轴承的体积，减轻其重量，并提高了承载能力。
目前，根据永磁偏置轴向磁轴承结构形式不同，可分为三种，、将永磁体置于转子中，导致其安装难度增大，转子强度低限制其转速的提升；、磁轴承将悬浮转子置于定子的两侧，轴向长度长，临界转速低；、磁轴承中轴向控制磁通穿过永磁体，对永磁体呈明显的去磁作用，漏磁较大，且永磁体的磁阻大，导致产生相同的轴向悬浮力所需电流大，功耗高，其应用场领域受到限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种新型永磁偏置单自由度轴向磁轴承，本发明有效解决了现有轴向磁轴承的不足，提供一种控制、制造与装配简单，控制磁通不经过永磁体与转子轴向铁芯，可产生更大轴向悬浮力的低功耗单自由度轴向磁轴承结构。
本发明通过以下技术方案实现：
一种新型永磁偏置单自由度轴向磁轴承，包括定子、转子铁芯（11），其特征在于：所述转子铁芯（11）包括轴向部分、径向部分；所述定子包括沿转子铁芯（11）的轴向部分，并以转子铁芯（11）的径向部分为对称中心，对称设置有左侧定子铁芯（1）、右侧定子铁芯（4），左侧定子铁芯（1）与右侧定子铁芯（4）之间设置有环形永磁体（3），左侧定子铁芯（1）、右侧定子铁芯（4）与环形永磁体（3）组成的环形空腔的上壁面内设置有隔磁铝环（2）；左侧定子铁芯（1）、右侧定子铁芯（4）均呈E形结构，定子槽内分别绕制有控制绕组（12）。
本发明进一步技术改进方案是：
所述左侧定子铁芯（1）、右侧定子铁芯（4）均由上、下位置设置的吸力圆盘(5、9；6、10)以及中间位置设置的控制圆盘（7、8）构成，控制绕组(12)绕制于吸力圆盘(5、9；6、10)与控制圆盘（7、8）之间。
本发明进一步技术改进方案是：
所述控制圆盘（7、8）与转子铁芯（11）径向部分之间的气隙长度大于吸力圆盘（5、9；6、10）与转子铁芯（11）径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘（5、9；6、10）与转子铁芯（11）径向部分之间的气隙长度小于左侧定子铁芯（1）和右侧定子铁芯（4）与转子铁芯（11）轴向部分之间的气隙长度。
本发明进一步技术改进方案是：
所述环形永磁体（3）为轴向充磁的环形永磁体，为磁轴承提供轴向偏置磁通。
本发明进一步技术改进方案是：
所述隔磁铝环（2）由整块铝材制成，减少漏磁。
本发明进一步技术改进方案是：
所述左侧定子铁芯（1）、右侧定子铁芯（4）、转子铁芯（11）均采用具有良好轴向和径向导磁性能的材料制成。
本发明进一步技术改进方案是：
所述环形永磁体（3）为稀土永磁材料制成。
本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：
一、本发明提出的永磁偏置单自由度轴向磁轴承，是由一个轴向磁化的环形永磁体提供偏置磁通，控制绕组产生左、右侧控制磁通，相应气隙处的控制磁通和偏置磁通相互叠加，通过轴向位移闭环控制，保证定、转子之间气隙均匀，实现转子轴向稳定悬浮；
二、本发明隔磁铝环保证控制磁通不经过永磁体，且减少漏磁；
三、本发明左、右侧定子铁芯均制成E型结构，控制磁通经过吸力圆盘、控制圆盘、左侧定子铁芯、左侧轴向工作气隙和转子铁芯的径向部分形成闭合路径；控制磁通经过吸力圆盘、控制圆盘、右侧定子铁芯、右侧轴向工作气隙和转子铁芯的径向部分形成闭合路径，不经过磁阻大的永磁体与转子铁芯轴向部分，具有可产生较大的轴向悬浮力、低功耗、控制简单和易于实现等优点。
本发明可广泛用于飞轮储能、各种高速机床主轴电机和密封泵类、离心机、压缩机、高速小型硬盘驱动装置等领域。
附图说明
图1为本发明新型永磁偏置单自由度轴向磁轴承结构示意图。
图2为本发明新型永磁偏置单自由度轴向磁轴承磁路示意图。
具体实施方式
本发明基于的原理是：轴向磁化的环形永磁体3给永磁偏置单自由度轴向磁轴承提供静态偏置磁通13，分成两部分由吸力圆盘6和10进入右侧轴向工作气隙，再由左侧轴向工作气隙进入左侧吸力圆盘5和9，控制绕组12通电产生的左侧控制磁通16和右侧控制磁通17起调节作用，用来改变磁轴承转子铁芯11径向部分轴向两侧气隙磁场的强弱，通过位移闭环控制，保持定、转子轴向之间的气隙均匀，实现转子轴向稳定悬浮。
如图1所示，本发明由左侧定子铁芯1、隔磁铝环2、环形永磁体3、右侧定子铁芯4、转子铁芯11组成；左侧定子铁芯1制成E型结构，中间为控制圆盘7、上、下位置是吸力圆盘5和9，在吸力圆盘5、9和控制圆盘7之间嵌入控制绕组12，通电产生左侧控制磁通16和右侧控制磁通17；右侧定子铁芯4也制成E型结构，中间为控制圆盘8、上、下位置是吸力圆盘6和10，在吸力圆盘6、10和控制圆盘8之间嵌入控制绕组12，吸力圆盘5、9；6、10与转子铁芯11径向部分之间的气隙长度小于控制圆盘7、8与转子铁芯11径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘5、9；6、10与转子铁芯11径向部分之间的气隙长度小于左侧定子铁芯1和右侧定子铁芯4与转子铁芯11轴向部分之间的气隙长度；左侧定子铁芯1、右侧定子铁芯4、转子铁芯11均由轴向和径向导磁性能良好的材料制成，环形永磁体3采用轴向磁化，安装在左侧定子铁芯1和右侧定子铁芯4之间，产生静态偏置磁通13，四个控制绕组12可采用如图1所示的绕线方式串联而成，仅需一个逆变器就可以实现控制电流的调节。
如图2所示，轴向磁化的环形永磁体3的N极靠近右侧定子铁芯4侧，则本发明的永磁偏置磁路为：静态偏置磁通13从环形永磁体3的N极出发，经过右侧定子铁芯4分成两部分，分别从吸力圆盘6和10进入右侧轴向工作气隙、转子铁芯11径向部分、左侧轴向工作气隙、吸力圆盘5和9、左侧定子铁芯1，回到环形永磁体3的S极形成闭合磁路，如图2中的虚线；控制绕组12产生的左侧控制磁通16和右侧控制磁通17如图2中的实线，左侧控制磁通16经过吸力圆盘5和9、控制圆盘7、左侧定子铁芯1、左侧轴向工作气隙和转子铁芯11的径向部分形成闭合路径；右侧控制磁通17经过吸力圆盘6和10、控制圆盘8、右侧定子铁芯4、右侧轴向工作气隙和转子铁芯11的径向部分形成闭合路径，由于隔磁铝环2，保证控制磁通不经过环形永磁体，降低漏磁、减小功耗和增大轴向悬浮力。
这种永磁偏置单自由度轴向磁轴承利用一个轴向充磁的环形永磁体3来建立偏置磁通，定、转子铁芯均由轴向和径向导磁性能良好的材料制成，环形永磁体采用轴向磁化，永环形永磁体3为径向圆环，沿轴向充磁，采用磁性能良好的稀土永磁体或铁氧体永磁体，控制绕组12均采用导电良好的电磁线圈绕制后侵漆烘干而成。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种新型永磁偏置单自由度轴向磁轴承，包括定子、转子铁芯（11），其特征在于：所述转子铁芯（11）包括轴向部分、径向部分；所述定子包括沿转子铁芯（11）的轴向部分，并以转子铁芯（11）的径向部分为对称中心，对称设置有左侧定子铁芯（1）、右侧定子铁芯（4），左侧定子铁芯（1）与右侧定子铁芯（4）之间设置有环形永磁体（3），左侧定子铁芯（1）、右侧定子铁芯（4）与环形永磁体（3）组成的环形空腔的上壁面内设置有隔磁铝环（2）；左侧定子铁芯（1）、右侧定子铁芯（4）均呈E形结构，定子槽内分别绕制有控制绕组（12），控制绕组（12）之间采用的绕线方式为串联。
2.根据权利要求1所述的一种新型永磁偏置单自由度轴向磁轴承，其特征在于：所述左侧定子铁芯（1）、右侧定子铁芯（4）均由上、下位置设置的吸力圆盘(5、9；6、10)以及中间位置设置的控制圆盘（7、8）构成，控制绕组(12)绕制于吸力圆盘(5、9；6、10)与控制圆盘（7、8）之间。
3.根据权利要求2所述的一种新型永磁偏置单自由度轴向磁轴承，其特征在于：所述控制圆盘（7、8）与转子铁芯（11）径向部分之间的气隙长度大于吸力圆盘（5、9；6、10）与转子铁芯（11）径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘（5、9；6、10）与转子铁芯（11）径向部分之间的气隙长度小于左侧定子铁芯（1）和右侧定子铁芯（4）与转子铁芯（11）轴向部分之间的气隙长度。
4.根据权利要求1或2所述的一种新型永磁偏置单自由度轴向磁轴承，其特征在于：所述环形永磁体（3）为轴向充磁的环形永磁体，为磁轴承提供轴向偏置磁通。
5.根据权利要求1或2所述的一种新型永磁偏置单自由度轴向磁轴承，其特征在于：所述隔磁铝环（2）由整块铝材制成，减少漏磁。
6.根据权利要求1或2所述的一种新型永磁偏置单自由度轴向磁轴承，其特征在于：所述左侧定子铁芯（1）、右侧定子铁芯（4）、转子铁芯（11）均采用具有良好轴向和径向导磁性能的材料制成。
7.根据权利要求4所述的一种新型永磁偏置单自由度轴向磁轴承，其特征在于：所述环形永磁体（3）为稀土永磁材料制成。
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