CN105864292A - 一种永磁偏置三自由度磁轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种永磁偏置三自由度磁轴承，转子铁芯包括轴向部分、径向部分；所述定子包括右侧铁芯桥、左侧铁芯桥；右侧环形永磁体、左侧环形永磁体；右侧轴向控制铁芯、左侧轴向控制铁芯；左侧环形永磁体、右侧环形永磁体之间设置有径向控制铁芯，其定子齿上绕制有径向控制绕组；右侧轴向控制铁芯、左侧轴向控制铁芯与径向控制铁芯之间分别设置有右侧分磁铝环、左侧分磁铝环；右侧轴向控制铁芯、左侧轴向控制铁芯均呈E形结构，定子槽内分别绕制轴向控制绕组；本发明有效解决了现有三自由度磁轴承的不足，提供一种控制、制造与装配简单，轴向和径向控制磁通均不经过永磁体，可产生更大轴向和径向悬浮力的低功耗三自由度磁轴承结构。
Description
技术领域
本发明涉及轴承制造技术领域，具体涉及一种控制、制造与装配简单、轴向和径向控制磁通均不经过永磁体，可产生更大轴向和径向悬浮力的低功耗永磁偏置三自由度磁轴承。
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系统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永磁偏置三自由度磁轴承，本发明有效解决了现有三自由度磁轴承的不足，提供一种控制、制造与装配简单，轴向和径向控制磁通均不经过永磁体，可产生更大轴向和径向悬浮力的低功耗三自由度轴向磁轴承结构。
本发明通过以下技术方案实现：
一种永磁偏置三自由度磁轴承，包括定子、转子铁芯（8），其特征在于：所述转子铁芯（8）包括轴向部分、径向部分；所述定子包括沿转子铁芯（8的轴向部分，并以转子铁芯（8）的径向部分为对称中心，依次对称设置的右侧铁芯桥(1)、左侧铁芯桥(5)；右侧环形永磁体(3)、左侧环形永磁体(4)；右侧轴向控制铁芯(6)、左侧轴向控制铁芯(9)；左侧环形永磁体(4)、右侧环形永磁体(3)之间设置有径向控制铁芯（15），其定子齿上绕制有径向控制绕组(14)；右侧轴向控制铁芯(6)、左侧轴向控制铁芯(9)与径向控制铁芯（15）之间分别设置有右侧分磁铝环（2）、左侧分磁铝环（16）；右侧轴向控制铁芯(6)、左侧轴向控制铁芯(9)均呈E形结构，定子槽内分别绕制轴向控制绕组(7)。
本发明进一步技术改进方案是：
所述右侧轴向控制铁芯(6)、左侧轴向控制铁芯(9)分别均由上下位置设置的吸力圆盘(13、11)以及中间位置设置的控制圆盘（12、10）构成，轴向控制绕组(7)绕制于吸力圆盘(13、11)与控制圆盘（12、10）之间。
本发明进一步技术改进方案是：
所述控制圆盘（12、10）与转子铁芯（8）径向部分之间的气隙长度大于吸力圆盘（13、11）与转子铁芯（8）径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘（13、11）与转子铁芯（8）径向部分之间的气隙长度小于右侧轴向控制铁芯(6)、左侧轴向控制铁芯(9)与转子铁芯（8）轴向部分之间的气隙长度。
本发明进一步技术改进方案是：
所述右侧环形永磁体(3)、左侧环形永磁体(4)均为轴向充磁的环形永磁体，为磁轴承提供径向和轴向偏置磁通。
本发明进一步技术改进方案是：
所述右侧分磁铝环（2）、左侧分磁铝环（16）由整块铝材制成，保证永磁体既产生径向偏置磁通又产生轴向偏置磁通，且减少漏磁。
本发明进一步技术改进方案是：
所述右侧铁芯桥(1)、左侧铁芯桥(5)、右侧轴向控制铁芯(6)、左侧轴向控制铁芯(9)、转子铁芯（8）、径向控制铁芯（15）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：
所述右侧环形永磁体(3)、左侧环形永磁体(4)均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三自由度磁轴承，是由两个轴向磁化的环形永磁体分别提供轴向和径向偏置磁通，径向和轴向控制绕组分别产生径向和轴向控制磁通，径向的偏置磁通和控制磁通、轴向的偏置磁通和控制磁通相互作用，保证定、转子径向和轴向之间气隙均匀，实现转子径向和轴向稳定悬浮；
二、本发明采用隔磁铝环保证永磁体既产生径向偏置磁通又产生轴向偏置磁通，且减少漏磁；左侧轴向控制铁芯和右侧轴向控制铁芯均制成E型结构，在吸力圆盘和控制圆盘之间嵌入控制绕组。径向控制磁通经过径向控制铁芯的下侧、下侧径向工作气隙、转子铁芯的径向部分、上侧工作气隙、径向控制铁芯的上侧和圆周铁芯形成闭合路径；轴向控制磁通仅经过控制圆盘和吸力圆盘，形成闭合回路，轴向和径向控制磁通均不经过磁阻大的永磁体，具有可产生较大的悬浮力、低功耗、控制简单和易于实现等优点；
三、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为本发明永磁偏置三自由度磁轴承结构示意图；
图2为本发明永磁偏置三自由度磁轴承磁路示意图。
具体实施方式
本发明基于的原理是：左侧环形永磁体4产生偏置磁通28，从左侧环形永磁体4的N极出发，由左侧分磁铝环16分为两部分，即左侧轴向偏置磁通25和径向偏置磁通24，左侧轴向偏置磁通25经过左侧轴向控制铁芯9分成两部分，即磁通26和27，从吸力圆盘11进入左侧轴向工作气隙、转子铁芯8的径向部分，而径向偏置磁通24经过径向控制铁芯15、径向工作气隙，进入转子铁芯8的径向部分，然后两者一起经过转子铁芯8的轴向部分、左侧铁芯桥气隙、左侧铁芯桥 5，回到左侧环形永磁体4的S极，形成闭合磁路。右侧环形永磁体3产生偏置磁通18，从右侧环形永磁体3的N极出发，由右侧分磁铝环2分为两部分，即右侧轴向偏置磁通19和径向偏置磁通17，右侧轴向偏置磁通19经过右侧轴向控制铁芯6分成两部分，即磁通20和21，从吸力圆盘13进入右侧轴向工作气隙、转子铁芯8的径向部分，而径向偏置磁通17经过径向控制铁芯15、径向工作气隙，进入转子铁芯8的径向部分，然后两者一起经过转子铁芯8的轴向部分、右侧铁芯桥气隙、右侧铁芯桥1，回到右侧环形永磁体3的S极，形成闭合磁路。径向控制绕组14通电产生的控制磁通22起调节作用，用来改变磁轴承转子铁芯径向两侧气隙磁场的强弱，通过径向位移闭环控制，保持定、转子径向之间的气隙均匀，实现转子径向稳定悬浮；轴向控制绕组7通电产生左、右侧控制磁通29、23起调节作用，用来改变磁轴承转子铁芯径向部分左和右侧气隙磁场的强弱，通过轴向位移闭环控制，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，本发明由定子和转子组成，定子包括右侧铁芯桥1、右侧分磁铝环2、右侧环形永磁体3、左侧环形永磁体4、左侧铁芯桥5、右侧轴向控制铁芯6、轴向控制绕组7、左侧轴向控制铁芯9、径向控制绕组14、径向控制铁芯15和左侧分磁铝环16，转子铁芯8包括径向部分和轴向部分；其中，左侧轴向控制铁芯9和右侧轴向控制铁芯6均制成E型结构，左侧轴向控制铁芯9的中间为控制圆盘10、上下位置是吸力圆盘11，在吸力圆盘11和控制圆盘10之间嵌入轴向控制绕组7；右侧轴向控制铁芯6的中间为控制圆盘12、上下位置是吸力圆盘13，在吸力圆盘13和控制圆盘12之间嵌入轴向控制绕组7，四个轴向控制绕组可采用如图1所示的绕线方式串联而成。控制圆盘10、12与转子铁芯8径向部分之间的气隙长度大于吸力圆盘11、13与转子铁芯8径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘11、13与转子铁芯8径向部分之间的气隙长度小于左侧轴向控制铁芯9、右侧轴向控制铁芯6与转子铁芯8的轴向部分之间的气隙长度，在径向控制铁芯15上绕制径向控制绕组14。左侧分磁铝环16安装在径向控制铁芯15和左侧轴向控制铁芯9之间，右侧分磁铝环2安装在径向控制铁芯15和右侧轴向控制铁芯6之间，右侧环形永磁体3安装在右侧铁芯桥1与径向控制铁芯15、右侧分磁铝环2、右侧轴向控制铁芯6之间；左侧环形永磁体4安装在左侧铁芯桥5与径向控制铁芯15、左侧分磁铝环16、左侧轴向控制铁芯9之间。
如图2所示，左侧环形永磁体4产生偏置磁通28，从左侧环形永磁体4的N极出发，由左侧分磁铝环16分为两部分，即左侧轴向偏置磁通25和径向偏置磁通24，左侧轴向偏置磁通25经过左侧轴向控制铁芯9分成两部分，即磁通26和27，从吸力圆盘11进入左侧轴向工作气隙、转子铁芯8的径向部分，而径向偏置磁通24经过径向控制铁芯15、径向工作气隙，进入转子铁芯8的径向部分，然后两者一起经过转子铁芯8的轴向部分、左侧铁芯桥气隙、左侧铁芯桥铁芯5，回到左侧环形永磁体4的S极，形成闭合磁路；右侧环形永磁体3产生偏置磁通18，从右侧环形永磁体3的N极出发，由右侧分磁铝环2分为两部分，即右侧轴向偏置磁通19和径向偏置磁通17，右侧轴向偏置磁通19经过右侧轴向控制铁芯6分成两部分，即磁通20和21，从吸力圆盘13进入右侧轴向工作气隙、转子铁芯8的径向部分，而磁通17经过径向控制铁芯15、径向工作气隙，进入转子铁芯8的径向部分，然后两者一起经过转子铁芯8的轴向部分、右侧铁芯桥气隙、右侧铁芯桥 1，回到右侧环形永磁体3的S极，形成闭合磁路。
这种永磁偏置三自由度磁轴承利用两个轴向充磁的环形永磁体来建立轴向和径向偏置磁通，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，采用磁性能良好的稀土永磁体或铁氧体永磁体，控制绕组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)
1.一种永磁偏置三自由度磁轴承，包括定子、转子铁芯（8），其特征在于：所述转子铁芯（8）包括轴向部分、径向部分；所述定子包括沿转子铁芯（8）的轴向部分，并以转子铁芯（8）的径向部分为对称中心，依次对称设置的右侧铁芯桥(1)、左侧铁芯桥(5)；右侧环形永磁体(3)、左侧环形永磁体(4)；右侧轴向控制铁芯(6)、左侧轴向控制铁芯(9)；左侧环形永磁体(4)、右侧环形永磁体(3)之间设置有径向控制铁芯（15），其定子齿上绕制有径向控制绕组(14)；右侧轴向控制铁芯(6)、左侧轴向控制铁芯(9)与径向控制铁芯（15）之间分别设置有右侧分磁铝环（2）、左侧分磁铝环（16）；右侧轴向控制铁芯(6)、左侧轴向控制铁芯(9)均呈E形结构，定子槽内分别绕制轴向控制绕组(7)。
2.根据权利要求1所述的一种永磁偏置三自由度磁轴承，其特征在于：所述右侧轴向控制铁芯(6)、左侧轴向控制铁芯(9)分别均由上下位置设置的吸力圆盘(13、11)以及中间位置设置的控制圆盘（12、10）构成，轴向控制绕组(7)绕制于吸力圆盘(13、11)与控制圆盘（12、10）之间。
3.根据权利要求2所述的一种永磁偏置三自由度磁轴承，其特征在于：所述控制圆盘（12、10）与转子铁芯（8）径向部分之间的气隙长度大于吸力圆盘（13、11）与转子铁芯（8）径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘（13、11）与转子铁芯（8）径向部分之间的气隙长度小于右侧轴向控制铁芯(6)、左侧轴向控制铁芯(9)与转子铁芯（8）轴向部分之间的气隙长度。
4.根据权利要求1或2所述的一种永磁偏置三自由度磁轴承，其特征在于：所述右侧环形永磁体(3)、左侧环形永磁体(4)均为轴向充磁的环形永磁体，为磁轴承提供径向和轴向偏置磁通。
5.根据权利要求1或2所述的一种永磁偏置三自由度磁轴承，其特征在于：所述右侧分磁铝环（2）、左侧分磁铝环（16）由整块铝材制成，保证永磁体既产生径向偏置磁通又产生轴向偏置磁通，且减少漏磁。
6.根据权利要求1或2所述的一种永磁偏置三自由度磁轴承，其特征在于：所述右侧铁芯桥(1)、左侧铁芯桥(5)、右侧轴向控制铁芯(6)、左侧轴向控制铁芯(9)、转子铁芯（8）、径向控制铁芯（15）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所述的一种永磁偏置三自由度磁轴承，其特征在于：所述右侧环形永磁体(3)、左侧环形永磁体(4)均为稀土永磁材料制成。
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