CN106015331A - 一种低功耗永磁偏置五自由度集成化磁轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低功耗永磁偏置五自由度集成化磁轴承，包括定子、转子铁芯，所述转子铁芯包括轴向部分、径向部分；定子包括左侧径向磁轴承铁芯、右侧径向磁轴承铁芯；左侧环形永磁体、右侧环形永磁体；左侧轴向磁轴承铁芯、右侧轴向磁轴承铁芯；左侧轴向磁轴承铁芯与右侧轴向磁轴承铁芯之间设置有隔磁铝环；本发明有效解决了现有五自由度磁悬浮系统的不足，提供一种体积小、质量轻、轴向长度短、临界转速高、铁芯利用率高、结构、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五自由度集成化磁轴承。

Description

一种低功耗永磁偏置五自由度集成化磁轴承
技术领域
本发明涉及轴承制造技术领域，具体涉及一种轴向长度短、临界转速高、铁芯材料利用率高、体积小、质量轻、结构、制造与装配简单，并可产生更大轴向和径向悬浮力的低功耗永磁偏置五自由度集成化磁轴承。
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、转子之间无任何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。
要实现转子五自由度稳定悬浮，必须在转子的五个自由度上施加控制力。但是，现有的五自由度磁悬浮系统都是采用多个单独的轴向单自由度磁轴承、径向两自由度磁轴承或径向-轴向三自由度磁轴承单元，沿着轴向位置组合成五自由度磁悬浮系统，导致轴向长度较长，磁悬浮系统的临界转速低，输出功率小，系统结构与控制复杂，限制了磁悬浮系统优良特性的应用领域。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低功耗永磁偏置五自由度集成化磁轴承，本发明有效解决了现有五自由度磁悬浮系统的不足，提供一种体积小、质量轻、轴向长度短、临界转速高、铁芯利用率高、结构、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五自由度集成化磁轴承。
本发明通过以下技术方案实现：
一种低功耗永磁偏置五自由度集成化磁轴承，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，依次对称设置的左侧径向磁轴承铁芯(1)、右侧径向磁轴承铁芯(7)；左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(6)；左侧轴向磁轴承铁芯(3)、右侧轴向磁轴承铁芯(5)；左侧轴向磁轴承铁芯(3)与右侧轴向磁轴承铁芯(5)之间设置有隔磁铝环（4）；左侧径向磁轴承铁芯(1)、右侧径向磁轴承铁芯(7)的定子槽内分别绕制左侧径向磁轴承控制绕组（14）、右侧径向磁轴承控制绕组(15)；左侧轴向磁轴承铁芯(3)、右侧轴向磁轴承铁芯(5)均呈E形结构，定子槽内分别绕制有控制绕组(13)。
本发明进一步技术改进方案是：
所述左侧轴向磁轴承铁芯(3)、右侧轴向磁轴承铁芯(5)均由上下位置设置的吸力圆盘(11、12）以及中间位置设置的控制圆盘（9、10）构成，控制绕组(13)绕制于吸力圆盘(11)与控制圆盘（9）、吸力圆盘(12)与控制圆盘（10）之间。
本发明进一步技术改进方案是：
所述控制圆盘（9、10）与转子铁芯（8）径向部分之间的气隙长度大于吸力圆盘（11、12）与转子铁芯（8）径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘（11、12）与转子铁芯（8）径向部分之间的气隙长度小于左侧轴向磁轴承铁芯(3)和右侧轴向磁轴承铁芯(5)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：
所述左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(6)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：
所述隔磁铝环（4）由整块铝材制成，将左右两侧磁路相隔开，且减少漏磁。
本发明进一步技术改进方案是：
所述左侧径向磁轴承铁芯(1)、右侧径向磁轴承铁芯(7)、左侧轴向磁轴承铁芯(3)、右侧轴向磁轴承铁芯(5) 、转子铁芯（8）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：
所述左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(6)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五自由度集成化磁轴承，是由两个轴向磁化的环形永磁体在五个自由度上提供偏置磁通，控制绕组分别通电产生控制磁通，对应气隙的偏置磁通和控制磁通两者相互叠加，保证定、转子之间径向和轴向的气隙均匀，实现转子在五个自由度上稳定悬浮；
二、本发明各控制磁通均不经过磁阻大的永磁体形成闭合路径，具有可产生较大的轴向和径向悬浮力、低功耗的优点；
三、本发明采用隔磁铝环将左右两侧磁路相互隔离，且保证控制磁通不经过永磁体，且减少漏磁；
四、本发明永磁偏置五自由度集成化磁轴承是将组成定子的各部分按照轴向叠装而成，结构简单，易于制造和装配，铁芯利用率高，体积小，质量轻，轴向长度短，临界转速高，可应用于飞轮储能、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多领域。
附图说明
图1为本发明永磁偏置五自由度集成化磁轴承结构示意图；
图2为本发明永磁偏置五自由度集成化磁轴承磁路示意图。
具体实施方式
本发明基于的原理是：轴向磁化的左侧环形永磁体2给左侧径向磁轴承铁芯1、左侧轴向磁轴承铁芯3提供左侧偏置磁通16、 17以及18；轴向磁化的右侧环形永磁体6给右侧径向磁轴承铁芯7和右侧轴向磁轴承铁芯5提供右侧偏置磁通22、21以及24；控制绕组14产生左侧径向控制磁通20，与左侧偏置磁通16相互作用产生左侧径向悬浮力；控制绕组15产生右侧径向控制磁通23，与右侧偏置磁通22相互作用产生右侧径向悬浮力；控制绕组13分别产生左、右侧轴向控制磁通19和25，左侧轴向控制磁通19和左侧偏置磁通17、18相互作用，右侧轴向控制磁通25和右侧偏置磁通21、24相互作用，产生轴向悬浮力；永磁偏置五自由度集成化磁轴承在五个自由度上全部由永磁体产生偏置磁通，各控制绕组通电产生的控制磁通起调节作用，用来改变永磁偏置五自由度集成化磁轴承铁芯轴向和径向气隙磁场的强弱，通过位移闭环控制，保持定、转子轴向、径向之间的气隙均匀，实现转子的五自由度稳定悬浮。
如图1所示，本发明提出一种永磁偏置五自由度集成化磁轴承，即本发明的基本形式，由定子和转子组成，定子包括左侧径向磁轴承铁芯1、左侧环形永磁体2、左侧轴向磁轴承铁芯3、隔磁铝环4、右侧轴向磁轴承铁芯5、右侧环形永磁体6、右侧径向磁轴承铁芯7、轴向控制绕组13、左侧径向控制绕组14和右侧径向控制绕组15，转子铁芯8包括轴向部分、径向部分，轴向部分、径向部分互为垂直设置，整体呈十字状；左侧轴向磁轴承铁芯3制成E型结构，中间为控制圆盘9、上下位置是吸力圆盘11，在吸力圆盘和控制圆盘之间嵌入控制绕组13；右侧轴向磁轴承铁芯5也制成E型结构，中间为控制圆盘10、上下位置是吸力圆盘12，在吸力圆盘12和控制圆盘10之间嵌入控制绕组13，吸力圆盘11、12与转子铁芯8径向部分之间的气隙长度应小于控制圆盘9、10与转子铁芯8径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘11、12与转子铁芯8径向部分之间的气隙长度小于轴向磁轴承左右侧铁芯3和5与转子铁芯8轴向部分之间的气隙长度；左侧径向磁轴承铁芯1上绕制左侧径向控制绕组14，右侧径向磁轴承铁芯7上绕制右侧径向控制绕组15；上述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2和6均采用轴向磁化，分别安装在左侧径向磁轴承铁芯1和左侧轴向磁轴承铁芯3、右侧轴向磁轴承铁芯5和右侧径向磁轴承铁芯7之间。隔磁铝环4将左右两侧定子磁通相互隔开，减小漏磁，且保证控制磁通不经过永磁体。
如图2所示，轴向磁化的环形永磁体2的N极靠近左侧轴向磁轴承铁芯3侧，左侧偏置磁通16的磁路为：偏置磁通从左侧环形永磁体2的N极出发，经过左侧轴向磁轴承铁芯3，分成两部分，即左侧偏置磁通17和18，从左侧轴向磁轴承铁芯3的吸力圆盘11进入轴向工作气隙、转子铁芯8的径向部分、轴向部分、左侧径向磁轴承工作气隙、左侧径向磁轴承铁芯1，回到环形永磁体的S极，形成闭合磁路。轴向磁化的右侧环形永磁体6的N极靠近右侧轴向磁轴承铁芯5侧，右侧偏置磁通22的磁路为：偏置磁通从右侧环形永磁体6的N极出发，经过右侧轴向磁轴承铁芯5，分成两部分，即右侧偏置磁通21和24，从右侧轴向磁轴承铁芯5的吸力圆盘12进入轴向工作气隙、转子铁芯8的径向部分、轴向部分、右侧径向磁轴承工作气隙、右侧径向磁轴承铁芯7，回到环形永磁体的S极，形成闭合磁路。左侧径向控制磁通20经过左侧径向磁轴承铁芯1的下半部分、下侧工作气隙、转子轴向部分、上侧工作气隙、左侧径向磁轴承铁芯1的上半部分、定子圆周形成闭合路径；右侧径向控制磁通23经过右侧径向磁轴承铁芯7的下半部分、下侧工作气隙、转子轴向部分、上侧工作气隙、右侧径向磁轴承铁芯7的上半部分、定子圆周形成闭合路径；左侧轴向控制磁通19经过左侧轴向磁轴承铁芯3的吸力圆盘11、轴向工作气隙、转子径向部分和左侧轴向磁轴承铁芯3的控制圆盘9形成闭合路径；右侧轴向控制磁通25经过右侧轴向磁轴承铁芯5的吸力圆盘12、轴向工作气隙、转子径向部分和右侧轴向磁轴承铁芯5的控制圆盘10形成闭合路径；由于隔磁铝环4，保证控制磁通不经过环形永磁体，降低漏磁、功耗和增大轴向悬浮力。
这种永磁偏置五自由度集成化磁轴承利用两个轴向充磁的环形永磁体来建立径向和轴向偏置磁通，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，左侧环形永磁体2、右侧环形永磁体6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)

1.一种低功耗永磁偏置五自由度集成化磁轴承，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，依次对称设置的左侧径向磁轴承铁芯(1)、右侧径向磁轴承铁芯(7)；左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(6)；左侧轴向磁轴承铁芯(3)、右侧轴向磁轴承铁芯(5)；左侧轴向磁轴承铁芯(3)与右侧轴向磁轴承铁芯(5)之间设置有隔磁铝环（4）；左侧径向磁轴承铁芯(1)、右侧径向磁轴承铁芯(7)的定子槽内分别绕制左侧径向磁轴承控制绕组（14）、右侧径向磁轴承控制绕组(15)；左侧轴向磁轴承铁芯(3)、右侧轴向磁轴承铁芯(5)均呈E形结构，定子槽内分别绕制有控制绕组(13)。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗永磁偏置五自由度集成化磁轴承，其特征在于：所述左侧轴向磁轴承铁芯(3)、右侧轴向磁轴承铁芯(5)均由上下位置设置的吸力圆盘(11、12）以及中间位置设置的控制圆盘（9、10）构成，控制绕组(13)绕制于吸力圆盘(11)与控制圆盘（9）、吸力圆盘(12)与控制圆盘（10）之间。
3.根据权利要求2所述的一种低功耗永磁偏置五自由度集成化磁轴承，其特征在于：所述控制圆盘（9、10）与转子铁芯（8）径向部分之间的气隙长度大于吸力圆盘（11、12）与转子铁芯（8）径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘（11、12）与转子铁芯（8）径向部分之间的气隙长度小于左侧轴向磁轴承铁芯(3)和右侧轴向磁轴承铁芯(5)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所述的一种低功耗永磁偏置五自由度集成化磁轴承，其特征在于：所述左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(6)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所述的一种低功耗永磁偏置五自由度集成化磁轴承，其特征在于：所述隔磁铝环（4）由整块铝材制成，将左右两侧磁路相隔开，且减少漏磁。
6.根据权利要求1或2所述的一种低功耗永磁偏置五自由度集成化磁轴承，其特征在于：所述左侧径向磁轴承铁芯(1)、右侧径向磁轴承铁芯(7)、左侧轴向磁轴承铁芯(3)、右侧轴向磁轴承铁芯(5)、转子铁芯（8）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所述的一种低功耗永磁偏置五自由度集成化磁轴承，其特征在于：所述左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(6)均为稀土永磁材料制成。
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Denomination of invention: A low power permanent magnet biased five degree of freedom integrated magnetic bearing

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