CN106015332A - 新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承 - Google Patents

Abstract

一种新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其将轴向磁轴承和径向两自由度磁轴承合二为一，通过共用一个永久磁铁作为静态偏置磁场，并使偏置磁钢只提供平衡负载或外界干扰的动磁场，大大降低系统因偏磁电流产生的功率损耗，节约了能源，缩小了功放散热器的体积。

Description

新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承

技术领域

本发明涉及磁悬浮轴承技术领域，具体涉及一种新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承。

背景技术

飞轮储能是将高速旋转飞轮的机械能转换为所需能量的一种应用范围广泛的新型储能技术，相对其它储能技术，其具有高转化率、无污染、低噪声、维护简便，安装面积小等优点，在汽车、船舶、航天、电网等领域都有广泛的应用。

磁悬浮轴承是飞轮储能关键组成之一，其利用电磁力作用将转子悬浮于空间，使转子与定子之间没有机械摩擦，是一种新型、高性能轴承。在实现高转速的同时，还具有无机械磨损、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，磁悬浮轴承性能的好坏，直接影响飞轮储能设备储能转化效率的高低。

磁轴承按控制方式可分为主动磁轴承和被动磁轴承，按提供偏置方式又可分为纯电磁磁轴承和永磁偏置磁轴承。由于混合磁悬浮轴承用永久磁铁产生的磁场取代主动磁悬浮轴承中电磁铁产生的静态偏置磁场，具有降低功率放大器的功耗，减少电磁铁的安匝数，缩小磁悬浮轴承的体积，提高轴承承载能力等优点，因此，研究永磁偏置的混合磁轴承是磁悬浮轴承的一个重要研究方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其将轴向和径向自由度磁轴承做成一个整体，减少磁轴承体积，提高转子的动态性能，降低轴承的成本。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其特征是，包含：

轴向磁轴承定子，其由上下两个磁极组成，其包含上轴向定子磁极和下轴向定子磁极；

转子叠片，设置在所述的上轴向定子磁极与下轴向定子磁极之间，其与轴向磁轴承定子之间留有轴向工作气隙，其与上轴向定子磁极留有上轴向工作气隙，其与下轴向定子磁极之间留有下轴向工作气隙；

定子磁极叠片，设置在所述的上轴向定子磁极与下轴向定子磁极之间，并套设在所述转子叠片的外圈外，并与转子叠片之间留有径向工作气隙；

轴向控制线圈导磁环，位于所述定子磁极叠片的外圈；

轴向控制线圈，位于所述的定子磁极叠片的外圈与轴向控制线圈导磁环之间；

径向控制线圈，设置在所述的定子磁极叠片上；

上偏置磁钢和下偏置磁钢，同时提供径向和轴向静态偏磁磁通；所述上偏置磁钢磁路产生的永磁磁路经上偏置磁钢N极-上轴向定子磁极-上轴向工作气隙-转子叠片-径向工作气隙-定子磁极叠片-上偏置磁钢S极而闭合；所述下偏置磁钢磁路产生的永磁磁路经下偏置磁钢N极-下轴向定子磁极-下轴向工作气隙-转子叠片-径向工作气隙-定子磁极叠片-下偏置磁钢S极而闭合；当轴向控制线圈通电后，形成的磁场闭合磁路经轴向控制线圈导磁环-上轴向定子磁极-上轴向工作气隙-转子叠片-下轴向工作气隙-下轴向定子磁极，回到轴向控制线圈导磁环；当径向控制线圈通电后，形成的磁场闭合磁路经过定子磁极叠片-径向工作气隙，回到定子磁极叠片。

上述的新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其中：

所述的上偏置磁钢和下偏置磁钢均采用烧结钕铁硼材料，上下对称分布，充磁方向为轴向充磁，上偏置磁钢和下偏置磁钢的S极与定子磁极叠片连接。

上述的新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其中：

所述上偏置磁钢和下偏置磁钢均为圆环形，各自由12块完全相同的弧形磁块排列而成。

上述的新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其中：

所述轴向控制线圈导磁环、上下轴向定子磁极均采用电工纯铁制成。

上述的新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其中：

所述转子叠片由硅钢片叠加而成，两端由2片0.5mm叠加而成，中间层采用0.2mm叠加而成。

上述的新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其中：

所述定子磁极叠片由四个磁极组成，每个磁极绕有所述的径向控制线圈，以构成一由四个磁极组成的径向磁轴承定子，控制轴承径向运动方向。

上述的新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其中：

所述定子磁极叠片采用0.2m硅钢片叠压而成，每个磁极控制一个方向，绕线匝数为80。

上述的新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其中：

每个定子磁极叠片的磁极上分别设有径向控制线圈挡板，每个径向控制线圈分别绕置在对应的径向控制线圈挡板上。

上述的新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其中，还包含：

上下压环，其通过螺栓连接压紧所述定子磁极叠片的上下表面，进而固定在轴向磁轴承定子的上下两个磁极上。

上述的新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其中，还包含：

轴向线圈线座，设置在所述定子磁极叠片的外圈与轴向控制线圈导磁环之间，轴向控制线圈套置在该轴向线圈线座上；该轴向线圈绕线座采用铝合金材料制成。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、其将轴向磁轴承和径向两自由度磁轴承合二为一，通过共用一个永久磁铁作为静态偏置磁场，并使偏置磁钢只提供平衡负载或外界干扰的动磁场，大大降低系统因偏磁电流产生的功率损耗，节约了能源，缩小了功放散热器的体积；

2、混合磁轴承的电磁铁所需的安匝数只有主动磁轴承的一半，缩小了磁轴承的体积，减轻了磁轴承的重量；

3、结构合理、紧凑、轴向长度小，效率高，在高速飞轮储能系统中具有广阔应用前景。

附图说明

图1为本发明的整体结构剖视图；

图2为本发明的径向磁路图；

图3为本发明的径向绕线示意图；

图4为本发明的轴向绕线示意图；

图5为本发明的上偏置磁钢的整体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

一种新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其包含：轴向磁轴承定子，其由上下两个磁极组成，其包含上轴向定子磁极1和下轴向定子磁极4；转子叠片8，设置在所述的上轴向定子磁极1与下轴向定子磁极4之间，其与轴向磁轴承定子之间留有轴向工作气隙14，其与上轴向定子磁极1留有上轴向工作气隙，其与下轴向定子磁极4之间留有下轴向工作气隙；定子磁极叠片6，设置在所述的上轴向定子磁极1与下轴向定子磁极4之间，并套设在所述转子叠片8的外圈外，并与转子叠片8之间留有径向工作气隙15；轴向控制线圈导磁环3，位于所述定子磁极叠片6的外圈；轴向控制线圈11，位于所述定子磁极叠片6的外圈与轴向控制线圈导磁环3之间；径向控制线圈9，设置在所述的定子磁极叠片6上；上偏置磁钢12和下偏置磁钢5，同时提供径向和轴向静态偏磁磁通，所述的上偏置磁钢12和下偏置磁钢5均采用烧结钕铁硼材料，上下对称分布，充磁方向为轴向充磁，上偏置磁钢12和下偏置磁钢5的S极与定子磁极叠片6连接。当轴向控制线圈11通电后，形成的磁场闭合磁路经轴向控制线圈导磁环3-上轴向定子磁极1-上轴向工作气隙-转子叠片8-下轴向工作气隙-下轴向定子磁极4，回到轴向控制线圈导磁环3；当径向控制线圈9通电后，形成的磁场闭合磁路经过定子磁极叠片6-径向工作气隙15，回到定子磁极叠片6。

本实施例中，如图5所示，所述上偏置磁钢12为圆环形，由12块完全相同的弧形磁块排列而成，下偏置磁钢5的结构与上偏置磁钢12相同。所述轴向控制线圈导磁环3、上下轴向定子磁极1、4均采用电工纯铁制成。所述转子叠片8由硅钢片叠加而成，两端由2片0.5mm叠加而成，中间层采用0.2mm叠加而成即确保两端不因轴向磁力而变形，又确保减小涡流损耗，所述转子叠片8之间采用胶水粘结，可承受一定拉力。所述定子磁极叠片6由四个磁极组成，每个磁极绕有所述的径向控制线圈9，以构成一由四个磁极组成的径向磁轴承定子，控制轴承径向运动方向。所述定子磁极叠片6采用0.2m硅钢片叠压而成，每个磁极控制一个方向，绕线匝数为80。如图3所示，每个定子磁极叠片6的磁极上分别设有径向控制线圈挡板10，每个径向控制线圈9分别绕置在对应的径向控制线圈挡板10上。

本实施例中，如图1所示，所述的新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承还包含：上下压环7、13，其通过螺栓连接压紧所述定子磁极叠片6的上下表面，进而固定在轴向磁轴承定子的上下两个磁极上。如图4所示，还包含一个轴向线圈线座2，设置在所述定子磁极叠片6的外圈与轴向控制线圈导磁环3之间，轴向控制线圈11套置在该轴向线圈线座2上；该轴向线圈绕线座2采用铝合金材料制成。

本发明的轴向磁轴承工作原理是：上下偏置磁钢5、12磁路分为两路，一路经上偏置磁钢12N极-上轴向定子磁极1-上轴向工作气隙14-转子叠片8-径向工作气隙15-定子磁极叠片6-上偏置磁钢S极而闭合，另一路经下偏置磁钢5N极-下轴向定子磁极4-下轴向工作气隙14-转子叠片8-径向工作气隙15-定子磁极叠片6-下偏置磁钢S极而闭合。当转子叠片8处于平衡位置时，偏置磁钢产生的磁通在转子Z轴两侧的气隙是相同的，即Φ_pwn1＝Φ_pwn2，因而上下轴向磁轴承的偏置磁钢产生吸力F₁与F₂相同，为：

$F_1=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{pwn1}^2}{{\mathrm{\μ}}_0{A}_z}=F_2=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{pwn2}^2}{{\mathrm{\μ}}_0{A}_z}---\left(1\right)$

其中，μ₀为真空的磁导率，A_z为上下轴向定子磁极截面积；

如图2所示，假设转子叠片8(即转子、吸力盘)在参考位置上受到一个沿Z轴负向的扰动，转子就会偏离参考位置而向下运动，此时定转子之间的气隙就会发生变化，即上端轴向磁轴承定转子之间气隙变大，因而偏置磁钢产生的磁通减小，故产生的吸力减小；而下端轴向磁轴承定转子之间气隙变小，偏置磁钢产生的磁通增加，故产生的吸力增加，所以仅靠偏置磁钢是不能将轴向磁轴承转子稳定在平衡位置。此时，传感器检测出转子偏离其参考位置的位移，控制器将这一位移信号变换为控制信号，功率放大器又将该控制信号变换成控制电流，该控制电流使上轴向磁轴承和下轴向磁轴承定转子之间的气隙处产生电磁磁通Φ_iz1和Φ_iz2，Φ_iz1在上端轴向磁轴承定转子之间气隙处与永磁磁通Φ_pwn1叠加，使偏置磁钢在上轴向磁轴承定转子之间气隙处的吸力增加，而Φ_iz2在下端轴向磁轴承定转子之间气隙处抵消永磁磁通Φ_pwn2，使偏置磁钢在下端轴向磁轴承定转子之间的吸力减小，由此可得上下两端轴向磁轴承气隙处的吸力为：

$F_1=\frac{{({\mathrm{\Φ}}_{pwn1}+{\mathrm{\Φ}}_{iz1})}^2}{{\mathrm{\μ}}_0{A}_z}---\left(2\right)$

$F_2=\frac{{({\mathrm{\Φ}}_{pwn2}-{\mathrm{\Φ}}_{iz2})}^2}{{\mathrm{\μ}}_0{A}_z}---\left(3\right)$

此时转子可以重新返回到原来的平衡位置；同理，如果转子受到一个沿Z轴正向的扰动而向上运动时，可以得出类似的结论。

径向磁轴承工作原理与轴向磁轴承类似，如图2所示，上下偏置磁钢5、12在定子磁极叠片6和转子叠片8之间产生恒定的沿径向分布向外的磁通，﹢Y方向和-Y方向控制线圈连接在一起，线圈通正电流时，﹢Y方向产生沿径向向外控制磁通，与永磁偏置磁通同向，磁场强度加强；-Y方向产生沿径向向内的同等大小的磁通，与永磁偏置磁通反向，磁场强度减弱，因此会对转子叠片8产生向上的磁拉力。

综上所述，本发明将轴向磁轴承和径向两自由度磁轴承合二为一，通过共用一个永久磁铁作为静态偏置磁场，并使偏置磁钢只提供平衡负载或外界干扰的动磁场，大大降低系统因偏磁电流产生的功率损耗，节约了能源，缩小了功放散热器的体积。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于，包含：

轴向磁轴承定子，其由上下两个磁极组成，其包含上轴向定子磁极(1)和下轴向定子磁极(4)；

转子叠片(8)，设置在所述的上轴向定子磁极(1)与下轴向定子磁极(4)之间，其与轴向磁轴承定子之间留有轴向工作气隙(14)，其与上轴向定子磁极(1)留有上轴向工作气隙，其与下轴向定子磁极(4)之间留有下轴向工作气隙；

定子磁极叠片(6)，设置在所述的上轴向定子磁极(1)与下轴向定子磁极(4)之间，并套设在所述转子叠片(8)的外圈外，并与转子叠片(8)之间留有径向工作气隙(15)；

轴向控制线圈导磁环(3)，位于所述定子磁极叠片(6)的外圈；

轴向控制线圈(11)，位于所述定子磁极叠片(6)的外圈与轴向控制线圈导磁环(3)之间；

径向控制线圈(9)，设置在所述的定子磁极叠片(6)上；

上偏置磁钢(12)和下偏置磁钢(5)，同时提供径向和轴向静态偏磁磁通；所述上偏置磁钢(12)磁路产生的永磁磁路经上偏置磁钢(12)N极-上轴向定子磁极(1)-上轴向工作气隙-转子叠片(8)-径向工作气隙-定子磁极叠片(6)-上偏置磁钢(12)S极而闭合；所述下偏置磁钢(5)磁路产生的永磁磁路经下偏置磁钢(5)N极-下轴向定子磁极(4)-下轴向工作气隙-转子叠片(8)-径向工作气隙-定子磁极叠片(6)-下偏置磁钢(5)S极而闭合；当轴向控制线圈(11)通电后，形成的磁场闭合磁路经轴向控制线圈导磁环(3)-上轴向定子磁极(1)-上轴向工作气隙-转子叠片(8)-下轴向工作气隙-下轴向定子磁极(4)，回到轴向控制线圈导磁环(3)；当径向控制线圈(9)通电后，形成的磁场闭合磁路经过定子磁极叠片(6)-径向工作气隙(15)，回到定子磁极叠片(6)。

2.如权利要求1所述的新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于：

所述的上偏置磁钢(12)和下偏置磁钢(5)均采用烧结钕铁硼材料，上下对称分布，充磁方向为轴向充磁，上偏置磁钢(12)和下偏置磁钢(5)的S极与定子磁极叠片(6)连接。

3.如权利要求1所述的新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于：

所述上偏置磁钢(12)和下偏置磁钢(5)均为圆环形，各自由12块完全相同的弧形磁块排列而成。

4.如权利要求1所述的新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于：

所述轴向控制线圈导磁环(3)、上下轴向定子磁极(1、4)均采用电工纯铁制成。

5.如权利要求1所述的新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于：

所述转子叠片(8)由硅钢片叠加而成，两端由2片0.5mm叠加而成，中间层采用0.2mm叠加而成。

6.如权利要求1所述的新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于：

所述定子磁极叠片(6)由四个磁极组成，每个磁极绕有所述的径向控制线圈(9)，以构成一由四个磁极组成的径向磁轴承定子，控制轴承径向运动方向。

7.如权利要求6所述的新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于：

所述定子磁极叠片(6)采用0.2m硅钢片叠压而成，每个磁极控制一个方向，绕线匝数为80。

8.如权利要求7所述的新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于：

每个定子磁极叠片(6)的磁极上分别设有径向控制线圈挡板(10)，每个径向控制线圈(9)分别绕置在对应的径向控制线圈挡板(10)上。

9.如权利要求1所述的新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于，还包含：

上下压环(7、13)，其通过螺栓连接压紧所述定子磁极叠片(6)的上下表面，进而固定在轴向磁轴承定子的上下两个磁极上。

10.如权利要求1所述的新型轴径向组合永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于，还包含：

轴向线圈线座(2)，设置在所述定子磁极叠片(6)的外圈与轴向控制线圈导磁环(3)之间，轴向控制线圈(11)套置在该轴向线圈线座(2)上；该轴向线圈绕线座(2)采用铝合金材料制成。