CN106050918B - 一种永磁偏置五自由度集成化磁悬浮支撑系统 - Google Patents
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Abstract
发明公开了一种永磁偏置五自由度集成化磁悬浮支撑系统，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；左侧轴向控制铁芯、右侧轴向控制铁芯；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，定子齿上绕制有径向控制绕组；左侧轴向控制铁芯、右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；左侧径向磁轴承铁芯、右侧径向磁轴承铁芯定子槽内分别对应绕制左侧径向控制绕组、右侧径向控制绕组；左侧轴向控制铁芯、右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；本发明提供一种轴向长度短、临界转速高、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支撑系统。
Description
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，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悬浮支撑系统。
背景技术
磁悬浮支撑系统是利用定子和转子之间的电磁力将转子悬浮于空间，使定、转子之间没有任何机械接触的一种新型高性能支撑系统。由于定、转子之间不存在机械接触，所以由磁悬浮系统支撑的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。
要实现转子的五自由度稳定悬浮支撑，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支撑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支撑系统，导致轴向长度较长，悬浮支撑系统的临界转速低，输出功率小，系统结构与控制复杂，限制了磁悬浮支撑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永磁偏置五自由度集成化磁悬浮支撑系统，本发明有效解决了现有五自由度磁悬浮支撑系统的不足，提供一种轴向长度短、临界转速高、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悬浮支撑系统。
本发明通过以下技术方案实现：
一种永磁偏置五自由度集成化磁悬浮支撑系统，包括定子、转子铁芯（33），其特征在于：所述转子铁芯（33）包括轴向部分、径向部分；所述定子包括沿转子铁芯（33）的轴向部分，并以转子铁芯（33）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(9)；左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(8)；左侧轴向控制铁芯(4)、右侧轴向控制铁芯(7)；左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(8)之间设置有径向控制铁芯(5)，其定子齿上绕制有径向控制绕组(32)；左侧轴向控制铁芯(4)、右侧轴向控制铁芯(7)与径向控制铁芯（5）之间分别设置有右侧分磁铝环（6）、左侧分磁铝环（3）；左侧径向磁轴承铁芯(1)、右侧径向磁轴承铁芯(9)定子槽内分别对应绕制左侧径向控制绕组（15）、右侧径向控制绕组（16）；左侧轴向控制铁芯(4)、右侧轴向控制铁芯(7)均呈E形结构，定子槽内分别绕制轴向控制绕组(13)。
本发明进一步技术改进方案是：
所述左侧轴向控制铁芯(4)、右侧轴向控制铁芯(7)分别均由上下位置设置的吸力圆盘(10、14)以及中间位置设置的控制圆盘（11、12）构成，轴向控制绕组(13)绕制于吸力圆盘(10、14)与控制圆盘（11、12）之间。
本发明进一步技术改进方案是：
所述控制圆盘（11、12）与转子铁芯（33）径向部分之间的气隙长度大于吸力圆盘（10、14）与转子铁芯（33）径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘（10、14）与转子铁芯（33）径向部分之间的气隙长度小于左侧轴向控制铁芯(4)、右侧轴向控制铁芯(7)与转子铁芯（33）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(8)均为轴向充磁的环形永磁体，为五个自由度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（6）、左侧分磁铝环（3）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：
所述左侧径向磁轴承铁芯(1)、左侧轴向控制铁芯(4)、径向控制铁芯(5) 、右侧轴向控制铁芯(7)、转子铁芯（33）、右侧径向磁轴承铁芯(9)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(8)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、本发明永磁偏置五自由度集成化磁悬浮支撑系统，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，相应控制绕组分别通电产生轴向控制磁通、左侧径向控制磁通、右侧径向控制磁通、径向控制磁通，对应气隙的偏置磁通和控制磁通两者相互叠加，通过五个自由度上的位移闭环控制，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支撑。
二、本发明的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；左右侧分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；
三、本发明永磁偏置五自由度集成化磁悬浮支撑系统是将上述各部分沿着轴向叠装而成，结构简单，易于制造和装配，轴向长度短，临界转速高，可用于飞轮储能、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为本发明永磁偏置五自由度集成化磁悬浮支撑系统结构示意图；
图2为本发明永磁偏置五自由度集成化磁悬浮支撑系统磁路示意图。
具体实施方式
本发明基于的原理是：由两个轴向磁化的左侧环形永磁体2、右侧环形永磁体8给五自由度集成化磁悬浮支撑系统提供偏置磁通，即左侧径向磁轴承的左侧径向偏置磁通28、左侧轴向偏置磁通26和27、右侧径向偏置磁通18、右侧轴向偏置磁通20和21、径向偏置磁通17和24；左侧径向控制绕组15产生左侧径向控制磁通31，与左侧径向偏置磁通28相互作用产生左侧径向悬浮力；右侧径向控制绕组16产生右侧径向控制磁通30，与右侧径向偏置磁通18相互作用产生右侧径向悬浮力；轴向控制绕组13分别产生左侧轴向控制磁通29和右侧轴向控制磁通23，左侧轴向控制磁通29和左侧轴向偏置磁通26、27相互作用，右侧轴向控制磁通23和右侧轴向偏置磁通20、21相互作用，产生轴向悬浮力，径向控制绕组32产生径向控制磁通22，与径向偏置磁通17、24相互作用，产生径向悬浮力。永磁偏置五自由度集成化磁悬浮支撑系统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悬浮支撑系统各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支撑。
如图1所示，本发明由定子和转子组成，定子包括左侧径向磁轴承铁芯1、左侧环形永磁体2、左侧分磁铝环3、左侧轴向控制铁芯4、径向控制铁芯5、右侧分磁铝环6、右侧轴向控制铁芯7、右侧环形永磁体8、右侧径向磁轴承铁芯9。左侧径向磁轴承铁芯1的定子槽中嵌入左侧径向控制绕组15，右侧径向磁轴承铁芯9的定子槽中嵌入右侧径向控制绕组16。左侧轴向控制铁芯4制成E型结构，中间为控制圆盘11、上、下位置是吸力圆盘10，在吸力圆盘10和控制圆盘11之间嵌入轴向控制绕组13。右侧轴向控制铁芯7也制成E型结构，中间为控制圆盘12、上下位置是吸力圆盘14，在吸力圆盘14和控制圆盘12之间嵌入轴向控制绕组13，吸力圆盘10、14与转子铁芯33径向部分之间的气隙长度应小于控制圆盘11、12与转子铁芯33径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘10、14与转子铁芯33径向部分之间的气隙长度小于左侧轴向控制铁芯4、右侧轴向控制铁芯7与转子铁芯33轴向部分之间的气隙长度。径向控制铁芯5上绕制径向控制绕组32。左侧径向磁轴承铁芯1上绕制左侧径向控制绕组15，右侧径向磁轴承铁芯9上绕制右侧径向控制绕组16；转子铁芯33包括轴向部分和径向部分，左侧环形永磁体2和右侧环形永磁体8均采用轴向磁化，分别安装在左侧径向磁轴承铁1和左侧轴向控制铁芯4、径向控制铁芯5之间、右侧径向磁轴承铁芯9和轴右侧轴向控制铁芯7、径向控制铁芯5之间。左侧隔磁铝环3安装在左侧轴向控制铁芯4和径向控制铁芯5之间，右侧隔磁铝环6安装在右侧轴向控制铁芯7和径向控制铁芯5之间。
如图2所示，轴向磁化的左侧环形永磁体2的N极靠近径向控制铁芯5侧，左侧径向偏置磁通28的磁路为：左侧径向偏置磁通28从左侧环形永磁体2的N极出发，由左侧分磁铝环3分为两部分，即偏置磁通25和径向偏置磁通24，偏置磁通25经过左侧轴向控制铁芯4分成两部分，即左侧轴向偏置磁通26和27，从吸力圆盘10进入左侧轴向工作气隙、转子铁芯33的径向部分，而径向偏置磁通24经过径向控制铁芯5、径向工作气隙，进入转子铁芯33的径向部分，然后两者一起经过转子铁芯33的轴向部分、左侧径向磁轴承工作气隙、左侧径向磁轴承铁芯1，回到左侧环形永磁体的2的S极，形成闭合磁路。
右侧环形永磁体8产生右侧径向偏置磁通18，右侧径向偏置磁通18的磁路为：从右侧环形永磁体8的N极出发，由右侧分磁铝环6分为两部分，即偏置磁通19和径向偏置磁通17，偏置磁通19经过右侧轴向控制铁芯7分成两部分，即右侧轴向偏置磁通20和21，从吸力圆盘14进入右侧轴向工作气隙、转子铁芯33的径向部分，而径向偏置磁通17经过径向控制铁芯5、径向工作气隙，进入转子铁芯33的径向部分，然后两者一起经过转子铁芯33的轴向部分、右侧径向磁轴承工作气隙、右侧径向磁轴承铁芯1，回到右侧环形永磁体8的S极，形成闭合磁路。左侧径向控制磁通31经过左侧径向磁轴承铁芯1的下半部分、下侧工作气隙、转子铁芯33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30经过右侧径向磁轴承铁芯9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9的上半部分、定子圆周形成闭合路径；左侧轴向控制磁通29经过左侧轴向控制铁芯4的吸力圆盘10、轴向工作气隙、转子铁芯33径向部分和左侧轴向控制铁芯4的控制圆盘11形成闭合路径；右侧轴向控制磁通23经过右侧轴向控制铁芯7的吸力圆盘14、轴向工作气隙、转子铁芯33径向部分和右侧轴向控制铁芯7的控制圆盘12形成闭合路径；径向控制磁通22经过径向控制铁芯5的下半部分、下侧径向工作气隙、转子铁芯径向部分、上侧径向工作气隙、径向控制铁芯5的上半部分、定子圆周形成闭合路径。
这种永磁偏置五自由度集成化磁悬浮支撑系统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8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。磁偏置五自由度集成化磁悬浮支撑系统是将上述各部分沿着轴向叠装而成，轴向长度短、临界转速高、铁芯材料利用率高，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。
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)
1.一种永磁偏置五自由度集成化磁悬浮支撑系统，包括定子、转子铁芯（33），其特征在于：所述转子铁芯（33）包括轴向部分、径向部分；所述定子包括沿转子铁芯（33）的轴向部分，并以转子铁芯（33）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(9)；左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(8)；左侧轴向控制铁芯(4)、右侧轴向控制铁芯(7)；左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(8)之间设置有径向控制铁芯(5)，其定子齿上绕制有径向控制绕组(32)，左侧环形永磁体（2）的N极靠近径向控制铁芯（5）侧；左侧轴向控制铁芯(4)、右侧轴向控制铁芯(7)与径向控制铁芯（5）之间分别设置有右侧分磁铝环（6）、左侧分磁铝环（3）；左侧径向磁轴承铁芯(1)、右侧径向磁轴承铁芯(9)定子槽内分别对应绕制左侧径向控制绕组（15）、右侧径向控制绕组（16）；左侧轴向控制铁芯(4)、右侧轴向控制铁芯(7)均呈E形结构，定子槽内分别绕制轴向控制绕组(13)。
2.根据权利要求1所述的一种永磁偏置五自由度集成化磁悬浮支撑系统，其特征在于：所述左侧轴向控制铁芯(4)、右侧轴向控制铁芯(7)分别均由上下位置设置的吸力圆盘(10、14)以及中间位置设置的控制圆盘（11、12）构成，轴向控制绕组(13)绕制于吸力圆盘(10、14)与控制圆盘（11、12）之间。
3.根据权利要求2所述的一种永磁偏置五自由度集成化磁悬浮支撑系统，其特征在于：所述控制圆盘（11、12）与转子铁芯（33）径向部分之间的气隙长度大于吸力圆盘（10、14）与转子铁芯（33）径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘（10、14）与转子铁芯（33）径向部分之间的气隙长度小于左侧轴向控制铁芯(4)、右侧轴向控制铁芯(7)与转子铁芯（33）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五自由度集成化磁悬浮支撑系统，其特征在于：所述左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(8)均为轴向充磁的环形永磁体，为五个自由度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五自由度集成化磁悬浮支撑系统，其特征在于：所述右侧分磁铝环（6）、左侧分磁铝环（3）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五自由度集成化磁悬浮支撑系统，其特征在于：所述左侧径向磁轴承铁芯(1)、左侧轴向控制铁芯(4)、径向控制铁芯(5) 、右侧轴向控制铁芯(7)、转子铁芯（33）、右侧径向磁轴承铁芯(9)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五自由度集成化磁悬浮支撑系统，其特征在于：所述左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(8)均为稀土永磁材料制成。
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