CN106321631B - 一种五自由度磁悬浮轴承系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种五自由度磁悬浮轴承系统，包括隔磁体、转轴、永磁径向磁轴承和永磁偏置轴向磁轴承，永磁径向磁轴承包括径向定子、轴向充磁的第一永磁环、轴向充磁的第二永磁环和径向转子铁心，第一永磁环贴装在径向定子内表面，第二永磁环贴装在径向转子铁心外表面；两个径向转子铁心分别套装在转轴上，使两个永磁径向磁轴承相对应；永磁偏置轴向磁轴承包括轴向定子磁极、轴向控制绕组、偏置转子铁心和径向充磁的第三永磁环，轴向控制绕组绕设于轴向定子磁极上，第三永磁环嵌装在偏置转子铁心的内部；偏置转子铁心套装在转轴上；偏置转子铁心位于两个径向转子铁心之间，偏置转子铁心与两个径向转子铁心之间均设置隔磁体。此系统结构简单，功耗低。

Description

一种五自由度磁悬浮轴承系统
技术领域
本发明涉及一种永磁磁轴承技术和混合磁轴承技术相结合的五自由度磁悬浮轴承系统。
背景技术
现代航空、航天、汽车工业、机械加工和生产等领域中高速电机及飞轮储能装置得到了越来越广泛的应用，由于磁悬浮轴承是利用定子和转子之间的磁力作用将转子悬浮于空间，使定子和转子之间没有机械接触，所以特别适合这类应用场合。但在实际运行的高速装置中，对轴承功耗有一定的要求，为降低轴承功耗，使磁轴承能够在实际中得以应用，则需广泛采用不产生功耗的永磁磁力轴承，但永磁轴承在6个自由度方向至少存在一个自由度方向不稳定，所以它不能单独用于支承转子，而必须与其它轴承(如电磁轴承、超导磁轴承或机械轴承)联合使用，这就要求电磁轴承也应是低功耗运行。
目前，电磁轴承按照磁力提供的方式分为以下几种：第一种是主动磁轴承，这种磁轴承线圈中存在偏置电流，以提供偏置磁场，由控制电流流经控制绕组产生的控制磁通与偏置磁通进行叠加，从而产生可控的悬浮力，体积、重量和功耗都比较大。第二种是被动磁轴承，这种磁轴承的悬浮力完全由永磁体提供，其所需的控制器简单，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。第三种是混合磁轴承，这种磁轴承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，也称永磁偏置磁轴承，电磁铁提供的只是平衡负载或干扰的控制磁场，大大降低了因偏置电流产生的功率损耗，电磁铁所需的安匝数只是主动磁轴承的一半，缩小了磁轴承的体积，减轻了其重量，并提高了承载能力。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种五自由度磁悬浮轴承系统，其结构简单，功耗低。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种五自由度磁悬浮轴承系统，包括两个隔磁体、一个转轴、两个结构相同的永磁径向磁轴承和一个永磁偏置轴向磁轴承，其中，永磁径向磁轴承包括径向定子组件和径向转子组件，径向定子组件包括径向定子和轴向充磁的第一永磁环，第一永磁环贴装在径向定子的内表面；径向转子组件包括轴向充磁的第二永磁环和径向转子铁心，第二永磁环贴装在径向转子铁心的外表面；两个径向转子铁心分别套装在转轴上，使两个永磁径向磁轴承相互对应；所述永磁偏置轴向磁轴承包括偏置定子组件和偏置转子组件，偏置定子组件包括轴向定子磁极和轴向控制绕组，轴向控制绕组绕设于轴向定子磁极上；偏置转子组件包括偏置转子铁心和径向充磁的第三永磁环，第三永磁环嵌装在偏置转子铁心的内部；偏置转子铁心套装在转轴上，从而与轴向定子磁极形成轴向气隙；所述偏置转子铁心位于两个径向转子铁心之间，且偏置转子铁心与两个径向转子铁心之间均设置隔磁体，两个隔磁体分别套装在转轴上。
上述径向定子由实心软磁材料制成。
上述径向转子铁心由实心软磁材料制成。
上述第二永磁环的外部还使用碳纤维包裹。
上述轴向定子磁极由实心软磁材料制成。
上述偏置转子铁心由实心软磁材料制成。
上述三个永磁环均由钕铁硼制成。
采用上述方案后，本发明利用两个永磁径向磁轴承和一个永磁偏置轴向磁轴承实现转子五自由度悬浮，利用转轴两端两个轴向充磁的永磁环实现径向四自由度悬浮，轴向悬浮则是利用位于中部的永磁偏置轴向磁轴承来实现，其利用位于偏置转子铁心的永磁环提供轴向偏置磁通，位于轴向定子内的轴向控制绕组产生控制磁通与偏置磁通叠加，实现转子的轴向悬浮，永磁径向磁轴承不产生功耗，永磁偏置轴向磁轴承是一种混合磁轴承，功耗也较低，使整个系统的功耗得以降低。该系统结构简单，临界转速高，功耗低，在我国航空航天、汽车工业、模具加工、纺织和化工机械等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构平面示意图；
图2是本发明的原理图；
其中，实线表示永磁偏置磁通，虚线表示轴向控制绕组产生的控制磁通。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种五自由度磁悬浮轴承系统，包括两个隔磁体5、一个转轴6、两个结构相同的永磁径向磁轴承和一个永磁偏置轴向磁轴承，下面分别介绍。
所述永磁径向磁轴承包括径向定子组件和径向转子组件，其中，径向定子组件包括径向定子1和轴向充磁的永磁环2，径向定子1由实心软磁材料制成，而永磁环2贴装在径向定子1的内表面；径向转子组件包括轴向充磁的永磁环3和径向转子铁心4，径向转子铁心4由实心软磁材料制成，永磁环3贴装在径向转子铁心4的外表面，且为了防止其在高速时旋落，永磁环3的外部还使用碳纤维包裹。两个永磁径向磁轴承的径向转子铁心4分别套装在转轴6上，且使两个永磁径向磁轴承相互对应。所述永磁环2、3均可由钕铁硼制成。
所述永磁偏置轴向磁轴承包括偏置定子组件和偏置转子组件，其中，偏置定子组件包括轴向定子磁极7和轴向控制绕组10，轴向定子磁极7由实心软磁材料制成，轴向控制绕组10绕设于轴向定子磁极7上；偏置转子组件包括偏置转子铁心8和径向充磁的永磁环9，偏置转子铁心8由实心软磁材料制成，永磁环9由钕铁硼制成，嵌装在偏置转子铁心8的内部。偏置转子铁心8套装在转轴6上，从而与轴向定子磁极7形成轴向气隙，永磁环9产生偏置磁通(可参考图2中的实线所示)，轴向控制磁通在轴向定子磁极7、轴向气隙、偏置转子铁心8形成闭合磁路(可参考图2中的虚线所示)。所述偏置转子铁心8位于两个径向转子铁心4之间，且偏置转子铁心8与每个径向转子铁心4之间均设置隔磁体5，两个隔磁体5分别套装在转轴6上。
本发明的轴承五自由度悬浮基本工作原理是：两个永磁径向磁轴承和一个永磁偏置轴向磁轴承实现五自由度悬浮，永磁磁轴承为被动磁轴承，实现轴承的四自由度径向悬浮，不产生功耗，轴向悬浮利用的是一个永磁偏置轴向磁轴承，功耗也较低，其基本工作原理是：当偏置转子铁心位于轴向平衡位置时，由于结构的对称性，位于偏置转子铁心上的永磁环产生的磁通在轴向定子磁极轴向端面的右面气隙和左面气隙处是相等的，此时左右吸力相等。假定此时转子受到一水平向左的扰动力，则轴向控制绕组通以控制电流在轴向气隙中产生控制磁通与偏置磁通叠加，右气隙中磁场增强，左气隙中控制磁场与偏置磁场方向相反，磁场减弱，在偏置转子铁心上产生水平向右的悬浮力。若转子受到向右的扰动力，则控制电流反向，形成的控制磁通反向与偏置磁通叠加，形成向左的悬浮力。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种五自由度磁悬浮轴承系统，其特征在于：包括两个隔磁体、一个转轴、两个结构相同的永磁径向磁轴承和一个永磁偏置轴向磁轴承，其中，永磁径向磁轴承包括径向定子组件和径向转子组件，径向定子组件包括径向定子和轴向充磁的第一永磁环，第一永磁环贴装在径向定子的内表面；径向转子组件包括轴向充磁的第二永磁环和径向转子铁心，第二永磁环贴装在径向转子铁心的外表面；所述外表面贴装有第二永磁环的部分位于所述内表面贴装有第一永磁环的部分的轴向内侧，第一永磁环贴装在所述内表面的径向方向的底端，第二永磁环贴装在所述外表面的径向方向的顶端，第一、第二永磁环轴向相对布置；两个径向转子铁心分别套装在转轴上，使两个永磁径向磁轴承相互对应；所述永磁偏置轴向磁轴承包括偏置定子组件和偏置转子组件，偏置定子组件包括轴向定子磁极和轴向控制绕组，轴向控制绕组绕设于轴向定子磁极上；偏置转子组件包括偏置转子铁心和径向充磁的第三永磁环，第三永磁环嵌装在偏置转子铁心的内部；偏置转子铁心套装在转轴上，从而与轴向定子磁极形成轴向气隙；所述偏置转子铁心位于两个径向转子铁心之间，且偏置转子铁心与两个径向转子铁心之间均设置隔磁体，两个隔磁体分别套装在转轴上。
2.如权利要求1所述的一种五自由度磁悬浮轴承系统，其特征在于：所述径向定子由实心软磁材料制成。
3.如权利要求1所述的一种五自由度磁悬浮轴承系统，其特征在于：所述径向转子铁心由实心软磁材料制成。
4.如权利要求1所述的一种五自由度磁悬浮轴承系统，其特征在于：所述第二永磁环的外部还使用碳纤维包裹。
5.如权利要求1所述的一种五自由度磁悬浮轴承系统，其特征在于：所述轴向定子磁极由实心软磁材料制成。
6.如权利要求1所述的一种五自由度磁悬浮轴承系统，其特征在于：所述偏置转子铁心由实心软磁材料制成。
7.如权利要求1所述的一种五自由度磁悬浮轴承系统，其特征在于：所述三个永磁环均由钕铁硼制成。
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