CN106402159A - 一种永磁偏置磁悬浮转轴 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种永磁偏置磁悬浮轴承，该永磁偏置磁悬浮轴承包含定子、转子铁芯、转轴、轴向控制绕组、径向控制绕组、上下永磁体，其中定子与转子铁芯之间存在间隙，分别形成轴向控制气隙，径向控制气隙。该永磁偏置磁悬浮轴承为轴向‑径向磁悬浮轴承，采用一个轴承代替传统磁悬浮轴承系统，实现了转子的五个自由度的稳定悬浮，该磁悬浮转轴尺寸小、功耗小，适用于微型化、体积小的应用场合。

Description

一种永磁偏置磁悬浮转轴

技术领域

本发明涉及机械设备技术领域，具体而言，涉及一种用于卧式转子的轴向-径向永磁偏置磁悬浮轴承。

背景技术

磁悬浮轴承是一种利用磁场力将转子悬浮在定子空间并稳定旋转的新型高性能轴承。其转子和定子之间没有任何机械接触，具有无摩擦损耗、无需润滑、寿命长等普通轴承难以比拟的优点。磁悬浮轴承的机械部分有轴向轴承和径向轴承两种，轴向轴承由定子(电磁铁)和推力盘构成，径向轴承由定子(电磁铁)和转子构成。

传统的磁悬浮轴承系统一般采用两个径向磁轴承和一个轴向磁轴承来实现转子五个自由度的稳定悬浮，这三个磁轴承在轴向占据了相当的空间，限制了电机的临界转速。传统永磁偏置磁悬浮轴承，各偏置磁极在各自由度上产生的永磁力会相互抵消，仍需要对控制绕组通过较大的电流以产生较大单边磁拉力来克服重力，导致其体积和功耗依然可观。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种用于卧式转子的轴向-径向永磁偏置磁悬浮轴承装置，以实现五个自由度的稳定悬浮、减小径向尺寸以适用于微型化；消除轴向控制和径向控制的耦合；降低功耗、提高提系统的可靠性。

第一方面，本发明实施例提供了一种永磁偏置磁悬浮轴承，包括，定子、转子铁芯、转轴、轴向控制绕组、径向控制绕组和永磁体，其中：所述转轴是圆柱形；所述转子铁芯环绕所述转轴设置；所述定子设置在所述转子铁芯外,所述定子和所述转子铁芯不接触；所述永磁体嵌入到所述定子中，所述轴向控制绕组和所述径向控制绕组均位于所述定子上，其中所述轴向控制绕组与所述转轴的轴线平行设置，所述径向控制绕组与所述转轴的轴线垂直设置；所述永磁体、所述定子、两对径向控制绕组、一对轴向控制绕组构成一组磁极。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，所述转子铁芯采用轴肩定位的方式环绕所述转轴设置。

结合第一方面或第一方面的第一种可能实施方式，本发明提供了第一方面的第二种可能的实施方式，所述转子铁芯和转轴中心对称的部位向外有凸起部分；所述定子的形状为凹形，所述定子的凹口部分与所述转子铁芯的凸起部分采用非接触方式套设。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第三种可能的实施方式，所述定子和所述转子铁芯之间沿轴线方向形成轴向控制气隙；所述定子和所述转子铁芯之间垂直于轴线方向形成径向控制气隙。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第四种可能的实施方式，所述定子、所述转子铁芯和所述轴向控制气隙形成轴向磁通路；所述定子、所述转子铁芯和所述径向控制气隙形成径向磁通路。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第五种可能的实施方式，所述磁极上的定子中嵌入的永磁体，与关于转轴对称的磁极上的定子中嵌入的永磁体，相对设置为上永磁体和下永磁体。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第六种可能的实施方式，所述上永磁体和所述下永磁体为相对设置的轴向半圆环。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第七种可能的实施方式，所述上永磁体采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成，所述下永磁体采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成。

结合第一方面的第五～第七中可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第八种可能的实施方式，所述上永磁体轴向宽度为下永磁体轴向宽度的1～2倍。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第九种可能的实施方式，所述永磁偏置磁悬浮轴承的两组磁极之间的夹角确定方式为：M＝360^o/(2*2ⁿ)，其中n为大于等于1的整数。

通过采用上述技术方案，提供了一种永磁偏置磁悬浮轴承，包括，定子、转子铁芯、转轴、轴向控制绕组、径向控制绕组和永磁体，其中：转轴是圆柱形；转子铁芯环绕转轴设置；定子设置在转子铁芯外,定子和转子铁芯不接触；永磁体嵌入到定子中，轴向控制绕组和径向控制绕组均位于定子上，其中轴向控制绕组与转轴的轴线平行设置，径向控制绕组与转轴的轴线垂直设置；永磁体、定子、两对径向控制绕组、一对轴向控制绕组构成一组磁极。在实现转子五个自由度的稳定悬浮时，不需要占用较大的空间，体积较小、功耗较低。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种轴向-径向磁悬浮轴承截面图；

图2示出了本发明实施例所提供的一种具有2组磁极的轴向端面图；

图3示出了本发明实施例所提出的一种具有4组磁极的轴向端面图。

附图标记：101-定子；102-转子铁芯；103-转盘；104-轴向控制绕组；105-径向控制绕组；200-永磁体；106-下永磁体；107-上永磁体；108轴向控制气隙；109-径向控制气隙；110-磁极；201-转子；120-一组磁极。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明主要针对一种永磁偏置磁悬浮轴承。下面通过实施例一进行描述。

本发明实施例一提出一种永磁偏置磁悬浮轴承，如图1所示，为永磁偏置磁悬浮轴承的轴向截面图，该永磁偏置磁悬浮轴承包括定子101，转子铁芯102，转轴103，轴向控制104，径向控制绕组105，永磁体200。

在一种实施方式中，转轴103可以是圆柱体形其中，圆柱体形可以是粗细均匀的圆柱体形，也可以是上下粗细不均匀的圆柱体形，在此不做具体的限定。

转子铁芯102环绕转轴103设置，定子101设置在转子铁芯102外，定子101和转子铁芯102不接触。永磁体106嵌入到定子101中，轴向控制绕组104和径向控制绕组105均位于定子101上，其中轴向控制绕组104是与转轴103的轴线平行的控制绕组，径向控制绕组105与是转轴103的轴线垂直的控制绕组。

在本发明实施例提出的技术方案中，永磁体106、定子101、两对径向控制绕组105、一对轴向控制绕组104构成一组磁极120，一组磁极有两个磁极110。

在本发明实施例提出的技术方案中转子铁芯102采用轴肩定位的方式环绕转轴103设置，所述转子铁芯102与所述转轴103统称为转子201。

在本发明实施例中，转子铁芯102和转轴中心对称的部位向外有凸起部分；定子101的形状为凹形，定子101的凹形部分与转子铁芯102的凸起部分采用非接触方式套设。

其中，定子101可以采用导磁性能良好的材料制成，例如电工纯铁或者硅钢片。相应地，转子铁芯102可以导磁性能良好的材料制成，例如电工纯铁或是硅钢片。定子101和转子铁芯102的材料可以一样也可以不一样，或者采用其他导磁性能良好的材料，在此不做具体要求。

在本发明实施例中，定子101与转子铁芯102之间沿轴线方向形成轴向控制气隙108；沿垂直于轴线方向形成径向控制气隙109。

在本发明实施例中，定子101，转子铁芯102和轴向控制气隙108形成轴向磁通路，定子101，转子铁芯102和径向控制气隙109形成径向磁通路。

在本发明实施例中，磁极110上的定子101中嵌入永磁体200，与关于轴承103对称的磁极上的定子101中嵌入的永磁体200，相对设置为上永磁体107和下永磁体106。

其中上永磁体107为轴向半圆环，下永磁体106也为轴向半圆环；上永磁体107采用永磁材料或者铁氧体永磁材料制成，下永磁体106采用稀土永磁材料或者铁氧体永磁材料制成，上永磁体107和下永磁体106的材料可以一样也可以不一样，在此不做具体要求。

其中上永磁体107轴向宽度为下永磁体轴向宽度的1～2倍。

在本发明实施例中，永磁偏置磁悬浮轴承111的两组磁极之间的夹角为360°/(2*2ⁿ)，其中n为大于等于1的整数，图2是当n取1时有4组磁极的永磁偏置磁悬浮轴承的轴向端面图，图3是当n等于2时有8组磁极的永磁偏置磁悬浮轴承的轴向端面图。

在本发明实施例中，其中，永磁偏置磁悬浮轴承中的转子铁芯102偏移平衡位置，轴向控制气隙108变小或变大时，通过调整通入轴向控制绕组104中的电流，使得转子铁芯102承受额外轴向磁场力而回到平衡位置，实现转轴103稳定悬浮旋转。

其中，永磁偏置磁悬浮轴承中的转子铁芯102偏移平衡位置，径向控制气隙109变小或变大时，通过调整通入径向控制绕组105中的电流，使得转子铁芯102承受额外轴向磁场力而回到平衡位置，实现转轴103稳定悬浮旋转。

在本发明实施例中，永磁体通过定子101，径向控制气隙109和转子铁芯102构成磁通路，由于上永磁体107与下永磁体106的轴向宽度不同，永磁通路分别在上下径向控制气隙书产生不同大小的永磁拉力，二力合成后对转子存在单边磁拉力，用以克服重力。由于轴向控制绕组104和径向控制绕组105只需承担转子铁芯102收到的扰动力，因此该结构悬浮电流较小，功耗小，提高了系统的可靠性。

在本发明实施例中，该永磁置磁悬浮轴承为轴向-径向永磁置磁悬浮轴承，主要用于卧式转子；该磁悬浮轴承采用一个轴承代替传统磁悬浮轴承系统，可以实现转子五个自由度的稳定悬浮。该磁悬浮轴承结构紧凑，，径向尺寸较小，适用于微型化、体积小的应用场合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于，包括：

定子、转子铁芯、转轴、轴向控制绕组、径向控制绕组和永磁体，其中：

所述转轴是圆柱形；

所述转子铁芯环绕所述转轴设置；

所述定子设置在所述转子铁芯外,所述定子和所述转子铁芯不接触；

所述永磁体嵌入到所述定子中，所述轴向控制绕组和所述径向控制绕组均位于所述定子上，其中所述轴向控制绕组与所述转轴的轴线平行设置，所述径向控制绕组与所述转轴的轴线垂直设置；

所述永磁体，所述定子、两对径向控制绕组、一对轴向控制绕组构成一组磁极。

2.根据权利要求1所述的永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于，所述转子铁芯采用轴肩定位的方式环绕所述转轴设置。

3.根据权利要求1或2所述的永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于，所述转子铁芯和转轴中心对称的部位向外有凸起部分；所述定子的形状为凹形，所述定子的凹口部分与所述转子铁芯的凸起部分采用非接触方式套设。

4.根据权利要求3所述的永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子和所述转子铁芯之间沿轴线方向形成轴向控制气隙；

所述定子和所述转子铁芯之间垂直于轴线方向形成径向控制气隙。

5.根据权利要求1所述的永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子、所述转子铁芯和所述轴向控制气隙形成轴向磁通路；

所述定子、所述转子铁芯和所述径向控制气隙形成径向磁通路。

6.根据权利要求1所述的永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于，所述磁极上的定子中嵌入的永磁体，与关于转轴对称的磁极上的定子中嵌入的永磁体，相对设置为上永磁体和下永磁体。

7.根据权利要求6所述的永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于，所述上永磁体和所述下永磁体为相对设置的轴向半圆环。

8.根据权利要求1所述的永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于，所述上永磁体采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成，所述下永磁体采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成。

9.根据权利要求6～8任一所述的永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于，所述上永磁体轴向宽度为下永磁体轴向宽度的1～2倍。

10.根据权利要求1所述的永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于，所述永磁偏置磁悬浮轴承的两组磁极之间的夹角确定方式为：

M＝360°/(2*2ⁿ)，其中，M是两组磁极之间的夹角，n为大于等于1的整数。