CN106438690A - 一种线圈式轴向永磁电动磁浮轴承 - Google Patents

Abstract

一种线圈式轴向永磁电动磁浮轴承，以在没有控制系统的情况下实现轴向的双向自稳定，且阻力更小，能耗更低。包括至少一组定子、转子。所述定子由竖向间隔设置的上部Halbach阵列磁环、下部Halbach阵列磁环构成。所述转子由转动轴、环形支架和零磁通线圈构成，环形支架固定安装在转动轴上，零磁通线圈在环形支架上沿周向等距间隔设置。所述转动轴的轴线与上部Halbach阵列磁环、下部Halbach阵列磁环的轴线相重合，零磁通线圈与上部Halbach阵列磁环底面之间存在上部气隙，与下部Halbach阵列磁环顶面之间存在下部气隙。所述转动轴、环形支架由不导磁不导电材料制成。

Description

一种线圈式轴向永磁电动磁浮轴承

技术领域

本发明涉及电磁悬浮领域，特别涉及一种线圈式轴向永磁电动磁浮轴承。

背景技术

磁浮轴承是一种通过电磁力实现无接触旋转运动的承力装置，与传统的机械轴承相比，磁浮轴承具有没有磨损，无需润滑，振动小，寿命长等优点，因此特别适用于极端环境下的使用，例如极高转速、极高或极低温度、真空或淹没等。

磁浮轴承虽然种类很多，但依据电磁力产生的原理和性质不同，可以划分为两类：电磁吸力轴承和电动斥力轴承。电磁吸力轴承是利用电磁铁与磁性材料产生的吸力作为支撑力，目前这种方式最为常见。但吸力是一种不稳定力，故这种磁浮轴承需要依靠主动控制系统才能实现，因此其较为复杂，可靠性较低。电动斥力轴承的基本原理是利用永磁体、电磁体或超导体产生源磁场，通过旋转运动的导体切割该磁场，在导体中感生电流，该电流与源磁场相互作用，产生排斥力，从而实现无接触式支撑。这种磁浮轴承能实现自稳定，不需要控制，因此结构简单，可靠性强。特别是永磁电动悬浮，因为其源磁场由永磁体产生，失磁等风险较小，故其更加稳定可靠，该装置就是一种永磁电动轴承。

根据永磁体阵列数量不同，永磁电动悬浮又可分为单边悬浮和双边悬浮两大类，常见的悬浮方式都属于单边悬浮，即永磁阵列位于导体一侧，这种方式只能产生单侧排斥力，电磁力随气隙增大呈指数衰减，因此当气隙增大时，此类轴承容易失效，不能实现轴向的双向稳定。而双边悬浮，永磁阵列分别位于导体两侧，因此存在对称性，能实现双向稳定，故其可靠性更强，且悬浮刚度更大。但通常情况下，双边悬浮中的导体会受到两个永磁阵列的作用力，因此其阻力更大，且随着导体板厚度增加，该效应更加明显。为了减小阻力，西南交通大学陈殷等人提出了一种薄板结构的 双边永磁电动悬浮方式，这种结构虽然能减小低速时的电磁阻力，但由于集肤效应，不适用于高速领域，而电磁轴承通常都具有较高的线速度。另一方面，由于薄板机械强度较低，因此这种结构所能产生的电磁力较小，不能提供足够的支撑力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种线圈式轴向永磁电动磁浮轴承，以在没有控制系统的情况下实现轴向的双向自稳定，且阻力更小，能耗更低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种线圈式轴向永磁电动磁浮轴承，包括至少一组定子、转子，其特征是：所述定子由竖向间隔设置的上部Halbach阵列磁环、下部Halbach阵列磁环构成；所述转子由转动轴、环形支架和零磁通线圈构成，环形支架固定安装在转动轴上，零磁通线圈在环形支架上沿周向等距间隔设置；所述转动轴的轴线与上部Halbach阵列磁环、下部Halbach阵列磁环的轴线相重合，零磁通线圈与上部Halbach阵列磁环底面之间存在上部气隙，与下部Halbach阵列磁环顶面之间存在下部气隙；所述转动轴、环形支架由不导磁不导电材料制成。

本发明的有益效果是，有效的解决现有磁浮轴承存在的各种缺陷，通过合理的参数配置，能在不依靠控制系统的情况下实现轴向的双向稳定，运行可靠；与传统斥力式轴承相比，阻力更小，能耗更低，悬浮刚度更大。

附图说明

本说明书包括如下七幅附图：

图1是本发明一种线圈式轴向永磁电动磁浮轴承的主视图；

图2是本发明一种线圈式轴向永磁电动磁浮轴承的俯视图；

图3是沿图1中A-A线的剖视图；

图4是沿图1中B-B线的剖视图；

图5是本发明一种线圈式轴向永磁电动磁浮轴承中零磁通线圈的立 体图；

图6是本发明一种线圈式轴向永磁电动磁浮轴承中零磁通线圈的安装方式示意图，图中箭头为其中电流方向；

图7是Halbach阵列磁环的一种充磁方式示意图；

图8是本发明一种线圈式轴向永磁电动磁浮轴承给定参数条件下的电磁力特性随气隙偏移量变化的计算曲线。

图中零部件、部位及编号：转动轴10，上支架11、下支架12；零磁通线圈20，上部顶段21，上部左侧段22，上部右侧段23，下部底段24，下部左侧段25，下部右侧段26，上下部第一过渡段27，上下部第二过渡段28；上部Halbach阵列磁环31，下部Halbach阵列磁环32，上部气隙33，下部气隙34。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参照图1，本发明的一种线圈式轴向永磁电动磁浮轴承，包括至少一组定子、转子。所述定子由竖向间隔设置的上部Halbach阵列磁环31、下部Halbach阵列磁环32构成。所述转子由转动轴10、环形支架和零磁通线圈20构成，环形支架固定安装在转动轴10上，零磁通线圈20在环形支架上沿周向等距间隔设置，转动轴10转动时带动零磁通线圈20同步转动。所述转动轴10的轴线与上部Halbach阵列磁环31、下部Halbach阵列磁环32的轴线相重合，零磁通线圈20与上部Halbach阵列磁环31底面之间存在上部气隙33，与下部Halbach阵列磁环32顶面之间存在下部气隙34。所述转动轴10、环形支架由不导磁不导电材料(碳纤维等非金属材料)制成。

参照图1，上部Halbach阵列磁环31、下部Halbach阵列磁环32构成双边永磁阵列，产生的气隙磁场满足：轴向磁场相互抵消，弧向磁场相互叠加。当转动轴10旋转时，通过固定于转动轴10上的环形支架带动零磁通线圈20转动，磁通线圈20做与定子无接触的旋转运动，此时零磁通线圈20会切割永磁体磁场，产生感应电流，该电流与永磁体磁场相互作用，产生排斥力，从而能达到无接触的支撑的目的，成为一种磁浮轴承。

参照图1，零磁通线圈20位于上部Halbach阵列磁环31、上部气隙33与下部Halbach阵列磁环32、下部气隙34之间。参照图5和图6，所述零磁通线圈20的正面投影呈8字形，包括上部顶段21、上部左侧段22、上部右侧段23、下部底段24、下部左侧段25和下部右侧段26，以及上部左侧段22、下部右侧段26间的上下部第一过渡段27和上部右侧段23、下部左侧段25之间的上下部第二连过渡段28。

参照图2、3、4和图6，所述环形支架包括上支架11和下支架12，零磁通线圈20的上部、下部分别套装固定在上支架11、下支架12上。参照图1，所述定子、转子的数量为两组或者两组以上时，各组转子中的环形支架安装固定在同一转动轴10上。

由于该装置具有对称性，当转动轴10没有受到外力作用时，上部气隙33、下部气隙34的高度相同，故不会产生电磁力。当转动轴10受到轴向力时，上部气隙33、下部气隙34中的一个高度会增加，另一个则相应减小，此时零磁通线圈20会切割永磁体磁场，产生感应电流，由零磁通线圈20的特性可知(电流方向如图6所示)，由于线圈的对称性，除上部顶段21和下部底段24外，其余各段存在对称电流，如上部左侧段22，上部右侧段23的电流大小相同方向相反，因此这些电流产生的电磁力会相互抵消，最终线圈的受力为上部顶段21和下部底段24受力的合力。又上部顶段21和下部底段24电流大小方向均相同，且上部Halbach阵列磁环31与下部Halbach阵列磁环32在其对应处产生的弧向磁场相互叠加而轴向磁场相互抵消，由安培定理可知上部顶段21和下部底段24电流产生的悬浮力相互叠加，阻力相互抵消，线圈最终所受到的悬浮力F_L和阻力F_D可分别表示如下：

F_L＝(B_φ1+B_φ2)I

F_D＝(B_z1-B_z2)I

式中，B_φ1和B_φ2分别为21和24处磁场的弧向分量，B_z1和B_z2分别为21和24处磁场的轴向分量，I为线圈中通过的电流大小。故有：

即，该装置产生的悬浮力远远大于其产生的阻力，因此在承受相同大 小的轴向力时，其产生的阻力更低，从而能耗也更低。又根据楞次定律可知，当气隙上部气隙33减小、下部气隙34增大时，装置所产生的排斥力为正方向，阻碍上部气隙33减小，故该系统是自稳定的，不需要控制系统。当上部气隙33增大、下部气隙34减小时，其受力方向相反，因此可实现轴向的双向稳定。

上部Halbach阵列磁环31、下部Halbach阵列磁环32有多种充磁方式，图7中箭头所示分别为一种可行的31和32充磁方式。在此以这种充磁方式为例，对该装置的提供的电磁力特性进行计算。当装置结构参数如表1所示时，其计算结果如图8所示。由图8可知，此装置提供的最大悬浮力和阻力之比可大于600，随着上下气隙差增加，该数值有所下降，但仍高于50，故其性能远远优于现有双边永磁电动悬浮模式。且图8中曲线为奇函数，证明了该装置的双向稳定性。

表1 计算实例参数

综上所述，本发明的一种线圈式轴向永磁电动磁浮轴承通过合理的参数配置，能在不依靠控制系统的情况下实现轴向的双向稳定，且阻力较小，能耗低。从而解决现有磁浮轴承存在的各种缺陷。

以上所述只是用图解说明本发明一种线圈式轴向永磁电动磁浮轴承的一些原理，并非是要将本发明型局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明型所申请的专利范围。

Claims (4)

1.一种线圈式轴向永磁电动磁浮轴承，包括至少一组定子、转子，其特征是：所述定子由竖向间隔设置的上部Halbach阵列磁环(31)、下部Halbach阵列磁环(32)构成；所述转子由转动轴(10)、环形支架和零磁通线圈(20)构成，环形支架固定安装在转动轴(10)上，零磁通线圈(20)在环形支架上沿周向等距间隔设置；所述转动轴(10)的轴线与上部Halbach阵列磁环(31)、下部Halbach阵列磁环(32)的轴线相重合，零磁通线圈(20)与上部Halbach阵列磁环(31)底面之间存在上部气隙(33)，与下部Halbach阵列磁环(32)顶面之间存在下部气隙(34)；所述转动轴(10)、环形支架由不导磁不导电材料制成。

2.如权利要求1所述的一种线圈式轴向永磁电动磁浮轴承，其特征是：所述零磁通线圈(20)的正面投影呈8字形，包括上部顶段(21)、上部左侧段(22)、上部右侧段(23)、下部底段(24)、下部左侧段(25)和下部右侧段(26)，以及上部左侧段(22)、下部右侧段(26)间的上下部第一过渡段(27)和上部右侧段(23)、下部左侧段(25)之间的上下部第二连过渡段(28)。

3.如权利要求2所述的一种线圈式轴向永磁电动磁浮轴承，其特征是：所述环形支架包括上支架(11)和下支架(12)，零磁通线圈(20)的上部、下部分别套装固定在上支架(11)、下支架(12)上。

4.如权利要求1至3任意一项所述的一种线圈式轴向永磁电动磁浮轴承，其特征是：所述定子、转子的数量为两组或者两组以上，各组转子中的环形支架安装固定在同一转动轴(10)上。