CN106438691A - 永磁偏置混合轴向磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁偏置混合轴向磁轴承，包括定子组件和同轴设置在定子组件内的转子组件，转子组件包括转轴和穿套在转轴上的转子推力盘，转子推力盘为轴对称结构，呈中间高、周围低的圆形阶梯状；定子组件包括上定子端板、下定子端板、上永磁体、下永磁体、定子铁心及励磁线圈，上永磁体位于定子铁芯与上定子端板之间，下永磁体位于定子铁芯与下定子端板之间，上永磁体、下永磁体的充磁方向相反，励磁线圈位于定子铁心内。本发明的永磁偏置混合轴向磁轴承结构紧凑、尺寸小巧，其永磁体设置于定子组件部分，转子组件转速对其影响小，适应用于高速运行。

Description

永磁偏置混合轴向磁轴承

技术领域

本发明属于磁轴承领域，具体涉及一种永磁偏置混合轴向磁轴承。

背景技术

磁悬浮轴承是利用精确控制的电磁力将转子稳定悬浮，使定转子之间没有机械接触的一种高性能轴承。由于定、转子之间不存在机械上的接触，所以磁悬浮轴承的转子可达到很高的运转转速。同时，由于电磁力可以通过专门的控制系统精确调节，因此刚度和阻尼可调。磁悬浮轴承具有能耗低、寿命长、无润滑、无污染等优点，特别适合高速、真空和超洁净等特殊的应用场合。

按照磁轴承的作用，可以将磁轴承分为三类：轴向磁轴承、径向磁轴承、轴向-径向磁轴承。

轴向磁轴承是控制转子在轴向方向上单个自由度运动的高性能轴承，按照磁力提供方式又可将轴向磁轴承分为三类：永磁被动轴向磁轴承、纯电励磁轴向磁轴承和永磁偏置混合轴向磁轴承。

其中，永磁轴向磁轴承刚度小，轴承状态不可控，因此不适合大承载力高速场合；纯电励磁轴向轴承由于电励磁提供偏置磁场，待机损耗大；永磁偏置混合轴向磁轴承综合二者的优点，充分利用永磁体提供的偏置磁场，待机损耗小，状态可控。

现有的永磁偏置混合轴向磁轴承的结构都在一定程度上存在一些不足：

有些永磁偏置混合轴向磁轴承的永磁体放在转子的推力盘上，虽然简化了磁路模型，但是增加了安装工艺的难度，且永磁体低抗拉强度的特性限制了这种结构在高速场合的应用。

有些异极式永磁偏置混合轴向磁轴承采用转子双推力盘结构，将线圈嵌入转子双推力盘之间，这种结构的线圈安装困难，不利于拆卸，工程化难度较大。

有些异极式永磁偏置混合轴向磁轴承将永磁体置于定子铁心内，电励磁磁路与永磁磁路串联，造成线圈体积过大、永磁体的寿命降低，系统可靠性下降。

还有的异极式永磁偏置混合轴向磁轴承将永磁体固定在定子铁心上，作为偏置气隙的一个结构面，很难保证气隙大小的精度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种结构紧凑、尺寸小巧、适用于高速运行的异极式永磁偏置混合径向轴承。

为实现上述目的，本发明所设计的永磁偏置混合轴向磁轴承包括定子组件和同轴设置在所述定子组件内的转子组件，所述转子组件包括转轴和穿套在转轴上的转子推力盘，所述转子推力盘为轴对称结构，呈中间高、周围低的圆形阶梯状；所述定子组件包括上定子端板、下定子端板、上永磁体、下永磁体、定子铁心及励磁线圈，所述上永磁体位于所述定子铁芯与所述上定子端板之间，所述下永磁体位于所述定子铁芯与所述下定子端板之间，所述上永磁体、所述下永磁体的充磁方向相反，所述励磁线圈位于所述定子铁心内；所述上定子端板与所述转子推力盘的上表面之间形成内上气隙，所述下定子端板与所述转子推力盘的下表面之间形成内下气隙，所述定子铁芯与所述转子推力盘的上表面之间形成外上气隙，所述定子铁芯与所述转子推力盘的下表面之间形成外下气隙。

作为优选方案，所述上永磁体、所述下永磁体为大小相同的环形永磁体，采用径向充磁或平行充磁。

作为优选方案，所述内上气隙与所述内下气隙的大小相等。

作为优选方案，所述转子推力盘的阶梯高度为所述内上气隙、所述内下气隙、所述外上气隙、所述外下气隙的10倍以上。

作为优选方案，所述内上气隙、所述内下气隙、所述外上气隙、所述外下气隙的大小为0.5mm。

作为优选方案，所述定子组件还包括上定子压板和下定子压板，所述上定子压板从上方将所述上定子端板、所述上永磁体固定到所述定子铁心上，所述下定子压板从下方将所述下定子端板、所述下永磁体固定到所述定子铁心上。

作为优选方案，所述上定子压板、所述下定子压板为不导磁材料制成。

作为优选方案，所述转轴采用高强度合金钢制成，所述转子推力盘采用高强度的软磁材料或电工纯铁制成。

作为优选方案，所述励磁线圈进行灌胶处理，所述励磁线圈的电流方向可双向调节。

作为优选方案，所述上定子端板、所述下定子端板及所述定子铁心均采用电工纯铁材料制成。

本发明的有益效果是：本发明的永磁偏置混合轴向磁轴承具有以下优点：

(1)永磁体设置于定子组件部分，转子组件转速对其影响小，适应用于高速运行，永磁体不参与工作气隙的构成，有利于提高结构精度；

(2)电励磁磁路和永磁磁路独立，解耦性能好，励磁效率高，调节励磁电流对永磁体性能影响小，磁轴承的可靠性高；

(3)可通过设置的内气隙大小不同来提供抵消转子组件的重力的磁场，有效减少了电励磁电流，降低了轴承待机损耗；

(4)电励磁磁路穿过转子铁心外圈，产生的涡流对转子组件影响较小，有利于提高磁轴承的动态性能。

附图说明

图1为本发明优选实施例的永磁偏置混合轴向磁轴承的轴向截面结构示意图。

图2为图1中的永磁偏置混合轴向磁轴承的永磁磁路示意图。

图3为图1中的永磁偏置混合轴向磁轴承的电励磁磁路示意图。

图中各部件标号如下：转轴1、转子推力盘2、内上气隙31、内下气隙32、外上气隙33、外下气隙34、上定子端板41、下定子端板42)、上永磁体51、下永磁体52、定子铁心6、励磁线圈7、上定子压板81、下定子压板82。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明优选实施例提供的永磁偏置混合轴向磁轴承为轴对称结构，其包括定子组件和同轴磁悬浮在定子组件内的转子组件。定子组件与转子组件之间设置有四个工作气隙——内上气隙31、内下气隙32、外上气隙33、外下气隙34。其中，内上气隙31、内下气隙32的大小相等，为控制系统提供偏置磁场。根据实际需要，设置外下气隙34等于或者不等于外上气隙33，决定是否产生抵消转子组件的重力的卸载力。

转子组件包括转轴1和转子推力盘2，转子推力盘2穿套在转轴1上。转子推力盘2是转子组件的受力部件，承受定子组件所施加的轴向承载力。转子推力盘2为轴对称结构，呈中间高、周围低的圆形阶梯状，阶梯的相对高度是工作气隙(内上气隙31、内下气隙32、外上气隙33、外下气隙34)的10倍以上。在本实施例中，全部气隙大小取0.5mm。

转轴1不需导磁，可采用高强度合金钢制成。转子推力盘2由于受转速影响，其材质可根据实际进行选择。如果应用高速场合，转子推力盘2需采用高强度的软磁材料；如果应用于中低速场合，转子推力盘2应选用高导磁性能的电工纯铁。

定子组件包括上定子端板41、下定子端板42、上永磁体51、下永磁体52、定子铁心6、励磁线圈7、上定子压板81及下定子压板82。

上定子端板41、下定子端板42分别与转子推力盘2构成内气隙(内上气隙31、内下气隙32)。定子铁心6与转子推力盘2构成外气隙(外上气隙33、外下气隙34)。

上永磁体51、下永磁体52分别位于定子铁芯6与上定子端板41、下定子端板42之间。上永磁体51、下永磁体52与转子推力盘2一起构成永磁磁路，上永磁体51、下永磁体52在内外气隙内产生永磁偏置磁场。上永磁体51、下永磁体52为两个大小相同的环形永磁体，其采用径向充磁或平行充磁，其充磁方向相反，放置方向相同。

控制绕组的励磁线圈7位于定子铁心6内，并对其进行灌胶处理。励磁线圈7与转子推力盘2构成电励磁磁路，励磁线圈7的电流方向可以双向调节。定子铁心6与转子推力盘2构成外气隙(外上气隙33、外下气隙34)。外侧励磁线圈7产生的电励磁磁场可以对上永磁体51、下永磁体52产生的永磁偏置磁场进行调节。

上定子压板81、下定子压板82分别从上下固定上定子端板41、下定子端板42、上永磁体51、下永磁体52，生根于定子铁心6，为不导磁材料。

定子组件中，上定子端板41、下定子端板42及定子铁心6均采用高导磁性能的电工纯铁材料。

在本实施例中，永磁偏置混合轴向磁轴承的上永磁体51、下永磁体52可形成两条回路，如图2所示。第一条回路为：上永磁体51的N极→上定子端板41→内上气隙31→转子推力盘2→外上气隙33→定子铁心6→上永磁体51的S极；第二条回路为：下永磁体52的N极→下定子端板42→内下气隙32→转子推力盘2→外下气隙34→定子铁心6→下永磁体52的S极。两条回路的走向上下对称，因此永磁偏置混合轴向磁轴承产生的承载力无取向性。

在本实施例中，永磁偏置混合轴向磁轴承的电励磁磁路如图3所示。励磁线圈7产生的电励磁磁通路径为：上定子端板41→内上气隙31→转子推力盘2→内下气隙32→下定子端板42→定子铁心6→上定子端板41。励磁线圈7的电流方向可以双向调节，假定当励磁电流为正时，电励磁磁场方向向上，由于永磁偏置磁场分别在内上气隙31、内下气隙32处向上、向下，两种磁场线性叠加，内上气隙31磁场增强，内下气隙32磁场削弱，转子推力盘2受到向上的承载力；同理，当励磁线圈7的电流为负时，转子推力盘2受到向下的承载力。

本发明永磁偏置混合轴向磁轴承的工作原理如下：由上永磁体51、下永磁体52提供混合轴向磁轴承的偏置磁场，由电励磁线圈7来实现调节所需要的控制磁场。具体地说，永磁体51、52和励磁线圈7产生的磁场在外侧两个气隙(外上气隙33、外下气隙34)中叠加或抵消，共同作用在转子推力盘2上产生承载力。

与现有技术相比，本发明的永磁偏置混合轴向磁轴承具有以下特点：

(1)永磁体设置于定子组件部分，转子组件转速对其影响小，适应用于高速运行，永磁体不参与工作气隙的构成，有利于提高结构精度；

(2)电励磁磁路和永磁磁路独立，解耦性能好，励磁效率高，调节励磁电流对永磁体性能影响小，磁轴承的可靠性高；

(3)可通过设置的内气隙大小不同来提供抵消转子组件的重力的磁场，有效减少了电励磁电流，降低了轴承待机损耗；

(4)电励磁磁路穿过转子铁心外圈，产生的涡流对转子组件影响较小，有利于提高磁轴承的动态性能。

综上所述，本发明的永磁偏置混合轴向磁轴承结构紧凑、轴向长度短、可应用于高速运行场合，适用于大功率大承载力的高速系统。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种永磁偏置混合径向磁轴承轴向磁轴承，包括定子组件和同轴设置在所述定子组件内的转子组件，其特征在于：所述转子组件包括转轴(1)和穿套在转轴(1)上的转子推力盘(2)，所述转子推力盘(2)为轴对称结构，呈中间高、周围低的圆形阶梯状；所述定子组件包括上定子端板(41)、下定子端板(42)、上永磁体(51)、下永磁体(52)、定子铁心(6)及励磁线圈(7)，所述上永磁体(51)位于所述定子铁芯(6)与所述上定子端板(41)之间，所述下永磁体(52)位于所述定子铁芯(6)与所述下定子端板(42)之间，所述上永磁体(51)、所述下永磁体(52)的充磁方向相反，所述励磁线圈(7)位于所述定子铁心(6)内；所述上定子端板(41)与所述转子推力盘(2)的上表面之间形成内上气隙(31)，所述下定子端板(42)与所述转子推力盘(2)的下表面之间形成内下气隙(32)，所述定子铁芯(6)与所述转子推力盘(2)的上表面之间形成外上气隙(33)，所述定子铁芯(6)与所述转子推力盘(2)的下表面之间形成外下气隙(34)。

2.根据权利要求1所述的永磁偏置混合径向磁轴承轴向磁轴承，其特征在于：所述上永磁体(51)、所述下永磁体(52)为大小相同的环形永磁体，采用径向充磁或平行充磁。

3.根据权利要求1所述的永磁偏置混合径向磁轴承轴向磁轴承，其特征在于：所述内上气隙(31)与所述内下气隙(32)的大小相等。

4.根据权利要求3所述的永磁偏置混合径向磁轴承轴向磁轴承，其特征在于：所述转子推力盘(2)的阶梯高度为所述内上气隙(31)、所述内下气隙(32)、所述外上气隙(33)、所述外下气隙(34)的10倍以上。

5.根据权利要求4所述的永磁偏置混合径向磁轴承轴向磁轴承，其特征在于：所述内上气隙(31)、所述内下气隙(32)、所述外上气隙(33)、所述外下气隙(34)的大小为0.5mm。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的永磁偏置混合径向磁轴承轴向磁轴承，其特征在于：所述定子组件还包括上定子压板(81)和下定子压板(82)，所述上定子压板(81)从上方将所述上定子端板(41)、所述上永磁体(51)固定到所述定子铁心(6)上，所述下定子压板(82)从下方将所述下定子端板(42)、所述下永磁体(52)固定到所述定子铁心(6)上。

7.根据权利要求6所述的永磁偏置混合径向磁轴承轴向磁轴承，其特征在于：所述上定子压板(81)、所述下定子压板(82)为不导磁材料制成。

8.根据权利要求7所述的永磁偏置混合径向磁轴承轴向磁轴承，其特征在于：所述转轴(1)采用高强度合金钢制成，所述转子推力盘(2)采用高强度的软磁材料或电工纯铁制成。

9.根据权利要求7所述的永磁偏置混合径向磁轴承轴向磁轴承，其特征在于：所述励磁线圈(7)进行灌胶处理，所述励磁线圈(7)的电流方向可双向调节。

10.根据权利要求7所述的永磁偏置混合径向磁轴承轴向磁轴承，其特征在于：所述上定子端板(41)、所述下定子端板(42)及所述定子铁心(6)均采用电工纯铁材料制成。