CN106438699A - 叠片铁芯式单环双线圈冗余轴向磁悬浮轴承 - Google Patents

叠片铁芯式单环双线圈冗余轴向磁悬浮轴承 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种叠片铁芯式单环双线圈冗余轴向磁悬浮轴承，其结构是：在叠片基座(2)的圆周方向轴向镶嵌有多组U形硅钢片叠片部件(1),并用内六角平端紧定螺钉(6)固定；两组匝数相同的线圈(3)轴向并联缠绕在12组U形硅钢片叠片部件组成的圆环上。本发明相较于现有设计，解决了整体式轴向磁悬浮轴承不能采用硅钢片叠片的形式，从而减小轴向磁悬浮轴承的涡流损耗，降低了轴向磁悬浮轴承的温升。两组线圈的冗余设计使轴向磁悬浮轴承具有了解析冗余性，提高了其工作的可靠性。

Description

叠片铁芯式单环双线圈冗余轴向磁悬浮轴承
技术领域
本发明涉及一种叠片铁芯式单环双线圈冗余轴向磁悬浮轴承，该轴承主要应用于磁悬浮转子的轴向支承。
背景技术
磁悬浮轴承是一种新形的轴承，是利用电磁悬浮将转子悬浮起来，从而实现对转子的无接触支承。与机械轴承相比，磁悬浮轴承具有无接触、无磨损、长寿命、免润滑、低噪音等优点，从根本上改变了传统支承形式，己成为某些应用领域不可替代的支承技术。随着磁悬浮轴承技术应用的不断扩展，对磁悬浮轴承系统工作的可靠性和容错能力提出了更高的要求。目前，常规的五自由度磁悬浮转子系统由两个径向磁悬浮轴承和一个轴向磁悬浮轴承组成。
由于轴向磁悬浮轴承的结构特点，其定子铁芯材料通常采用实心结构，控制电流里的高频电流会导致实心定子铁芯和推力盘中产生较大的涡流损耗，使定子和转子发热，产生热变形，影响磁悬浮转子的精度，甚至影响转子的正常运转。
现有的轴向磁悬浮轴承定子的冗余结构类形主要有三种，第一种是径向两环轴向磁悬浮轴承冗余方案，把线圈腔分成一大一小的两个线圈绕组，然后在两个线圈绕组之间再增加一个磁极面积，从而将单环结构变成两环结构；第二种结构是圆周多环轴向磁悬浮轴承冗余方案，采用沿圆周方向的多环布置实现结构冗余；第三种结构是在磁力轴承定子上均布的6个结构相同的方形槽内固定U形硅钢片叠片部件，在每个叠片部件上分别缠绕匝数相同的线圈，是电磁力的冗余。本发明采用与上述方法不同的电磁场冗余的结构设计，在硅钢片叠片定子组成的单环结构中，同时轴向并联缠绕两组线圈，使轴向磁悬浮轴承具有解析冗余性，提高了其工作的可靠性。
为了减小轴向磁悬浮轴承中的涡流损耗，降低轴承的温升，提高轴向磁悬浮轴承工作的可靠度，本发明通过采用硅钢片叠片的方式，减小轴向磁悬浮轴承的涡流损耗，降低了轴向磁悬浮轴承的温升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种叠片铁芯式单环双线圈冗余轴向磁悬浮轴承，通过在定子圆周方向轴向镶嵌多组U形硅钢片叠片部件减少轴向磁悬浮轴承整体的涡流损耗，从而降低轴向磁悬浮轴承的温升，同时线圈的冗余设计提高了轴向磁悬浮轴承的可靠性。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的叠片铁芯式单环双线圈冗余轴向磁悬浮轴承，其结构是：在叠片基座的圆周方向轴向镶嵌有多组U形硅钢片叠片部件,并用内六角平端紧定螺钉固定。
所述的叠片基座，有两个，均为圆盘形状；每个叠片基座的圆周方向均布结构相同的多个梯形槽。
所述的两个叠片基座，其上面的梯形槽和线圈在轴向方向上的轮廓投影完全重合。
所述的两个叠片基座，其圆周方向均布结构相同的多个矩形槽或矩形槽。
本发明轴承的叠片铁芯组成的圆环上轴向并联缠绕的线圈组数有两组，或两组以上；使轴向磁悬浮轴承具有了解析冗余性，提高了其工作的可靠性。
本发明与现有技术相比具有以下主要优点：
1.通过在叠片基座圆周轴向镶嵌12组U形硅钢片叠片部件，减少了轴向磁悬浮轴承整体的涡流损耗，从而降低轴向磁悬浮轴承的温升。相比较整体式冗余轴向磁悬浮轴承，叠片铁芯式单环双线圈冗余轴向磁悬浮轴承在推力盘直径、转子直径以及电流大小相同的条件下，叠片铁芯式单环双线圈轴向磁悬浮轴承整体的温度变化范围在55.345～56.73℃，约为整体单环轴向磁悬浮轴承整体温度的56％。
2.U形硅钢片叠片部件组成的圆环上轴向并联缠绕两组线圈使轴向磁悬浮轴承具有了解析冗余性，提高了其工作的可靠性。当一个线圈失效后，不管是哪一组线圈失效，剩下的另一组线圈可以进行冗余重构，使得整个轴向磁悬浮轴承可以继续工作。
3.两种单环双线圈轴向磁悬浮轴承在冗余重构前后，叠片铁芯式单环双线圈轴向磁悬浮轴承对应的温度值比整体单环双线圈轴向磁悬浮轴承低了约30％。该结构能够在冗余重构之后有效降低轴承的整体温度。
总之，本发明相较于现有设计，解决了整体式轴向磁悬浮轴承不能采用硅钢片叠片的形式，从而减小轴向磁悬浮轴承的涡流损耗，降低了轴向磁悬浮轴承的温升。两组线圈的冗余设计使轴向磁悬浮轴承具有了解析冗余性，提高了其工作的可靠性。
附图说明
图1是本发明叠片铁芯式单环双线圈冗余轴向磁悬浮轴承的结构示意图。
图2是图1拆去转子箱体的A-A剖视图。
图3是图1拆去转子箱体的B-B剖视图。
图4是轴向磁悬浮轴承的梯形槽叠片基座的主视图。
图5是图4的C-C剖视图。
图6是梯形截面的U形硅钢片叠片部件的主视图。(每个梯形槽轴向叠放结构尺寸依次减小的U形硅钢片，每片厚度0.3mm)。
图7是U形硅钢片叠片部件的左视图。(每个梯形槽轴向叠放结构尺寸依次减小的U形硅钢片，每片厚度0.3mm)。
图中：1.U形硅钢叠片部件；2.叠片基座；3.线圈；4.推力盘；5.转子；6.内六角平端紧定螺钉。
具体实施方式
本发明提供的叠片铁芯式单环双线圈冗余轴向磁悬浮轴承，主要由U形硅钢片叠片部件、叠片基座、线圈、推力盘、转子和内六角平端紧定螺钉组成，其中：推力盘与转子过盈配合连接为一整体。两个磁悬浮轴承的叠片基座分别位于推力盘两侧。每个叠片基座沿圆周方向均布12个结构相同的梯形槽，每个梯形槽内轴向镶嵌U形硅钢片叠片部件并用紧定螺钉固定。2组匝数相同的线圈轴向并联缠绕在12组U形硅钢片叠片部件组成的圆环上。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
本发明提供的叠片铁芯式单环双线圈冗余轴向磁悬浮轴承，其结构如图1至图7所示，包括U形硅钢叠片部件1、叠片基座2、线圈3、推力盘4、转子5和内六角平端紧定螺钉6，其中，两个叠片基座2均为圆盘形状，每个叠片基座的圆周方向均布多个(例如12个，或依据实际情况而定)结构相同的梯形槽。将9片厚0.3mm且对应结构尺寸依次减小的U形硅钢片叠片沿其两底边平行方向弯折成U形，并以轴向叠放的方式依次镶嵌在每个梯形槽内。两组匝数相同的线圈3采用轴向并联的方式缠绕在12组U形硅钢叠片部件1组成的铁芯圆环上。叠片基座2底部为定位基准面，叠片基座2侧面径向均布有12个内六角平端紧定螺钉6，以实现对12组U形硅钢叠片部件1的固定。
所述的两个叠片基座2，通过过盈连接固定安装在转子箱体上面，并且面对面地设置在推力盘4的两侧。
所述的两个叠片基座2，其上面的梯形槽和线圈在轴向方向上的轮廓投影完全重合。
所述的两个叠片基座2，为了避免和硅钢片的磁路耦合，应选用非导磁材料。
所述的两个叠片基座2，其底部为定位基准面，其外侧面径向均布12个内六角平端紧定螺钉6，以实现对12组硅钢片叠片部件的固定。
所述的推力盘4，通过温差装配法与转轴过盈配合连接。所述温差装配法是一种过盈配合的连接方法，包括冷缩、热胀以及冷热结合的工艺方法，使本来过盈配合的零件在装配过程中变为间隙装配；完成装配后，零件在工作温度下仍为过盈配合。
所述的推力盘4，其两侧端面与两个叠片基座2端面均留有气隙，该气隙一般为0.3mm。
所述推力盘4固接在转子5的外圆周上，推力盘4的轴线与转子5的轴线重合，推力盘4与转子5装配成体，工作时推力盘4与转子5一起运动。
将定子铁芯采用电工纯铁的实心结构，线圈腔内只有一组匝数为N的线圈的轴向磁悬浮轴承称为整体单环单线圈轴向磁悬浮轴承；当定子铁芯结构尺寸不变，线圈腔轴向并联两组结构尺寸相同且匝数均为N/2的线圈的轴向磁悬浮轴承称为整体单环双线圈轴向磁悬浮轴承；当线圈腔轴向并联两组结构尺寸相同且匝数均为N/2的线圈，定子铁芯采用U形硅钢片叠片的轴向磁悬浮轴承称为叠片铁芯式单环双线圈轴向磁悬浮轴承。
因此，当线圈结构和定子结构分别不同时，主要对比了这三种轴向磁悬浮轴承的磁感应强度、轴向承载力和温度场的仿真数值。表1表示三种轴向磁悬浮轴承在相同电流时的磁感应强度和承载力。表2表示三种轴向磁悬浮轴承各零件的温度对比。表3表示整体单环双线圈轴向磁悬浮轴承和叠片铁芯式单环双线圈冗余轴向磁悬浮轴承在不同线圈失效前后轴承各零件的温度对比。表4表示三种轴向磁悬浮轴承的结构参数，表中参数主要目的是为了利于计算和专利申请，轴向磁悬浮轴承尺寸设计不限定于该结构参数。设在线圈腔中靠近推力盘的线圈为1号线圈，在线圈腔底部的线圈为2号线圈。
本发明提供的叠片铁芯式单环双线圈冗余轴向磁悬浮轴承，其工作过程是：布置在磁悬浮轴承定子上的传感器检测到转子相对于参考位置的偏移时，控制器就给出一个控制信号，通过功率放大器后转变为控制电流，控制电流在硅钢片叠片铁芯中形成相应的电磁场，最终的结果是所形成的磁场力始终使转子悬浮在参考位置上。
但是现有的整体轴向磁悬浮轴承的铁芯结构和高频工作特性，整体式轴向磁悬浮轴承的定子和推力盘会产生过大的损耗且以涡流损耗为主，会产生大量的热量，导致铁芯温度升高，对磁轴承系统的可靠性、稳定性及动态性能等有影响。而本发明的叠片铁芯式轴向磁悬浮轴承采用U形硅钢片叠片的形式嵌入到叠片基座中，极大地降低了轴向磁悬浮轴承中的涡流损耗，从而降低了轴向磁悬浮轴承的温升。
另外，本发明的轴向磁悬浮轴承将两组线圈轴向并联，使整个轴向轴承具有一定的冗余度，不管是哪一组线圈失效，剩下的另一线圈仍然可以正常工作，使得整个轴向磁悬浮轴承可以继续工作，提高了轴承的可靠性。
表1三种轴向磁悬浮轴承的磁感应强度和承载力对比
表2三种轴向磁悬浮轴承各零件温度对比
轴承类形 整体单环单线圈 整体单环双线圈 叠片铁芯式单环双线圈
叠片基座(℃) 100.24～100.43 93.646～93.844 55.345～56.531
推力盘(℃) 100.37～100.67 93.751～94.086 55.986～56.73
线圈(℃) 100.26～100.40 93.648～93.798 55.571～56.09
表3不同线圈失效前后两种轴承各零件温度对比
表4三种轴向磁悬浮轴承结构参数

Claims (5)

1.一种叠片铁芯式单环双线圈冗余轴向磁悬浮轴承，其特征是在叠片基座(2)的圆周方向轴向镶嵌有多组U形硅钢片叠片部件(1),并用内六角平端紧定螺钉(6)固定。
2.根据权利要求1所述的叠片铁芯式单环双线圈冗余轴向磁悬浮轴承，其特征在于所述的叠片基座(2)，有两个，均为圆盘形状；每个叠片基座的圆周方向均布结构相同的多个梯形槽。
3.根据权利要求2所述的叠片铁芯式单环双线圈冗余轴向磁悬浮轴承，其特征在于：所述的两个叠片基座(2)，其上面的梯形槽和线圈在轴向方向上的轮廓投影完全重合。
4.根据权利要求2所述的叠片铁芯式单环双线圈冗余轴向磁悬浮轴承，其特征在于所述的两个叠片基座(2)，其圆周方向均布结构相同的多个矩形槽或梯形槽。
5.根据权利要求1所述的叠片铁芯式单环双线圈冗余轴向磁悬浮轴承，其特征在于该轴承的叠片铁芯组成的圆环上轴向并联缠绕的线圈组数有两组，或两组以上；使轴向磁悬浮轴承具有了解析冗余性，提高了其工作的可靠性。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20170222

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