CN106678176B - 一种模块化的径向单自由度混合磁悬浮轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块化的径向单自由度混合磁悬浮轴承。一个模块单元结构包括两块定子铁芯、永磁体、转子铁芯和控制线圈，转子铁芯同轴固定在转轴上，两块定子铁芯均为半环形体，两块定子铁芯的两端之间各通过一永磁体相对接，并套在转子铁芯外圈对称的两侧形成环形定子，两块定子铁芯的齿部位于两端部，每块定子铁芯的中间为轭部上绕制控制线圈，定子铁芯的两端磁极和转子铁芯之间留有工作气隙；一个模块单元结构控制转子一个自由度的运动，相同结构的模块进行旋转90°就可控制转子另一个自由度的运动。本发明能够让不同模块单元结构之间单独进行控制，因而，不同方向的控制磁场相互解耦，便于控制系统的设计，具有灵活度。
Description
技术领域
本发明涉及了一种磁悬浮轴承，尤其涉及了一种模块化的径向单自由度混合磁悬浮轴承。
背景技术
磁悬浮轴承是利用磁力作用产生承载力，将转子悬浮，使转子和定子之间没有机械接触的新型轴承。和其它传统轴承相比，主要有无机械接触和特性可控的优势。无机械接触使转子可以实现高转速，并且能耗低、无需润滑；特性可控使整体系统更加灵活智能，并能在线监控工作状态，在工业应用中具有广泛的前景。
磁悬浮轴承根据磁场来源一般可分成三类：主动磁轴承(电磁)、被动磁轴承(永磁)和混合磁悬浮轴承(永磁和电磁混合)。混合磁悬浮轴承采用永磁体来产生偏置磁场，线圈通电产生控制磁场，两者在气隙中相互叠加或者抵消产生承载力。能够减小线圈的铜耗和尺寸，从而提高磁悬浮轴承的结构紧凑性，在多个应用领域得到很大发展。但是现有的混合磁悬浮轴承结构设计存在一些不足：大部分结构设计中，线圈缠绕在磁极上，线圈需要一定的空间容纳，从而造成轴承的外径过大；大部分的结构设计都是对两自由度同时进行控制，甚至是三个、五个自由度同时考虑，这种情况下，转轴中需要集中几段较长的部分来安装轴承，因而，转轴往往也需要根据磁悬浮轴承的结构进行设计制造；大部分的结构设计是根据特定工况进行的，在工况改变之后，磁轴承的结构无法相应调整；部分结构过于复杂，加工制造难度大；部分结构不同方向的磁场存在耦合现象，增加控制系统的复杂度，影响轴承的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种模块化的径向单自由度混合磁悬浮轴承，能够为克服上述的一些现有结构的不足。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明包括至少一个模块单元结构，一个模块单元结构包括两块定子铁芯、永磁体、转子铁芯和控制线圈，转子铁芯同轴固定在转轴上，两块定子铁芯置于转子铁芯外圈对称的两侧，两块定子铁芯之间通过永磁体连接，定子铁芯上绕制控制线圈。
所述的两块定子铁芯均为半环形体，两块定子铁芯的两端之间各通过一永磁体相对接，并套在转子铁芯外形成环形定子，两块定子铁芯的齿部位于两端部，每块定子铁芯的中间为轭部上绕制控制线圈，从而组成定子部分，定子铁芯的两端磁极和转子铁芯之间留有工作气隙。
现有的控制线圈是缠绕在定子铁芯的轭部，但是本发明的控制线圈缠绕在定子铁芯的轭部，而不是缠绕在齿部。
两块定子铁芯上的两个控制线圈相串联相接，通入电流后产生的磁场方向为沿同一顺或逆时针方向。
两块定子铁芯两端之间的两块永磁体的磁极方向相同。
所述的转子铁芯和定子铁芯均由硅钢片叠压而成。叠压方向都垂直于通过的磁场方向。
所述的磁悬浮轴承是模块化的，是由至少一个模块单元结构以相同角度方向安装在转轴上，一个模块单元结构控制转子一个自由度的运动，相同结构的模块进行旋转90°就可控制转子另一个自由度的运动，多个模块单元结构结合使用，因此不同模块单元结构控制转子不同自由度的运动，不同模块之间单独进行控制，不同角度方向的模块单元结构的控制磁场相互解耦。一个模块单元结构在转轴上所占的长度较小，可以在转轴空置部分灵活地安装和调整，而无需集中安装。
本发明的工作原理是：以Y轴方向为例，定子安装时，两个磁极沿Y轴方向。永磁体产生偏置磁场，其磁通从永磁体N极出发，通过定子铁芯、工作气隙、转子铁芯、工作气隙、定子铁芯，回到永磁体的S极。控制线圈产生控制磁场，控制磁通通过定子铁芯、工作气隙、转子铁芯、工作气隙，回到定子铁芯。通过控制系统向控制线圈通入控制电流，其产生的控制磁场在一个磁极下的工作气隙中和永磁体产生的偏置磁场抵消，在另一个磁极下的工作气隙中叠加，从而在转子上产生一个Y轴方向的承载力。同理，定子旋转90°安装，就可产生X轴方向的承载力。
本发明的有益效果是：
1、结构简单、各个部分加工容易；
2、控制线圈缠绕在定子铁芯的轭部，齿部上无需缠绕线圈，可以减小齿部的长度，轭部供线圈缠绕空间较大，线圈能够沿轭部均匀的缠绕使其减小所占空间的径向长度，因而，能减小轴承的外径，使整体结构能够更加紧凑；
3、一个模块结构只控制一个方向的力，不同模块之间单独进行控制，因而，不同方向的控制磁场相互解耦，便于控制系统的设计；
4、多个模块化结合使用，可以实现灵活的设计安装，可以安装在转轴的空置部分，无需重新设计转轴，在工况改变时，也可以对各个模块进行调整以适应工况，而无需重新设计轴承，灵活度高；
5、定子铁芯和转子铁芯中的磁场方向都与硅钢片的叠压方向垂直，既能减小磁路中铁芯部分的磁阻，减小永磁体用量和控制电流大小，也能减小涡流损耗。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明实施例的永磁体产生的偏置磁路和控制电流产生的控制磁路示意图；
图中：1、定子铁芯，2、永磁体，3、转子铁芯，4、控制线圈，5、转轴，6、永磁偏置磁场磁路，7、控制磁场磁路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提供一种模块化的径向单自由度混合磁悬浮轴承，一个模块结构由两块定子铁芯1、转子铁芯3、永磁体2、控制线圈4组成。其中两个C字形状的定子铁芯1对称放置，中间安装有两块永磁体2，定子铁芯1的齿部形成两个磁极，轭部上缠绕控制线圈4，组成定子部分。转子铁芯3安装在转轴5上，磁极和转子铁芯3之间留有工作气隙。控制线圈4缠绕在定子铁芯1的轭部，而不是在齿部，可以减小齿部的长度，轭部可供控制线圈4缠绕空间较大，控制线圈4能够沿轭部均匀的缠绕使其减小其所占空间的径向长度，因此能减小轴承的外径，使整体结构能够更加紧凑。
两块定子铁芯1均为半环形体，两块定子铁芯1的两端之间各通过一永磁体2相对接，并套在转子铁芯3外形成环形定子，两块定子铁芯1的齿部位于两端部，每块定子铁芯1的中间为轭部上绕制控制线圈4，从而组成定子部分，定子铁芯1的两端磁极和转子铁芯3之间留有工作气隙。
两块定子铁芯1上的两个控制线圈4相串联相接，通入电流后产生的磁场方向为沿同一顺或逆时针方向，两块定子铁芯1两端之间的两块永磁体2的磁极方向相同，从而控制磁场和永磁偏置磁场在气隙中抵消或叠加，产生承载力。
本发明的具体实施原理如下：
如图2所示，XY二维坐标系中，X轴方向和Y轴方向相垂直，Y轴方向沿两块永磁体2之间的连线方向。
在本实施例中，以Y轴方向为例，两块永磁体2充磁方向为X轴负方向，产生永磁偏置磁场，永磁偏置磁场磁路6如图2中的实线所示，其磁通从永磁体2的N极出发进入左侧定子铁芯1的一磁极端，然后经工作气隙进入转子铁芯3上部，再经工作气隙进入右侧定子铁芯1的一磁极端，最后回到永磁体2的S极。
控制线圈4产生控制磁场，两个控制线圈串联相接，通入电流后产生的磁场方向一致。控制磁场磁路7如图2中的虚线所示，例如对于左侧的定子铁芯1，控制磁通由定子铁芯1的一磁极端出发，经工作气隙进入转子铁芯3，接着在转子铁芯3通过半圈后经由工作气隙回到定子铁芯1的另一磁极端。通过控制系统向控制线圈4中通入控制电流，其产生的控制磁场磁路7在Y轴正方向的工作气隙中和永磁体2产生的偏置磁场磁路6方向相同，磁场相互叠加，在Y轴负方向的工作气隙中方向相反，磁场相互抵消，从而在转子铁芯3上产生一个Y轴正方向的承载力。如要产生X方向的承载力，只需定子部分转动90°即可，
根据实际情况，多个模块单元结构可以结合使用，一个模块单元结构在转轴5上所占的长度较小，可以在转轴5的空置部分灵活地安装和调整。例如，当需要的承载力增加时，可以在转轴5上空置的位置安装一个或多个模块单元结构；当X方向需要的承载力增加而Y方向需要的承载力减少时，可将Y方向的模块单元结构旋转90°来进行调整。不同模块单元结构之间单独进行控制，因而，不同方向的控制磁场相互解耦，便于控制系统的设计。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对本发明的解释说明，并不用于限制本发明，在本发明的精神和和权利要求的保护范围内，对本发明所作的任何修改、替换和改变等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种模块化的径向单自由度混合磁悬浮轴承，包括至少一个模块单元结构，一个模块单元结构包括两块定子铁芯(1)、永磁体(2)、转子铁芯(3)和控制线圈(4)，转子铁芯(3)同轴固定在转轴(5)上，两块定子铁芯(1)置于转子铁芯(3)外圈对称的两侧，两块定子铁芯(1)之间通过永磁体(2)连接，定子铁芯(1)上绕制控制线圈(4)；其特征在于：
所述的两块定子铁芯(1)均为半环形体，两块定子铁芯(1)的两端之间各通过一永磁体(2)相对接，两块定子铁芯(1)的齿部位于两端部，每块定子铁芯(1)轭部上绕制控制线圈(4)，定子铁芯(1)的两端磁极和转子铁芯(3)之间留有工作气隙；
所述的磁悬浮轴承是模块化的，是由至少一个模块单元结构以相同角度方向安装在转轴(5)上，一个模块单元结构控制转子一个自由度的运动，不同模块单元结构控制转子不同自由度的运动，不同角度方向的模块单元结构的控制磁场相互解耦；
控制磁场磁路为：对于其中任一定子铁芯(1)，控制磁通由定子铁芯(1)的一磁极端出发，经工作气隙进入转子铁芯(3)，接着在转子铁芯(3)通过半圈后经由工作气隙回到定子铁芯(1)的另一磁极端。
2.根据权利要求1所述的一种模块化的径向单自由度混合磁悬浮轴承，其特征在于：两块定子铁芯(1)上的两个控制线圈(4)相串联相接，通入电流后产生的磁场方向为沿同一时针方向。
3.根据权利要求1所述的一种模块化的径向单自由度混合磁悬浮轴承，其特征在于：两块定子铁芯(1)两端之间的两块永磁体(2)的磁极方向相同。
4.根据权利要求1所述的一种模块化的径向单自由度混合磁悬浮轴承，其特征在于：所述的转子铁芯和定子铁芯均由硅钢片叠压而成，叠压方向都垂直于磁场方向。
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