CN106812797A - 一种双层定子永磁偏置径向磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双层定子永磁偏置径向磁轴承，属于磁悬浮轴承技术领域，其包括定子、转子、永磁体、控制线圈、隔磁环、隔磁体和转轴，转子设置在定子中间处，且相对于定子能进行旋转，定子与转子之间设置有工作气隙，永磁体对称设置于定子的相邻两定子齿之间，转轴设置在转子的中间处，控制线圈缠绕在定子的定子极上，定子包括上层定子和下层定子，两层定子轭部之间设置隔磁体和隔磁环，以起到隔磁作用，定子齿的轴向长度与转子相同，定子齿末端延伸至与永磁体相接，每层定子的轭部的轴向长度只有转子的一半左右。本发明设计的磁轴承的悬浮性能提高，转子损耗降低。

Description

一种双层定子永磁偏置径向磁轴承

技术领域

本发明属于磁悬浮轴承技术领域，更具体地，涉及一种高悬浮性能、低损耗的双层定子永磁偏置径向磁轴承。

背景技术

目前，磁悬浮轴承由于具有机械磨损小、能耗低、可支承转速高、无需润滑油和寿命长等优点，从根本上改变了传统的支承形式，在真空、超净、超高速等场合具有广阔的应用前景。

按照磁力提供的方式，可将磁轴承分为三种：

第一种是被动磁轴承，这种磁轴承利用永磁体之间产生磁力(吸引力或排斥力)来实现转子的悬浮，结构简单，功耗低。但它不能单独用于转子支承，而必须与其它轴承(如：机械轴承)配合使用，且刚度和阻尼都较小；

第二种是主动磁轴承，这种磁轴承一般由磁轴承本体、悬浮转子、位移传感器、控制器和功率放大器组成，形成一个闭环系统，能实现转子的精密控制，刚度较大。但其偏置磁通和控制磁通都由电磁线圈产生，功耗较高；

第三种是永磁偏置磁轴承，这种磁轴承利用永磁体产生的静态偏置磁通来取代主动磁轴承中电磁绕组产生的偏置磁通，其励磁绕组中只有控制电流，不需要偏置电流，可以明显降低磁轴承的损耗和功放电路的功耗，同时减小了磁轴承的体积和重量。

通常，永磁偏置径向磁轴承根据其结构形式又分为同极性和异极性结构。同极性结构的磁轴承铁心损耗较小，但结构相对复杂，需要的控制线圈多，并且其轴向长度相对较长，不利于转子临界转速的提高。异极性结构的磁轴承轴向长度较短，临界转速高，但其转子在高速运行下会产生较大的铁心损耗，不利于转子的散热。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双层定子永磁偏置径向磁轴承，其目的在于，-通过采用双层定子结构，隔离了径向两自由度上的磁路，在减小定子磁极数目的同时实现了两方向控制磁场解耦，从而能提高磁轴承的悬浮性能，并降低其转子损耗。

为实现上述目的，本发明提供了一种双层定子永磁偏置磁轴承，其包括定子、转子、永磁体、控制线圈、隔磁环、隔磁体和转轴，其定子包括上层定子和下层定子，

所述转子设置在所述定子中间处，且相对于所述定子能进行旋转，定子与转子之间设置有气隙；所述永磁体对称设置于所述定子的相邻两定子齿之间；所述转轴设置在所述转子中间处，并能随着该转子一同转动；所述控制线圈缠绕在所述定子的定子极上；

所述定子包括上层定子和下层定子，上下两层定子的轭部之间设置有隔磁体和隔磁环，用以隔离两层定子的磁路，并减小气隙的漏磁，提高气隙永磁偏置磁场。定子齿的轴向长度与所述转子相同，且末端向两边延伸至与永磁体相接，由此使得定子极的面积增加。每层定子轭部的轴向长度只有所述转子的一半。

进一步地，所述定子的铁心由实心软磁材料制成，所述转子的铁心由多层无取向硅钢片轴向叠压而成。

进一步地，定子的铁心总共有四个定子极，每个定子极上都绕有一个控制线圈，且每层定子的铁心上的两个控制线圈之间形成串联，分别用于控制转子在X方向或Y方向上的位置。

进一步地，隔磁体为低磁性永磁材料，共八块，八块隔磁体沿圆周间隔45度均匀放置在隔磁环内，充磁方向采用轴向充磁。

进一步地，嵌放于定子铁心内的永磁体为环形片状结构，共四块，按两两相隔90度的方式嵌入上下两层定子铁心齿部之间，充磁方向采用周向充磁，且相邻两块永磁体大小相同、充磁方向相反。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)永磁体安装在定子齿之间，定子上只有四个能进行主动控制的定子磁极，不存在不能实施主动控制的永磁体磁极，这样使得转子偏心时位移负刚度较小，高速运转时产生的振动也较小。

(2)采用双层定子结构，隔离了控制磁路，实现了X方向和Y方向上的控制磁路解耦，有利于控制系统设计。

(3)控制磁通不经过永磁体，不存在附加气隙，所需电励磁磁动势小，系统损耗小、效率高；调节励磁电流不会引起永磁体的不可逆失磁，可靠性高；调节控制电流不会引起永磁体的不可逆失磁，提高了系统可靠性；

(4)定子主动控制极面积增大，增加了控制范围，提高了转子悬浮稳定性。

(5)通过结构设计，减少了定子磁极数目，降低了气隙磁场翻转的频率，从而有效降低了转子在高速运行下的铁心损耗。

(6)磁轴承在径向各个方向均能满足承载力要求，且具有较大的电流刚度和较小的位移刚度，提高了磁轴承系统的悬浮性能。

附图说明

图1是本发明双层定子永磁偏置径向磁轴承的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的立体装配示意图；

图3是本发明实施例的永磁偏置磁路示意图；

图4是本发明实施例的控制磁路示意图，其中，(a)是X方向控制磁路，(b)是Y方向控制磁路。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-上层定子铁心、2-转子铁心、3-控制线圈、4-永磁体、5-下层定子铁心、6-隔磁环、7-转轴、8-隔磁体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为双层定子永磁偏置径向磁轴承的结构示意图，图2为双层定子永磁偏置径向磁轴承的立体装配示意图，由于整个结构的上下部分非对称，通过立体装配图能够更好的了解磁轴承的结构。由上述两图可知，其包括上层定子铁心1、转子铁心2、控制线圈3、永磁体4、下层定子铁心5、隔磁环6以及转轴7。

其中，所述转子2设置在所述定子中间处，且相对于所述定子能进行旋转，定子与转子2之间设置有气隙，所述永磁体4对称设置于所述定子的相邻两定子齿之间，所述转轴7设置在所述转子2的中间处，并能随该转子转动，所述控制线圈3缠绕在所述定子的定子极上，所述定子包括上层定子1和下层定子5，两层定子轭部之间设置隔磁体8和隔磁环6，以起到隔磁作用，所述定子齿的轴向长度与所述转子2相同，且所述定子齿末端延伸至与永磁体4相接，由此使得定子极的面积增加，每层定子的轭部的轴向长度只有所述转子2的一半左右。在实际工程实践中，定子轭部厚度＝0.5*(转子厚度-隔磁环厚度)，由于隔磁环很薄，所以其实际厚度比转子厚度一半少一点。

更具体的，所述上层定子1和下层定子5的铁心由实心软磁材料制成，所述转子2的铁心由多层无取向硅钢片轴向叠压而成。所述隔磁体8为低磁性永磁材料，其总共具有八块，八块隔磁体8沿圆周间隔45度均匀设置在隔磁环6内。八块隔磁体8充磁方向为轴向充磁。隔磁环6采用不导磁的环氧树脂浇注而成，隔磁体8采用低永磁铁氧体制备，隔磁体8为片状，隔磁体沿圆周间隔45度均匀设置在隔磁环6内。嵌装于定子内的永磁体4为环形片状。永磁体4共四块，按两两相隔90度的方式嵌装在上下两层定子的定子齿部之间。所述永磁体4充磁方向为周向充磁，且相邻两块永磁体大小相同、充磁方向相反。

图3和图4分别为磁轴承的永磁偏置磁路示意图和控制磁路示意图，图4中，(a)是X方向控制磁路，(b)是Y方向控制磁路。如图3和4所示，永磁偏置磁路和控制磁路在结构上对称分布，且都为径向磁路。

本发明的一个优选实施例中，定子总极数为四个，每层定子极数为两个，每个定子极上都分别缠绕有控制线圈。同一层定子上的两个控制线圈串联相接，分别用于控制转子在X方向或Y方向的位置。转子在初始时刻位于中间平衡位置。

在本发明的又一个实施例中，上层定子铁心1和下层定子铁心5由电工纯铁制成，转子铁心2由硅钢片轴向叠压而成，厚度为0.2mm、0.35mm或0.5mm，以减小铁心内部的涡流损耗。控制线圈3分为两组，分别绕在上层定子铁心1和下层定子铁心5的四个极上，受功率放大器控制；永磁体4采用具有高磁性能的烧结钕铁硼材料，以产生足够的偏置磁通；永磁体加工为环状结构，嵌放于定子铁心两齿之间，两两相隔90度，充磁方向采用周向充磁，且相邻两块永磁体大小相同、充磁方向相反；隔磁环和隔磁体厚度设置譬如为5mm；转轴7采用譬如高强度的45号钢；隔磁环采用不导磁的环氧树脂浇注而成，隔磁体采用低磁性能的永磁铁氧体，隔磁体加工为片状结构，沿圆周间隔45度均匀放置在隔磁环内；工作气隙设置为譬如0.5mm，隔磁环和隔磁体的厚度设置譬如为5mm，远大于气隙长度；永磁偏置磁路和控制磁路在同一个平面上，都为径向磁路，X方向和Y方向的控制磁路在定子侧相互独立。

下面将以X方向为例，对上述组件的工作过程进行说明：

初始时，转子位于中间平衡位置时，由于结构的对称性，周向充磁的环形永磁体在+X和-X气隙处产生的偏置磁通相等，此时两边吸力相等，转子所受的合力为零。如果在此时转子受到-X方向的外扰力，转子就会偏离平衡位置向-X方向偏移，造成X方向上的气隙偏置磁通发生变化(-X方向气隙磁通大，+X方向气隙磁通小)，由于磁场吸力大小与磁通的平方成正比，因此+X方向的吸力小于-X方向，在加入控制磁通前，转子将无法回到中间平衡位置。此时，位移传感器检测出转子的偏移量，控制器将该位移信号转换成控制信号，功率放大器再将该控制信号转化成控制电流，此时，该控制电流通过X方向控制线圈会产生如图4(a)所示的控制磁通，该磁通与气隙中的偏置磁通叠加，导致+X方向气隙磁通得到增强，-X方向气隙磁通得到减弱，共同作用后产生一个沿+X方向的吸力，将转子拉回原来的平衡位置。

当转子受到Y方向的扰动并发生偏移时，其过程与上面类似。因此，不论转子受到X还是Y方向上的外扰动，都能通过控制线圈来调节各气隙磁通的大小，使转子保持在平衡位置。

本发明的工作原理是：

由永磁体提供磁轴承悬浮的偏置磁场，由控制线圈产生需要的控制磁场。永磁体的偏置磁通路径为永磁体N极→上层定子铁心→工作气隙→转子铁心→工作气隙→下层定子铁心→永磁体S极；

X方向控制线圈产生的控制磁通路径为上层定子铁心→工作气隙→转子铁心→工作气隙→上层定子铁心；

Y方向控制线圈产生的控制磁通路径为下层定子铁心→工作气隙→转子铁心→工作气隙→下层定子铁心。

永磁体和控制线圈产生的磁场在两边气隙中一边加强一边减弱，共同作用在转子上产生承载力。

本发明的电机结构与现有技术中永磁偏置径向磁轴承结构的主要差别在于：通过磁路分离设计，实现了控制磁路解耦；同时，既没有引入附加气隙，又将定子极数由八极减小到四极，从而减小了励磁损耗，并降低了气隙磁场翻转的频率，有效减小了转子在高速运转下的铁心损耗。

本发明中，上层定子和上层定子铁心指代同一事物、下层定子和下层定子铁心也指代同一事物，定子和定子铁心指代同一事物。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双层定子永磁偏置径向磁轴承，其特征在于，其包括定子、转子(2)、永磁体(4)、控制线圈(3)、隔磁环(6)、隔磁体(8)和转轴(7)，其中，

所述转子(2)设置在所述定子中间处，且相对于所述定子能进行旋转，定子与转子(2)之间设置有工作气隙，

所述永磁体(4)对称设置于所述定子的相邻两定子齿之间，

所述转轴(7)设置在所述转子(2)的中间处，并能随该转子转动，

所述控制线圈(3)缠绕在所述定子的定子极上，所述定子包括上层定子(1)和下层定子(5)，两层定子轭部之间设置隔磁体(8)和隔磁环(6)，以起到隔磁作用，

所述定子齿的轴向长度与所述转子(2)相同，且所述定子齿末端延伸至与永磁体(4)相接，由此使得定子极的面积增加，

每层定子的轭部的轴向长度小于所述转子(2)的一半。

2.根据权利要求1所述的双层定子永磁偏置径向磁轴承，其特征在于，所述上层定子(1)和下层定子(5)的铁心由实心软磁材料制成，所述转子(2)的铁心由多层无取向硅钢片轴向叠压而成。

3.根据权利要求2所述的双层定子永磁偏置径向磁轴承，其特征在于，上层定子(1)和下层定子(5)总共有四个定子极，每层定子铁心上具有两个定子极，四个定子极都分别绕有一个控制线圈(3)，且每层定子上的两个控制线圈(3)之间形成串联，分别用于控制转子在X方向或Y方向上的位置。

4.根据权利要求1-3之一所述的双层定子永磁偏置径向磁轴承，其特征在于，所述隔磁体(8)为低磁性永磁材料，其总共具有八块，八块隔磁体(8)沿圆周间隔45度均匀设置在隔磁环(6)内。

5.根据权利要求4所述的双层定子永磁偏置径向磁轴承，其特征在于，八块隔磁体(8)充磁方向为轴向充磁。

6.根据权利要求1所述的双层定子永磁偏置径向磁轴承，其特征在于，嵌装于定子内的永磁体(4)为环形片状。

7.根据权利要求6所述的双层定子永磁偏置径向磁轴承，其特征在于，所述永磁体(4)共四块，按两两相隔90度的方式嵌装在上下两层定子的定子齿部之间。

8.根据权利要求7所述的双层定子永磁偏置径向磁轴承，其特征在于，所述永磁体(4)充磁方向为周向充磁，且相邻两块永磁体大小相同、充磁方向相反。

9.根据权利要求1所述的双层定子永磁偏置径向磁轴承，其特征在于，隔磁环(6)采用不导磁的环氧树脂浇注而成，隔磁体(8)采用低永磁铁氧体制备，隔磁体(8)为片状，隔磁体沿圆周间隔45度均匀设置在隔磁环(6)内。