CN106838005B - 一种异极性永磁偏置混合径向磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种异极性永磁偏置混合径向磁轴承，属于磁悬浮轴承领域，其包括定子铁心、转子铁心、控制线圈、转轴以及永磁体，转子铁心设置在定子铁心中间处，定子铁心具有四个定子极，且相对于定子铁心能进行旋转，定子铁心与转子铁芯之间设置有工作气隙，多个永磁体对称嵌装在定子铁心的相邻两齿之间，转轴设置在转子铁心的中间处，并能随着该转子铁心一同转动，控制绕组缠绕在定子极上，且在X、Y方向上的两个控制绕组之间形成串联，定子铁心上的定子齿的末端延伸至与永磁体相接，在X方向的定子齿上设置有辅助气隙以使所述永磁体产生的磁通不被定子铁心短路，并在工作气隙中形成气隙偏置磁场。本发明磁轴承铁芯损耗小、系统运行可靠性高。

Description

一种异极性永磁偏置混合径向磁轴承

技术领域

本发明属于磁悬浮轴承技术领域，更具体地，涉及一种低转子损耗的异极性永磁偏置混合径向磁轴承。

背景技术

伴随着现代工业的飞速发展，高速和超高速电机得到日益广泛的应用。但电机转速的提升，对轴承性能的要求也越来越高，传统机械轴承已无法满足其需求。相比之下，磁轴承由于具有无摩擦磨损、转子位移精度高、可支承转速高、无需润滑油、寿命长等优点，在真空、超净、超高速等场合有着非常广阔的应用前景，因此也受到日益广泛的关注。

按照磁力提供的方式，磁轴承通常可分为三类：被动磁轴承、主动磁轴承和永磁偏置混合磁轴承。其中，永磁偏置混合磁轴承兼具了被动磁轴承和主动磁轴承的优点，充分利用了永磁体来提供偏置磁场，降低了系统的待机损耗，也因此成为了学者研究的热点。但是从目前发展来看，永磁偏置混合磁轴承结构仍然在一定程度上存在不足，主要体现如下：

(1)同极性混合偏置磁轴承，其永磁体在定子磁极上产生的磁极性相同，因此这类磁轴承转子的铁心损耗较小，但由于偏置磁通和控制磁通的流通路径不在一个平面上，其轴向长度相对较长，影响电机临界转速的提高，且漏磁相对较大。

(2)异极性混合偏置磁轴承，较具代表的是日本学者Okada等人提出的一种定子八极结构(Y.Okada,H.Koyanayi,and K.Kakihara,“New concept of miracle magneticbearings,”in Proc.9th Int.Symp.Magnetic Bearings,Lexington,KY,Aug.2004,pp.89–95.)，这种结构的偏置磁通和控制磁通的流通路径在同一个平面上，因此其轴向长度较短，临界转速高，且漏磁较小。但由于其永磁体在定子磁极上产生的磁极性不同，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，从而限制了其在真空、超高速等场合的应用。

因此，需要开发一种新型的异极性永磁偏置混合径向磁轴承，要求其轴向长度较短，临界转速高且高速运行环境下铁心损耗小，以适合于真空、超高速等场合的应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种异极性混合偏置磁轴承，通过减小定子磁极的数目来降低气隙磁场翻转的频率，从而减小转子在高速运行下的铁心损耗，由此解决在高速真空场合下，磁轴承转子损耗大、散热难、温升高的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，本发明提供了一种异极性混合偏置磁轴承，其包括定子、转子、永磁体、控制线圈和转轴，其中，所述转子设置在所述定子内部，且相对于所述定子可进行旋转，定子与转子之间留有工作气隙；所述永磁体对称设置于所述定子的相邻两齿之间；所述转轴设置在所述转子的内部，并随着该转子一同转动；此外，所述控制绕组缠绕在所述定子的定子极上且同一方向(X方向或Y方向)上的两个线圈之间形成串联。

对于所述定子而言，其具有四个定子极，是传统八极异极性永磁偏置混合径向磁轴承定子极数量的一半，且定子齿的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；另外，为了防止永磁体被定子铁心短路，还在X方向的定子齿上引入了辅助气隙，由此使得永磁体产生的磁通经过工作气隙并形成气隙偏置磁场。

进一步地，所述定子铁心和转子铁心均由多层无取向硅钢片轴向叠压而成；所述永磁体的材料为高磁性能稀土永磁材料；所述转轴的材料为高强度钢。

进一步地，嵌放于定子铁心内的永磁体为规则长方体，按两两相隔90度的方式嵌入定子铁心相邻两齿之间，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。

进一步地，所述辅助气隙的大小要远大于所述工作气隙的大小，以减小漏磁通，所述工作气隙的大小譬如为0.5mm，所述辅助气隙的大小譬如为2mm。

进一步地，所述辅助气隙处采用不导磁材料进行填充，以加固机械结构。

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)控制磁路不经过永磁体，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；控制磁路和永磁偏置磁路解耦性好，有利于控制系统设计。

(3)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。

(4)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。

(5)磁轴承在径向各个方向均能满足承载力要求，且在Y方向上具有更高的悬浮性能，特别适合卧式系统承载转子重力的要求，有利于转子的快速起浮。

附图说明

图1是本发明中异极性永磁偏置混合径向磁轴承的结构示意图；

图2是本发明实施例的永磁偏置磁路示意图；

图3是本发明实施例的控制磁路示意图。

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-定子铁心、2-转子铁心、3-控制线圈、4-辅助气隙、5-转轴、6-永磁体。

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为本发明中异极性永磁偏置混合径向磁轴承的结构示意图，由图可知，其包括定子铁心1、转子铁心2、控制线圈3、辅助气隙4、转轴5以及永磁体6。

其中，各个部件间的连接关系为：所述转子铁芯2设置在所述定子铁芯1中间处，且相对于所述定子铁芯能进行旋转，定子铁芯1与转子铁芯2之间留有工作气隙；所述永磁体6具有多个，多个永磁体6对称嵌装在所述定子铁芯的相邻两齿之间；所述转轴5设置在所述转子铁芯的中间处，并能随着该转子铁芯2一同转动。此外，所述控制绕组3缠绕在所述定子铁芯的定子极上，且同一方向(X或Y)上的两个线圈或者控制绕组之间形成串联。

对于所述定子而言，其具有四个定子极，是传统八极异极性永磁偏置混合径向磁轴承定子极数量的一半，且定子齿的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；另外，为了防止永磁体被定子铁心短路，还在X方向的定子齿上引入了辅助气隙，由此使得永磁体产生的磁通经过气隙并形成气隙偏置磁场。

图2和图3分别为磁轴承的永磁偏置磁路示意图和控制磁路示意图，如图2和3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，定子极数为四，每个极上都分别缠绕有控制线圈；四个控制线圈根据所在方向(X向或Y向)分为两组，每组里面的两个线圈串联相接。转子在初始时刻位于中间平衡位置。

下面将以Y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，四个块状永磁体在工作气隙处产生的偏置磁通相等，转子所受的合力为零。假定转子受到-Y方向的扰动并发生偏移，造成Y方向上的气隙偏置磁通发生变化(-Y方向大，+Y方向小)，此时Y方向上的控制线圈会产生如图3所示的控制磁通，该控制磁通与工作气隙中的偏置磁通叠加，导致+Y方向气隙磁通得到增强，-Y方向气隙磁通得到减弱，共同作用后产生一个沿+Y方向的吸力，将转子拉回原来的平衡位置。

当转子受到X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，都能通过控制线圈的作用使转子保持在平衡位置。

在本发明的一个实施例中，定子铁心1和转子铁心2均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，分别绕在定子铁心1的四个极上，受功率放大器控制，线圈匝数譬如为160匝；工作气隙设置为譬如0.5mm，辅助气隙4设置譬如为2mm，辅助气隙处采用环氧树脂材料进行填充；转轴5采用譬如高强度45号钢；永磁体6采用具有高磁性能的譬如烧结钕铁硼材料，以产生足够的偏置磁通；永磁体6加工为片状结构，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；永磁偏置磁路和控制磁路在同一个平面上，都为径向磁路。

本发明的工作原理是：由永磁体6提供磁轴承悬浮的偏置磁场，由控制线圈3产生需要的控制磁场。永磁体的主磁通路径为：永磁体N极→定子铁心→工作气隙→转子铁心→工作气隙→定子铁心→永磁体S极。此外，有一部分漏磁的磁通路径为：永磁体N极→定子铁心→辅助气隙→定子铁心→永磁体S极。控制线圈产生的控制磁场磁通路径为：定子铁心→工作气隙→转子铁心→工作气隙→定子铁心。永磁体6和控制线圈3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八极的异极性永磁偏置混合径向磁轴承结构的主要差别在于，引入辅助气隙改变了磁路设计，从而使得定子极数由八极减小到四极，从而降低了气隙磁场翻转的频率，最终有效减小了转子在高速运转下的铁心损耗。

本发明中的异极性永磁偏置混合径向磁轴承在具体应用中应成对使用，并且可以通过搭配轴向磁轴承，实现对转子的五自由度控制。

本发明磁轴承具有如下优点：(1)结构上只有主动磁极，消除了被动磁极在转子偏心时带来的不平衡磁拉力；(2)控制磁路不经过永磁体，不会使得永磁体发生不可逆退磁，提高了系统运行可靠性；(3)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。

本发明中，定子铁心和定子指代同一事物，转子铁心和转子指代同意事物。

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 (8)

1.一种异极性永磁偏置混合径向磁轴承，其特征在于，其包括定子铁心(1)、转子铁心(2)、控制线圈(3)、转轴(5)以及永磁体(6)，其中，

所述转子铁心(2)设置在所述定子铁心(1)中间处，所述定子铁心(1)具有四个定子极，且相对于所述定子铁心能进行旋转，所述定子铁心(1)与所述转子铁心(2)之间设置有工作气隙，

所述永磁体(6)具有多个，多个永磁体(6)对称嵌装在所述定子铁心的相邻两齿之间；

所述转轴(5)设置在所述转子铁心(2)的中间处，并能随着该转子铁心(2)一同转动，

所述控制线圈(3)缠绕在所述定子铁心(1)的定子极上，且在X方向或Y方向上的两个控制绕组之间形成串联，

定子铁心上的定子齿的末端延伸至与所述永磁体相接，

在X方向的定子齿上设置有辅助气隙，以使得所述永磁体产生的主磁通经过工作气隙并形成气隙偏置磁场，

具体的，永磁体(6)用于提供磁轴承悬浮的偏置磁场，控制线圈(3)产生需要的控制磁场，

永磁体的主磁通路径为：永磁体N极→定子铁心→工作气隙→转子铁心→工作气隙→定子铁心→永磁体S极，

漏磁的磁通路径为：永磁体N极→定子铁心→辅助气隙→定子铁心→永磁体S极，

控制线圈产生的控制磁场磁通路径为：定子铁心→工作气隙→转子铁心→工作气隙→定子铁心。

2.如权利要求1所述的一种异极性永磁偏置混合径向磁轴承，其特征在于，所述永磁体(6)具有四个，四个永磁体(6)均为片状结构，分别嵌装于定子铁心两定子齿之间，两两相隔90度。

3.如权利要求2所述的一种异极性永磁偏置混合径向磁轴承，其特征在于，所述永磁铁(6)采用周向充磁方式，且相邻两块永磁体大小相同、充磁方向相反。

4.如权利要求3所述的一种异极性永磁偏置混合径向磁轴承，其特征在于，所述永磁体为规则长方体。

5.如权利要求1-4之一所述的一种异极性永磁偏置混合径向磁轴承，其特征在于，所述工作气隙的大小为0.5mm，所述辅助气隙的大小为2mm。

6.如权利要求5所述的一种异极性永磁偏置混合径向磁轴承，其特征在于，所述辅助气隙处采用不导磁材料进行填充。

7.如权利要求5所述的一种异极性永磁偏置混合径向磁轴承，其特征在于，所述辅助气隙处采用环氧树脂材料进行填充。

8.如权利要求1所述的一种异极性永磁偏置混合径向磁轴承，其特征在于，所述定子铁心和转子铁心均由多层无取向硅钢片轴向叠压而成，所述永磁体的材料为烧结钕铁硼，所述转轴的材料为45号钢。