CN106979225A - 一种锥形轴向磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种锥形轴向磁轴承，属于磁悬浮轴承领域。其由两个锥形磁轴承构成，二者之间存有间隙，且锥形角方向相反；定子为8极结构，定子轭上嵌有4个环向充磁的永磁体，相互间隔90°，且两定子处于同一圆周位置角的永磁体充磁方向相反；两定子齿与齿对齐，处于同一空间位置的两定子齿上共同绕有一个绕组，共8个，且串联构成一套悬浮绕组；永磁体提供偏置磁通，通过控制悬浮绕组电流的大小和方向以产生所需的轴向悬浮力。本发明两磁轴承间磁路相互隔离，且仅存在径向磁通，无轴向磁路，定、转子均可由硅钢片叠压而成，加工简单，铁心损耗小，效率高。

Description

一种锥形轴向磁轴承

技术领域

本发明涉及一种锥形轴向磁轴承，属于磁悬浮轴承领域。

背景技术

磁悬浮轴承按照磁场建立方式的不同可分为主动型、被动型和混合型三种类型。主动型磁悬浮轴承由通入直流电的偏磁绕组在气隙中建立偏置磁场，由通入大小和方向都受到实时控制的交变电流的控制绕组来在气隙中建立控制磁场，这两个磁场在气隙中的叠加和抵消产生了大小和方向都可以主动控制的磁场吸力，从而实现了转子的稳定悬浮，这种类型的磁悬浮轴承刚度大，可以精密控制，但产生单位承载力所需的体积、重量和功耗也都比较大。

被动型磁悬浮轴承利用磁性材料之间的吸力或斥力来实现转子的悬浮，所需控制器简单，功耗小，但刚度和阻尼也都比较小。混合型磁悬浮轴承结合了主动型磁悬浮轴承和被动型磁悬浮轴承的特点，采用永磁材料替代偏磁线圈来产生所需的偏置磁场，因此电磁线圈匝数比主动型磁悬浮轴承少得多，较大程度地降低了磁悬浮轴承的功率损耗，减小了产生单位承载力所需的体积和重量，这使其在对体积和功耗有着严格要求的领域独特的优势。

然而，传统具有轴向悬浮功能的磁轴承，通常存在轴向磁路，使得磁轴承定、转子采用硅钢片制作难度大，进而采用实心结构，最终导致磁轴承高速运行时的铁心损耗大，温升较高，不利于磁轴承安全运行，且系统效率教低。为此，研究低功耗、无轴向磁路的且具有轴向悬浮功能的混合磁轴承，是一个重要的研究方向。

发明内容

本发明目的是针对现有技术的不足，提出一种锥形轴向磁轴承。所述磁轴承是一种低功耗、结构简单、易于加工且无轴向磁路的永磁偏置式轴向磁轴承。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种锥形轴向磁轴承，由锥形定子Ⅰ、锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅰ、锥形转子Ⅱ、永磁体、绕组和转轴构成；

所述锥形转子Ⅰ布置在锥形定子Ⅰ内，所述锥形转子Ⅱ布置在锥形定子Ⅱ内；所述锥形定子Ⅰ与锥形定子Ⅱ轴向布置，且二者间存在间隙，所述锥形转子Ⅰ与锥形转子Ⅱ轴向布置，套在转轴上；所述锥形定子Ⅰ、锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ的锥形角相等；所述锥形定子Ⅰ与锥形转子Ⅰ的锥形角方向相同，所述锥形定子Ⅱ与锥形转子Ⅱ的锥形角方向相同，且锥形定子Ⅰ与锥形定子Ⅱ的锥形角方向相反；

所述锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ均为锥形圆柱结构；锥形定子Ⅰ与锥形定子Ⅱ均为凸极锥形结构，锥形定子Ⅰ与锥形定子Ⅱ的定子齿数均为8，锥形定子Ⅰ与锥形定子Ⅱ的定子齿与齿对齐；所述锥形定子Ⅰ与锥形定子Ⅱ的定子轭均嵌有 4个永磁体，锥形定子Ⅰ的4个永磁体在空间上相差90°，锥形定子Ⅱ的4个永磁体在空间上相差90°，且锥形定子Ⅰ的4个永磁体与锥形定子Ⅱ的4个永磁体相互对齐；锥形定子Ⅰ的4个永磁体环向充磁，且同极性布置，锥形定子Ⅱ的4 个永磁体环向充磁，且同极性布置；锥形定子Ⅰ的4个永磁体与锥形定子Ⅱ的4个永磁体充磁方向相反；

同一空间位置的锥形定子Ⅰ的1个定子齿与锥形定子Ⅱ的1个定子齿上共同缠绕1个绕组，共8个，串联一起构成1个悬浮绕组。通过控制该套悬浮绕组电流的大小和方向，进而产生悬浮所需的轴向力。

本发明的有益效果：本发明提出了一种轴向径向磁轴承，采用本发明的技术方案，能够达到如下技术效果：

(1)无轴向磁路；

(2)两个锥形磁轴承相互隔离，磁路上也相互隔离；

(3)结构简单，便于硅钢片叠压制作，铁心损耗小，效率高，且控制简单。

附图说明

图1是本发明锥形轴向磁轴承的三维结构示意图。

图2是本发明中锥形定子Ⅰ和锥形转子Ⅰ内的磁通分布图。

图3是本发明中锥形定子Ⅱ和锥形转子Ⅱ内的磁通分布图。

附图标记说明：图1至图3中，1是锥形定子Ⅰ，2是锥形转子Ⅰ，3是绕组，4是永磁体，5是锥形定子Ⅱ，6是锥形转子Ⅱ，7是转轴，8、9、10分别为x、y、z方向坐标轴的正方向，11为永磁体在锥形定子Ⅰ产生的经定子轭闭合的磁通，12为永磁体在锥形定子Ⅰ和锥形转子Ⅰ产生的经定子、转子和气隙闭合的偏置磁通，13为悬浮绕组在锥形定子Ⅰ和锥形转子Ⅰ内产生的控制磁通，14为永磁体在锥形定子Ⅱ产生的经定子轭闭合的磁通，15为永磁体在锥形定子Ⅱ和锥形转子Ⅱ产生的经定子、转子和气隙闭合的偏置磁通，16为悬浮绕组在锥形定子Ⅱ和锥形转子Ⅱ内产生的控制磁通。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明一种锥形轴向磁轴承的技术方案进行详细说明：

如图1所示，是本发明一种锥形轴向磁轴承的三维结构示意图，其中，1是锥形定子Ⅰ，2是锥形转子Ⅰ，3是绕组，4是永磁体，5是锥形定子Ⅱ，6是锥形转子Ⅱ，7是转轴。

一种锥形轴向磁轴承，由锥形定子Ⅰ、锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅰ、锥形转子Ⅱ、永磁体、绕组和转轴构成；

所述锥形转子Ⅰ布置在锥形定子Ⅰ内，所述锥形转子Ⅱ布置在锥形定子Ⅱ内；所述锥形定子Ⅰ与锥形定子Ⅱ轴向布置，且二者间存在间隙，所述锥形转子Ⅰ与锥形转子Ⅱ轴向布置，套在转轴上；所述锥形定子Ⅰ、锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ的锥形角相等；所述锥形定子Ⅰ与锥形转子Ⅰ的锥形角方向相同，所述锥形定子Ⅱ与锥形转子Ⅱ的锥形角方向相同，且锥形定子Ⅰ与锥形定子Ⅱ的锥形角方向相反；

所述锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ均为锥形圆柱结构；锥形定子Ⅰ与锥形定子Ⅱ均为凸极锥形结构，锥形定子Ⅰ与锥形定子Ⅱ的定子齿数均为8，锥形定子Ⅰ与锥形定子Ⅱ的定子齿与齿对齐；所述锥形定子Ⅰ与锥形定子Ⅱ的定子轭均嵌有 4个永磁体，锥形定子Ⅰ的4个永磁体在空间上相差90°，锥形定子Ⅱ的4个永磁体在空间上相差90°，且锥形定子Ⅰ的4个永磁体与锥形定子Ⅱ的4个永磁体相互对齐；锥形定子Ⅰ的4个永磁体环向充磁，且同极性布置，锥形定子Ⅱ的4 个永磁体环向充磁，且同极性布置；锥形定子Ⅰ的4个永磁体与锥形定子Ⅱ的4个永磁体充磁方向相反；

同一空间位置的锥形定子Ⅰ的1个定子齿与锥形定子Ⅱ的1个定子齿上共同缠绕1个绕组，共8个，串联一起构成1个悬浮绕组。通过控制该套悬浮绕组电流的大小和方向，进而产生悬浮所需的轴向力。

图2为本发明中锥形定子Ⅰ和锥形转子Ⅰ内的磁通分布图。锥形定子Ⅰ的4 个永磁体环向充磁，且同极性布置，在空间上呈NNNN分布，并产生经两种路径闭合的磁通，一种仅通过其定子轭闭合，标号为11，由于该磁通不经转子和气隙，故不产生悬浮力；另一种仅定子、气隙和转子闭合，标号为12，该磁通将与悬浮绕组的控制磁通(标号为13)作用，产生轴向悬浮力。

当悬浮绕组施加电流施加如图2所示方向的电流时，产生的控制磁通(标号为13)，与永磁体产生的偏置磁通(12)，在气隙内的方向相同，磁通增强，进而产生一个较大的z轴正方向悬浮力。

另外，由于悬浮绕组产生的控制磁通(13)与永磁体产生磁通(11)，在定子轭内的方向相反，将使得永磁体产生的经定子轭闭合的磁通减小，并挤压其经定子、气隙和转子闭合，进而进一步增加用于产生悬浮力的偏置磁通，使其产生更大的轴向正方向悬浮力，有助于减小悬浮电流，最终减小悬浮功耗。

图3为本发明中锥形定子Ⅱ和锥形转子Ⅱ内的磁通分布图。锥形定子Ⅱ的4 个永磁体环向充磁，且同极性布置，在空间上呈SSSS分布，并产生经两种路径闭合的磁通，一种仅通过其定子轭闭合，标号为14，由于该磁通不经转子和气隙，故不产生悬浮力；另一种仅定子、气隙和转子闭合，标号为15，该磁通将与悬浮绕组的控制磁通(16)作用，产生轴向悬浮力。

当悬浮绕组施加电流施加如图3所示方向的电流时，产生的控制磁通(16)，与永磁体产生的偏置磁通(15)，在气隙内的方向相反，磁通减弱，进而产生一个较小的z轴负方向悬浮力。

另外，由于悬浮绕组产生的控制磁通(16)与永磁体产生的磁通(14)，在定子轭内的方向相同，将使得永磁体产生的经定子轭闭合的磁通增强，并促使偏置磁通(15)定子轭闭合，进而进一步削弱气隙内的偏置磁通，使其产生更小的轴向负方向悬浮力，有助于减小悬浮电流，最终减小悬浮功耗。

由于锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ的定子上缠绕相同的绕组，电流大小和方向始终相同，故当施加如图2和图3所示方向的电流时，将在锥形转子Ⅰ上产生一个较大的z轴正方向悬浮力，同时在锥形转子Ⅱ上产生一个较小的z轴负方向悬浮力，进而产生一个z轴正方向的悬浮力。

同理，当施加的电流方向相反时，将产生一个z轴负方向的悬浮力。通过控制悬浮绕组电流的大小和方向，即可产生一个大小和方向均可控制的轴向悬浮力，进而实现转轴的轴向悬浮。

需要指出的是，由于悬浮力正负随悬浮绕组电流的正负变化而变化，因此悬浮绕组电流方向在控制时会发生变化，需采用可调电流方向的功率变换器。

综上所述，本发明无轴向磁路，结构简单，制造简单，且铁心损耗较小；另外，由于两锥形定子共用一套绕组，且在两锥形定子和转子内的磁路相互隔离，控制简单，电流利用率高。

对该技术领域的普通技术人员而言，根据以上实施类型可以很容易联想其他的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述具体实例，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员根据上述具体实例通过各种等同替换所得到的技术方案，均应包含在本发明的权利要求范围及其等同范围之内。

Claims (1)

1.一种锥形轴向磁轴承，其特征在于，所述锥形轴向磁轴承由锥形定子Ⅰ、锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅰ、锥形转子Ⅱ、永磁体、绕组和转轴构成；

所述锥形转子Ⅰ布置在锥形定子Ⅰ内，所述锥形转子Ⅱ布置在锥形定子Ⅱ内；所述锥形定子Ⅰ与锥形定子Ⅱ轴向布置，且二者间存在间隙，所述锥形转子Ⅰ与锥形转子Ⅱ轴向布置，套在转轴上；所述锥形定子Ⅰ、锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ的锥形角相等；所述锥形定子Ⅰ与锥形转子Ⅰ的锥形角方向相同，所述锥形定子Ⅱ与锥形转子Ⅱ的锥形角方向相同，且锥形定子Ⅰ与锥形定子Ⅱ的锥形角方向相反；

所述锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ均为锥形圆柱结构；锥形定子Ⅰ与锥形定子Ⅱ均为凸极锥形结构，锥形定子Ⅰ与锥形定子Ⅱ的定子齿数均为8，锥形定子Ⅰ与锥形定子Ⅱ的定子齿与齿对齐；所述锥形定子Ⅰ与锥形定子Ⅱ的定子轭均嵌有4个永磁体，锥形定子Ⅰ的4个永磁体在空间上相差90°，锥形定子Ⅱ的4个永磁体在空间上相差90°，且锥形定子Ⅰ的4个永磁体与锥形定子Ⅱ的4个永磁体相互对齐；锥形定子Ⅰ的4个永磁体环向充磁，且同极性布置，锥形定子Ⅱ的4个永磁体环向充磁，且同极性布置；锥形定子Ⅰ的4个永磁体与锥形定子Ⅱ的4个永磁体充磁方向相反；

同一空间位置的锥形定子Ⅰ的1个定子齿与锥形定子Ⅱ的1个定子齿上共同缠绕1个绕组，共8个，串联一起构成1个悬浮绕组。