CN107044484B - 一种径向两自由度混合磁悬浮轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种径向两自由度混合磁悬浮轴承。转子铁芯同轴安装在转轴上，两个定子铁芯均呈C字形，形成中间部和经磁极臂连接在中间部两端的两个磁极，两个定子铁芯相交叉垂直放置，在两个定子铁芯的中间部之间通过永磁体连接，转子铁芯安装在两个定子铁芯的磁极端处，转子铁芯和定子铁芯磁极端的磁极之间留有工作气隙，定子铁芯两磁极臂上均各绕有一组控制线圈，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。本发明的磁悬浮轴承安装在转轴末端，转子铁芯在转轴上所占的长度较小，而且径向的尺寸也较小，可以满足多种应用场合的工程要求。
Description
技术领域
本发明涉及了一种磁悬浮轴承，尤其是涉及了一种径向两自由度混合磁悬浮轴承。
背景技术
与滚珠轴承、滑动轴承等传统轴承相比，磁悬浮轴承定转子之间不存在机械接触，因而转子可以实现高转速，并且具有能耗低、无需润滑、寿命长和无污染等诸多优点，在工业应用中具有广泛的前景。
磁悬浮轴承一般可以分为三类：纯电磁式的主动磁轴承、纯永磁式的被动磁轴承和混合磁悬浮轴承。混合磁悬浮轴承利用永磁体产生的磁场作为静态偏置磁场，线圈电流产生的磁场作为控制磁场，又称为永磁偏置磁悬浮轴承。能够降低线圈中的电流、降低功率放大器的功耗，减小轴承体积，是目前磁悬浮轴承主要的研究方向。但是现有的径向两自由度混合磁悬浮轴承结构设计存在一些不足：部分结构复杂，材料加工难度大；在部分结构设计中，控制电流产生的控制磁场会穿过永磁体，因而需要较大的控制电流，功耗变大，同时也会对永磁体反复进行充磁和退磁，影响永磁体的性能和可靠性；部分结构设计中，不同方向的控制磁场之间存在耦合现象，增加控制系统的复杂度，降低了轴承整体的可靠性；部分结构设计中，铁芯硅钢片的叠压方向和磁场的方向相同，会增加磁路中铁芯的磁阻，进而需要更多的永磁体和更大的控制电流，同时也会增加设计优化的难度；部分结构设计中，异极型磁悬浮轴承的直径较大，不便于安装，同极型磁悬浮轴承的轴向长度较长，占据了较长的一段转子，影响系统性能。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种径向两自由度混合磁悬浮轴承，能够克服上述背景技术中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：
本发明包括两个定子铁芯、转子铁芯、控制线圈和定子永磁体，两个定子铁芯相交叉垂直安装，两个定子铁芯之间连接有永磁体，转子铁芯安装在两个定子铁芯一端的中间并留有工作气隙，两个定子铁芯均绕有控制线圈，转子铁芯同轴安装在转轴上。
所述的两个定子铁芯均呈C字形，形成中间部和经磁极臂连接在中间部两端的两个磁极，两个定子铁芯相交叉垂直放置，在两个定子铁芯的中间部之间通过永磁体连接，转子铁芯安装在两个定子铁芯的磁极端处，转子铁芯和定子铁芯磁极端的磁极之间留有工作气隙，定子铁芯两磁极臂上均各绕有一组控制线圈。
同一个所述定子铁芯中，两磁极臂上的两个控制线圈串联相接，并各自磁极臂通入电流后产生的磁场方向相反，从而使得定子铁芯具有环形的控制磁场磁路。
所述的永磁体的磁场方向与转子铁芯的旋转轴向平行。
所述的转子铁芯和定子铁芯均由硅钢片叠压而成，硅钢片的叠压方向均垂直于磁场方向，转子铁芯和定子铁芯硅钢片的叠压方向相垂直。
所述的永磁体为轴向充磁，充磁方向沿两个定子铁芯中间部之间连接方向。
通过永磁体的充磁和两个定子铁芯通入电流产生磁场的配合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。
两个所述定子铁芯通电电流产生的控制磁场磁路不会通过永磁体，并且两个定子铁芯的控制磁场磁路所在平面相垂直，如图2所示的X、Y两个方向的控制磁场磁路只通过对应方向的定子铁芯，磁路相互解耦。
本发明的永磁体产生永磁偏置磁场，其磁通从永磁体N极出发，通过Y轴方向的定子铁芯、Y轴方向气隙、转子铁芯、X轴方向气隙、X轴方向的定子铁芯，回到永磁体的S极。控制线圈产生控制磁场，Y方向控制磁通通过Y方向的定子铁芯、Y轴方向气隙、转子铁芯、Y轴方向气隙，回到Y方向的定子铁芯。通过控制系统向Y轴方向的控制线圈中通入控制电流，其产生的控制磁场在Y轴方向的一个气隙中和永磁体产生的偏置磁场抵消，在另一个气隙中叠加，从而在转子上产生一个Y轴方向的承载力。X方向的控制原理相同，不再赘述。
本发明的有益效果是：
1、结构简单、材料加工容易；
2、控制电流产生的控制磁场不会通过永磁体，需要的控制电流较小，永磁体也不会出现反复充磁退磁的现象，保持永磁体性能的稳定；
3、两个方向的控制磁场通过不同的定子铁芯，因而其磁路相互解耦，便于控制系统的设计；
4、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。
5、磁悬浮轴承安装在转轴末端，转子铁芯在转轴上所占的长度较小，而且径向的尺寸也较小。可以满足多种应用场合的工程要求。
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整体示意图；
图3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截面示意图；
图4为本发明实施例的定子铁芯和转子铁芯的叠片方式示意图。
图中：1、定子铁芯，2、转子铁芯，3、转轴，4、控制线圈，5、永磁体，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，本发明由定子铁芯1、转子铁芯2、定子永磁体5、控制线圈4组成。其中转子铁芯2安装在转轴3末端，两个C字形状的定子铁芯1交叉垂直放置，形成四个磁极，磁极和转子之间留有工作气隙，两个定子铁芯1之间安装有永磁体5，定子铁芯1上绕有四组控制线圈4。本发明的磁悬浮轴承安装在转轴3的末端，转子铁芯2在转轴3上所占的长度较小，而且径向的尺寸也较小，可以满足多种应用场合的工程要求。
两个定子铁芯1均呈C字形，形成中间部和经磁极臂连接在中间部两端的两个磁极，但大小不同，两个定子铁芯1相交叉垂直放置，在两个定子铁芯1的中间部之间通过永磁体5连接，两个定子铁芯1磁极端的磁极在同一平面上相对齐，转子铁芯2安装在两个定子铁芯1的磁极端处，转子铁芯2和定子铁芯1磁极端的磁极之间留有工作气隙，定子铁芯1两磁极臂上均各绕有一组控制线圈4。
本发明的具体实施原理如下：
如图2和图3所示，其XYZ坐标系中的X和Y方向是沿垂直转轴3轴向的两个相垂直方向，分别位于在定子铁芯1所在平面上，Z方向是沿转轴3轴向。
在本实施例中，永磁体5的充磁方式为轴向充磁，产生永磁偏置磁场，永磁偏置磁场磁路6如图2和图3中的实线所示，其磁通从永磁体5一端的N极出发，通过Y轴方向的外圈的定子铁芯1后经过两臂到两端磁极，再由Y轴方向气隙进入转子铁芯2，接着由X轴方向气隙进入X轴方向的内圈的定子铁芯1，然后通过两臂经过内圈的定子铁芯1回到永磁体5另一端的S极。
控制线圈4产生控制磁场，控制磁场磁路7如图2和图3中的虚线所示，在同一个定子铁芯上的两个控制线圈串联相接，通入电流后产生的磁场在控制磁路上方向一致。在本实施例中，对于中间部磁场方向沿Y轴方向的外圈定子铁芯1，Y方向控制磁通通过其定子铁芯1一端磁极经Y轴方向气隙进入转子铁芯2，再由Y轴方向气隙回到其定子铁芯1另一端磁极，形成环路；对于中间部磁场方向沿X轴方向的外圈定子铁芯1，X方向控制磁通通过其定子铁芯1一端磁极经X轴方向气隙进入转子铁芯2，再由X轴方向气隙回到其定子铁芯1另一端磁极，形成环路。
向Y轴方向的控制线圈4中通入控制电流，其产生的控制磁场磁路7在Y轴正方向的气隙中和永磁体5产生的偏置磁场磁路6方向相同，磁场相互叠加，在Y轴负方向的气隙中方向相反，磁场相互抵消，从而在转子铁芯2上产生一个Y轴正方向的承载力。对于X轴方向，原理与上述相同。
控制电流产生的控制磁场磁路7不会通过永磁体5，因而需要的控制电流较小，永磁体5也不会出现反复充磁退磁的现象，能保持性能的稳定。因此，X、Y两个方向的控制磁场只通过对应方向的定子铁芯，因而其磁路相互解耦，便于控制系统的设计。
如图4所示，本发明实施例的转子铁芯2和定子铁芯1均由硅钢片叠压而成，转子铁芯2的叠压方向为Z向，定子铁芯1的叠压方向为X向，两者的叠压方向都与铁芯中的磁场方向垂直，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。硅钢片的形状也很简单，加工难度较低。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明的解释说明，并不是对本发明进行限制，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所述的具体内容，在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、替换和改变等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种径向两自由度混合磁悬浮轴承，包括定子铁芯(1)、转子铁芯(2)、控制线圈(4)，其特征在于：包括两个定子铁芯(1)和定子永磁体(5)，两个定子铁芯(1)相交叉垂直安装，两个定子铁芯(1)之间连接有永磁体(5)，转子铁芯(2)安装在两个定子铁芯(1)一端的中间并留有工作气隙，两个定子铁芯(1)均绕有控制线圈(4)，转子铁芯(2)同轴安装在转轴(3)上；
所述的两个定子铁芯(1)均呈C字形，形成中间部和经磁极臂连接在中间部两端的两个磁极，两个定子铁芯(1)相交叉垂直放置，在两个定子铁芯(1)的中间部之间通过永磁体(5)连接，转子铁芯(2)安装在两个定子铁芯(1)的磁极端处，转子铁芯(2)和定子铁芯(1)磁极端的磁极之间留有工作气隙，定子铁芯(1)两磁极臂上均各绕有一组控制线圈(4)；
同一个所述定子铁芯(1)中，两磁极臂上的两个控制线圈(4)串联相接，并各自磁极臂通入电流后产生的磁场方向相反；
所述的永磁体(5)为轴向充磁，永磁体(5)的磁场方向与转子铁芯(2)的旋转轴向平行；
所述的转子铁芯(2)和定子铁芯(1)均由硅钢片叠压而成，硅钢片的叠压方向均垂直于磁场方向，转子铁芯(2)和定子铁芯(1)硅钢片的叠压方向相垂直。
2.根据权利要求1所述的一种径向两自由度混合磁悬浮轴承，其特征在于：两个所述定子铁芯(1)通电电流产生的控制磁场磁路(7)不会通过永磁体(5)，并且两个定子铁芯(1)的控制磁场磁路(7)所在平面相垂直，磁路相互解耦。
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