CN107289003B - 同极式永磁偏置径向磁轴承 - Google Patents

同极式永磁偏置径向磁轴承 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同极式永磁偏置径向磁轴承，包括定子组件和转子组件；定子组件包括二个定子铁心，一个定子铁心的水平方向上的二个铁心磁极上分别绕指有线圈绕组，另一定子铁心的竖直方向上的二个定子铁心磁极上分别绕置有线圈绕组，每一定子铁心磁轭上绕置有一个轭部绕组，每一定子铁心磁极外侧贴有片状永磁体和外导磁环；转子组件包括转轴，二个同轴且间隔布置的转子铁心和内导磁环环绕设置在转轴外，二个转子铁心分别与定子组件中的二个定子铁心相对应，内导磁环同轴设置在二个转子铁心之间，每一转子铁心的外周壁与对应的定子铁心的外周壁之间留有工作气隙。本发明有效地降低与外壳之间的漏磁，有效地提高了转子临界转速。

Description

同极式永磁偏置径向磁轴承
技术领域
本发明属于磁轴承领域，具体涉及一种同极式永磁偏置径向磁轴承。
背景技术
同极式永磁偏置径向磁轴承的气隙内存在两种磁场：电励磁控制磁场和永磁偏置磁场。同极式永磁偏置径向磁轴承内永磁体产生的永磁偏置磁场承担主要承载力，电磁磁场提供辅助的调节承载力，因而这种轴承可大大减小控制电流，具有功放损耗低、单位体积承载力大、轴承体积小等优点。
从结构上来看，同极式永磁偏置径向磁轴承的极数少，偏置磁场不存在换向，因而旋转损耗低；而且永磁体与铁心相对独立，便于加工制造。
然而，目前的同极式径向磁轴承的结构本身存在一定的问题：首先，磁极与外壳之间存在一定的漏磁磁通，直接影响磁轴承的电磁性能；其次，由于轴向磁通的存在，必然导致其轴向长度过长，不利于提高转子的临界转速。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术存在的不足，提供一种低损耗、高转速、外壳漏磁较小的同极式永磁偏置径向磁轴承。
为实现上述目的，本发明所设计的同极式永磁偏置径向磁轴承包括定子组件和同轴可转动地设置在所述定子组件内的转子组件；所述定子组件包括二个同轴且间隔布置的定子铁心，每一所述定子铁心上具有四个沿圆周向间隔分布的定子铁心磁极和四个连接二个相邻的所述的定子铁心磁极的定子铁心磁轭，所述四个定子铁心磁极和所述四个定子铁心磁轭沿圆周向间隔首尾相连形成环形；一个所述定子铁心的水平方向上的二个所述铁心磁极上分别绕指有一个线圈绕组，另一所述定子铁心的竖直方向上的二个所述定子铁心磁极上分别绕置有一个线圈绕组；每一所述定子铁心的每一所述定子铁心磁轭上绕置有一个轭部绕组；每一所述定子铁心磁极外侧贴有片状永磁体和外导磁环，每一所述片状永磁体均为沿径向充磁，每一所述定子铁心上的所述片状永磁体沿周向互不相连，每一所述定子铁心上相邻的二个所述外导磁环之间嵌入有结构片，每一所述定子铁心上所述外导磁环与所述结构片形成环形；所述转子组件包括转轴，二个同轴且间隔布置的转子铁心和内导磁环环绕设置在所述转轴外，二个所述转子铁心分别与所述定子组件中的二个所述定子铁心相对应，所述内导磁环同轴设置在二个所述转子铁心之间，每一所述转子铁心的外周壁与对应的所述定子铁心的外周壁之间留有工作气隙。
作为优选方案，每一所述线圈绕组的尺寸和匝数均相同，每一所述轭部绕组的尺寸和匝数均相同。
作为优选方案，所述片状永磁体由钕铁硼或钐钴制成，每一所述片状永磁体的尺寸和形状均相同。
作为优选方案，所述定子铁心由硅钢片沿轴向叠压而成，所述线圈绕组、所述轭部绕组通过灌胶处理分别固定在所述定子铁心磁极、所述定子铁心磁轭上。
作为优选方案，所述外导磁环为电工纯铁制的垂直于轴向的截面为扇环状结构，所述结构片为绝缘材料制成的垂直于轴向的截面为扇环状结构。
作为优选方案，所述转轴由导磁材质的合金钢制成，所述转子铁心由硅钢片沿轴向叠压而成，通过热套或过盈的方式固定在所述转轴外。
作为优选方案，所述内导磁环为采用电工纯铁制成的环形结构。
作为优选方案，所述工作气隙小于1mm。
作为优选方案，所述工作气隙取0.5mm。
本发明的有益效果是：本发明的同极式永磁偏置径向磁轴承具有以下优点：(1)永磁体采用径向充磁的方式，有效地降低了与外壳之间的漏磁，有效减少了电励磁电流，降低了磁轴承的待机损耗；(2) 永磁体的位置从两个定子铁心中间转至各磁极外侧，使得轴向长度极大缩短，有效地提高了转子临界转速；(3)励磁源从磁极转移到磁轭上，能够有效缩短铜线的长度，降低铜耗。
附图说明
图1为本发明优选实施例的同极式永磁偏置径向磁轴承沿周向截去四分之一圆心角所对应的部分后的立体结构示意图。
图2为本发明优选实施例的同极式永磁偏置径向磁轴承的定子铁心的主视结构示意图。
图3为本发明优选实施例的同极式永磁偏置径向磁轴承沿轴向截面切开后的永磁磁路示意图。
图4为本发明优选实施例的同极式永磁偏置径向磁轴承沿垂直于轴向的截面切开后的电励磁磁路示意图。
图中各部件标号如下：定子组件10(其中，定子铁心11、线圈绕组12、轭部绕组13、片状永磁体14、外导磁环15、结构片16)；定子铁心磁极11a、定子铁心磁轭11b；转子组件20(其中，转轴21、转子铁心22、内导磁环23)；工作气隙G。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1，其为本发明优选实施例的同极式永磁偏置径向磁轴承的周向截去四分之一圆心角所对应的部分后的立体结构示意图。本发明优选实施例的同极式永磁偏置径向磁轴承包括定子组件10和可在定子组件10内转动的转子组件20。
定子组件10包括二个相同的定子铁心11，两个定子铁心11同轴且间隔布置。如图2中所示，每个定子铁心11上具有四个沿周向间隔分布的定子铁心磁极11a，相邻的二个定子铁心磁极11a之间用弧形的定子铁心磁轭11b连接，如此形成封闭的环形。定子铁心11上的每个定子铁心磁极11a的形状大小均相同，分布在X轴、Y轴的正负方向上(其中，X轴定义在水平方向上，Y轴定义在垂直方向上)，即四个定子铁心磁极11a在周向间隔90°圆心角分布。
二个定子铁心11中，一个定子铁心11的X轴上的二个铁心磁极 11a上分别绕指有一个线圈绕组12，另一个定子铁心11的Y轴上的二个定子铁心磁极11a上分别绕置有一个线圈绕组12，四个线圈绕组 12的尺寸和匝数均相同。
二个定子铁心11中，每个定子铁心11的每一定子铁心磁轭11b 上绕置有一个轭部绕组13，每一轭部绕组13的尺寸和匝数均相同。每个定子铁心11的定子铁心磁极11a外侧贴有片状永磁体14和外导磁环15，片状永磁体14夹在定子铁心磁极11a与对应的外导磁环15之间。每一片状永磁体14的尺寸和形状均相同，片状永磁体14均为沿径向充磁，分别沿定子铁心11圆周方向形成互不相连的四块。外导磁环15分别贴于片状永磁体14外侧形成互不相连的四块。相邻的二个弧形的外导磁环15之间嵌入有弧形的结构片16，每一结构片16的尺寸和形状均相同，如此形成封闭的环形。
在上述同极式永磁偏置径向磁轴承中，定子铁心11由硅钢片沿轴向叠压而成，线圈绕组12、轭部绕组13分别均通过灌胶处理固定在定子铁心11的定子铁心磁极11a、定子铁心磁轭11b上；片状永磁体 14由钕铁硼或钐钴制作而成；外导磁环15采用导磁性能良好的电工纯铁制成，为垂直于轴向的截面为扇环状结构；结构片16由绝缘材料制作而成，为垂直于轴向的截面为扇环状结构；外导磁环15与同为扇环状的结构片16无缝衔接，形成一个完整的圆环。
转子组件20包括转轴21、转子铁心22及内导磁环23。转子组件20包括二个相同的转子铁心22，二个转子铁心22同轴且间隔环绕布置在转轴21外，二个转子铁心22分别与定子组件10中的二个定子铁心1 1相对应。二个转子铁心22之间同轴设置有内导磁环23，一个转子铁心22、内导磁环23、另一转子铁心22在轴向上顺次连接。每一定子铁心11内表面与对应的转子铁心22外表面之间留有工作气隙 G。
在上述同极式永磁偏置径向磁轴承中，转轴21由导磁材质的合金钢制作而成；转子铁心22由硅钢片沿轴向叠压而成，通过热套、过盈的方式固定在转轴21上；内导磁环23采用导磁性能良好的电工纯铁制成；工作气隙G小于1mm，优选取0.5mm。
请参阅图3，其为图1中的同极式永磁偏置径向磁轴承的永磁磁路示意图。永磁磁路采用双片状永磁体14串联，径向充磁于外导磁环15与定子铁心11之间，使得轴向长度极大缩短。片状永磁体14 所产生的磁通将沿着轴向磁路流通，磁路路径如下：一端的定子铁心 11(定子铁心磁极11a)→工作气隙G→一端的转子铁心22→转轴21 →另一端的转子铁心22→工作气隙G→另一端的定子铁心11(定子铁心磁极11a)→另一端的片状永磁体14→外导磁环15→一端的片状永磁体14。
请参阅图4，其为图1中的同极式永磁偏置径向磁轴承的电励磁磁路示意图。电励磁磁通由线圈绕组12和轭部绕组13共同产生，其中线圈绕组12产生的X正方向上的电励磁磁路径为：一端的定子铁心11的X轴正方向的定子铁心磁极11a→工作气隙G→一端的转子铁心22→转轴21→另一端的转子铁心22→工作气隙G→一端的定子铁心11的X轴负方向的定子铁心磁极11a。定子铁心磁轭11b上的四个轭部绕组13通过定子铁心11实现串联，产生和线圈绕组12相同的电励磁磁路，分别在一端的定子铁心11处控制Y轴方向的平动，在另一端的定子铁心11处控制X轴方向的平动，从而实现同极式永磁偏置径向磁轴承在X轴方向和Y轴方向的力解耦。同时，四个串联的轭部绕组13可在定子铁心磁轭11b上产生与线圈绕组12相反的励磁磁路，使磁动势相抵消，避免了磁轭饱和。
结合以上可知，本发明的同极式永磁偏置径向磁轴承工作原理是：由片状永磁体14提供磁轴承悬浮的偏置磁场，由线圈绕组12、轭部绕组13产生需要的控制磁场。其中，片状永磁体14所产生的磁通将沿着轴向磁路流通，磁通路径为：一端的定子铁心11(定子铁心磁极 11a)→工作气隙G→一端的转子铁心22→转轴21→另一端的转子铁心22→工作气隙G→另一端的定子铁心11(定子铁心磁极11a)→另一端的片状永磁体14→外导磁环15→一端的片状永磁体14。电励磁磁通由线圈绕组12和轭部绕组13共同产生，其中线圈绕组12产生的电励磁磁路径为：一端的定子铁心11的X轴正方向的定子铁心磁极11a→工作气隙G→一端的转子铁心22→转轴21→另一端的转子铁心22→工作气隙G→一端的定子铁心11的X轴负方向的定子铁心磁极11a。轭部绕组13产生的电励磁磁通分为两部分，一部分和线圈绕组12产生的电励磁磁路相同，另一部分从定子铁心磁极11a出发，经过四分之一个圆弧的长度进入转子铁心22，一并构成完整磁路。片状永磁体14和定子组件10的励磁源(线圈绕组12和轭部绕组13)产生的磁场在工作气隙G中叠加或者抵消，共同作用在转子上产生承载力。
当转子组件20发生偏心时，减小工作气隙G变小处的定子铁心磁极11a上线圈绕组12的电流，对应的控制磁场削弱偏置磁场，工作气隙G增大处的定子铁心磁极11a上线圈绕组12的变化相反。由于偏置磁场分别在两个工作气隙G内产生大小相同、方向相反的磁场，两种磁场线性叠加，使转子铁心22受到与偏心方向相反的电磁力，恢复平衡位置。
需要指出的是，本发明的同极式永磁偏置径向磁轴承在具体工程应用中应成对使用。
本发明的同极式永磁偏置径向磁轴承，利用永磁体提供磁轴承悬浮的偏置磁场以及由定子组件励磁源产生的控制磁场在工作气隙中叠加或者抵消，保持磁轴承各磁极面处气隙均匀，从而控制磁轴承径向两个方向的平动。当转子组件发生偏心时，减小气隙变小的磁极上励磁源的电流，对应的控制磁场削弱偏置磁场，气隙增大的磁极线圈变化相反。由于偏置磁场分别在两个工作气隙内产生大小相同、方向相反的磁场，两种磁场线性叠加，使转子铁心受到与偏心方向相反的电磁力，恢复平衡位置。
与现有技术相比，本发明的同极式永磁偏置径向磁轴承具有以下特点：
(1)永磁体采用径向充磁的方式，有效地降低了与外壳之间的漏磁，有效减少了电励磁电流，降低了磁轴承的待机损耗；
(2)永磁体的位置从两个定子铁心中间转至各磁极外侧，使得轴向长度极大缩短，有效地提高了转子临界转速；
(3)励磁源从磁极转移到磁轭上，能够有效缩短铜线的长度，降低铜耗。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种同极式永磁偏置径向磁轴承，包括定子组件(10)和同轴可转动地设置在所述定子组件(10)内的转子组件(20)，其特征在于：所述定子组件(10)包括二个同轴且间隔布置的定子铁心(11)，每一所述定子铁心(11)上具有四个沿圆周向间隔分布的定子铁心磁极(11a)和四个连接二个相邻的所述的定子铁心磁极(11a)的定子铁心磁轭(11b)，所述四个定子铁心磁极(11a)和所述四个定子铁心磁轭(11b)沿圆周向间隔首尾相连形成环形；一个所述定子铁心(11)的水平方向上的二个所述铁心磁极(11a)上分别绕置有一个线圈绕组(12)，另一所述定子铁心(11)的竖直方向上的二个所述定子铁心磁极(11a)上分别绕置有一个线圈绕组(12)；每一所述定子铁心(11)的每一所述定子铁心磁轭(11b)上绕置有一个轭部绕组(13)；每一所述定子铁心磁极(11a)外侧贴有片状永磁体(14)和外导磁环(15)，每一所述片状永磁体(14)均为沿径向充磁，每一所述定子铁心(11)上的所述片状永磁体(14)沿周向互不相连，每一所述定子铁心(11)上相邻的二个所述外导磁环(15)之间嵌入有结构片(16)，每一所述定子铁心(11)上所述外导磁环(15)与所述结构片(16)形成环形；所述转子组件(20)包括转轴(21)，二个同轴且间隔布置的转子铁心(22)和内导磁环(23)环绕设置在所述转轴(21)外，二个所述转子铁心(22)分别与所述定子组件(10)中的二个所述定子铁心(11 )相对应，所述内导磁环(23)同轴设置在二个所述转子铁心(22)之间，每一所述转子铁心(22)的外周壁与对应的所述定子铁心(11)的外周壁之间留有工作气隙(G)。
2.根据权利要求1所述的同极式永磁偏置径向磁轴承，其特征在于：每一所述线圈绕组(12)的尺寸和匝数均相同，每一所述轭部绕组(13)的尺寸和匝数均相同。
3.根据权利要求1所述的同极式永磁偏置径向磁轴承，其特征在于：所述片状永磁体(14)由钕铁硼或钐钴制成，每一所述片状永磁体(14)的尺寸和形状均相同。
4.根据权利要求1所述的同极式永磁偏置径向磁轴承，其特征在于：所述定子铁心(11)由硅钢片沿轴向叠压而成，所述线圈绕组(12)、所述轭部绕组(13)通过灌胶处理分别固定在所述定子铁心磁极(11a)、所述定子铁心磁轭(11b)上。
5.根据权利要求1所述的同极式永磁偏置径向磁轴承，其特征在于：所述外导磁环(15)为电工纯铁制的垂直于轴向的截面为扇环状结构，所述结构片(16)为绝缘材料制成的垂直于轴向的截面为扇环状结构。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的同极式永磁偏置径向磁轴承，其特征在于：所述转轴(21)由导磁材质的合金钢制成，所述转子铁心(22)由硅钢片沿轴向叠压而成，通过热套或过盈的方式固定在所述转轴(21)外。
7.根据权利要求6所述的同极式永磁偏置径向磁轴承，其特征在于：所述内导磁环(23)为采用电工纯铁制成的环形结构。
8.根据权利要求6所述的同极式永磁偏置径向磁轴承，其特征在于：所述工作气隙(G)小于1mm。
9.根据权利要求6所述的同极式永磁偏置径向磁轴承，其特征在于：所述工作气隙(G)取0.5mm。
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