CN108591257A - 具有径向被动悬浮力的永磁偏置轴向磁悬浮轴承 - Google Patents

具有径向被动悬浮力的永磁偏置轴向磁悬浮轴承 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有径向被动悬浮力的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，所要解决的技术问题是：针对背景技术中提及的现有永磁偏置轴向磁悬浮轴承无法进行多自由度悬浮的技术问题。采取的技术方案是：一种具有径向被动悬浮力的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，包括圆筒状的定子套筒、圆环状的定子圆盘A、圆筒状的轴向磁极A、圆筒状的转子铁芯、圆环状的定子永磁体磁轭A、圆环状的控制绕组A、圆环状的定子永磁体A、圆环状的转子永磁体A、圆筒状的转子永磁体磁轭、圆环状的定子永磁体磁轭B、圆筒状的轴向磁极B、圆环状的定子圆盘B、圆环状的控制绕组B、圆环状的定子永磁体B和圆环状的转子永磁体B。优点，本磁悬浮轴承，实现转轴的三自由度悬浮。

Description

具有径向被动悬浮力的永磁偏置轴向磁悬浮轴承
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮轴承，具体是一种具有径向被动悬浮力的永磁偏置轴向磁悬浮轴承。
背景技术
早在1842年，英国物理学家Earnshaw就对磁悬浮轴承技术进行了研究和论述，磁悬浮轴承技术的基本原理是利用定子铁心与转子铁心之间的磁场力来实现转轴的无接触支承。由于定、转子之间没有机械接触，磁悬浮轴承具有以下优点：
1.能够承受极高的转速。采用磁悬浮轴承支承的转轴可以在超临界、每分钟数十万转的工况下运行，其圆周速度只受转轴材料强度的限制。通常来说，在轴颈直径相同的情况下，采用磁悬浮轴承支承的转轴能达到的转速比采用滚动轴承支承的转轴大约高2倍，比采用滑动轴承支承的转轴大约高3倍。德国FAG公司通过试验得出：滚动轴承的dn值，即轴承平均直径与主轴极限转速的乘积，约为2.5～3×106mm·r/min，滑动轴承的dn值约为0.8～2×106mm·r/min，磁悬浮轴承的dn值约为4～6×106mm·r/min。
2.摩擦功耗较小。在10000r/min时，磁悬浮轴承的功耗大约只有流体动压润滑支承的6％，只有滚动支承的17％，节能效果明显。
3.寿命长，维护成本低。由于磁悬浮轴承依靠磁场力悬浮转轴，定、转子之间无机械接触，因此不存在由磨擦、磨损和接触疲劳所带来的寿命问题，所以磁悬浮轴承的寿命与可靠性均远高于传统的机械轴承。
4.无需添加润滑剂。由于定、转子之间不存在机械摩擦，工作时不需要添加润滑剂，因此不存在润滑剂对环境所造成的污染问题，在禁止使用润滑剂和禁止污染的场合，如真空设备、超净无菌室等场合，磁悬浮轴承有着无可比拟的优势。
根据磁场建立方式的不同，磁悬浮轴承可分为永磁型、电磁偏置型和永磁偏置型三种类型。
永磁型磁悬浮轴承主要利用磁性材料之间固有的斥力或吸力(如永磁材料之间，永磁材料与软磁材料之间)来实现转轴的悬浮，其结构简单，能量损耗少，但刚度和阻尼也都比较小。
电磁偏置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。
永磁偏置型磁悬浮轴承采用永磁材料替代偏磁线圈来产生所需的偏置磁场，能够较大程度地降低磁悬浮轴承的能量损耗，随着磁悬浮轴承技术在航空航天、能量存储以及能量转换等领域的广泛应用，对磁悬浮轴承的功耗、体积、性能等方面提出了越来越高的要求，永磁偏置型磁悬浮轴承的特点使它在这些领域有着不可替代的优势，永磁偏置型磁悬浮轴承技术也成为磁悬浮轴承技术研究与发展的一个重要方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对背景技术中提及的现有永磁偏置轴向磁悬浮轴承无法进行多自由度悬浮的技术问题。
本发明的目的是提出一种具有径向被动悬浮力的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，可实现转轴的三自由度悬浮。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：
一种具有径向被动悬浮力的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，包括圆筒状的定子套筒、圆环状的定子圆盘A、圆筒状的轴向磁极A、圆筒状的转子铁芯、圆环状的定子永磁体磁轭A、圆环状的控制绕组A、圆环状的定子永磁体A、圆环状的转子永磁体A、圆筒状的转子永磁体磁轭、圆环状的定子永磁体磁轭B、圆筒状的轴向磁极B、圆环状的定子圆盘B、圆环状的控制绕组B、圆环状的定子永磁体B和圆环状的转子永磁体B，
定子套筒、定子圆盘A、轴向磁极A、转子铁芯、定子永磁体磁轭A、转子永磁体磁轭、定子永磁体磁轭B、轴向磁极B、定子圆盘B均采用软磁材料制成；
定子永磁体A、转子永磁体A、定子永磁体B和转子永磁体B均采用永磁材料制成；
定子永磁体A、转子永磁体A、定子永磁体B和转子永磁体B的充磁方向均为轴向充磁；在放置永磁体时，定子永磁体A和转子永磁体A、定子永磁体B和转子永磁体B采用异极性相对的方式，转子永磁体A和转子永磁体B采用同极性相对的方式；
控制绕组A和控制绕组B均采用漆包线绕制而成；
定子圆盘A和定子圆盘B分别嵌入定子套筒内并分别固定在定子套筒的两端，定子永磁体磁轭A和定子永磁体磁轭B分别嵌入定子套筒内并固定在定子套筒上，定子永磁体磁轭A和定子永磁体磁轭B位于定子圆盘A和定子圆盘B之间，定子永磁体磁轭A靠近定子圆盘A远离定子圆盘B，定子永磁体磁轭B靠近定子圆盘B远离定子圆盘A；控制绕组A嵌在定子永磁体磁轭A与定子圆盘A之间，控制绕组B嵌在定子永磁体磁轭B与定子圆盘B之间；
定子永磁体A、转子永磁体A、转子永磁体磁轭、定子永磁体B和转子永磁体B均位于定子永磁体磁轭A与定子永磁体磁轭B之间；定子永磁体A吸附在定子永磁体磁轭A的表面上，定子永磁体B吸附在定子永磁体磁轭B上；转子永磁体A和转子永磁体B吸附在转子永磁体磁轭的两个表面上，转子永磁体A与定子永磁体A相邻且两者之间设有气隙，转子永磁体B与定子永磁体B相邻且两者之间设有气隙；
轴向磁极A嵌入定子圆盘A内并固定在定子圆盘A上，轴向磁极B嵌入定子圆盘B内并固定在定子圆盘B上；
转子铁芯放置在轴向磁极A与轴向磁极B之间，转子铁芯的一端表面与轴向磁极A的一端表面之间设有气隙，转子铁芯的另一端表面与轴向磁极B的一端表面之间设有气隙；转子铁芯的外表面固定连接定子永磁体磁轭B的内表面；
永磁偏置轴向磁悬浮轴承在使用时，通过转子铁芯的内表面套装在转轴上，轴向磁极A的内表面与转轴外表面之间设有气隙，轴向磁极B的内表面与转轴外表面之间设有气隙。
对本发明技术方案的进一步改进，定子圆盘A与定子套筒之间通过螺栓固定，定子圆盘B与定子套筒之间通过螺栓固定。
对本发明技术方案的进一步改进，定子永磁体磁轭A与定子套筒之间通过螺栓固定，定子永磁体磁轭B与定子套筒之间通过螺栓固定。
对本发明技术方案的进一步改进，轴向磁极A与定子圆盘A之间通过螺栓固定，轴向磁极B与定子圆盘B之间通过螺栓固定。
对本发明技术方案的进一步改进，定子永磁体A与定子永磁体磁轭A之间的贴合面上设置粘接胶，转子永磁体A与转子永磁体磁轭之间的贴合面上设置粘接胶，定子永磁体B与定子永磁体磁轭B之间的贴合面上设置粘接胶，转子永磁体B与转子永磁体磁轭之间的贴合面上设置粘接胶。
本发明技术方案中提及的圆环状的控制绕组A和圆环状的控制绕组B均采用漆包线绕制而成；控制绕组A和控制绕组B是预先绕制好的，预先绕制好的控制绕组A和控制绕组B的工艺方法为现有技术中的常规工艺方法，具体的工艺方法本发明不作详细的说明。
本发明磁悬浮轴承的工作原理，四个圆环状的环形永磁体(定子永磁体A、转子永磁体A、定子永磁体B和转子永磁体B)分别通过轴向磁极、转子铁芯、转子永磁体磁轭、转子永磁体、定子永磁体、定子永磁体磁轭、定子套筒、定子圆盘形成磁回路，在轴向磁极与转子铁心之间、定子永磁体与转子永磁体之间的气隙中建立偏置磁场。控制绕组中通入电流后，通过定子套筒、定子圆盘、轴向磁极、转子铁心形成磁回路，在轴向磁极与转子铁心之间的气隙中建立控制磁场，通过改变控制绕组中电流的方向，可产生可控的轴向悬浮力；利用定子永磁体与转子永磁体之间的作用力可产生被动的径向悬浮力。
本发明与现有技术相比的有益效果：
1、本发明一种具有径向被动悬浮力的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，采用永磁体建立偏置磁场，与现有的电磁偏置磁悬浮轴承相比具有较低的功耗。
2、本发明一种具有径向被动悬浮力的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，与现有的永磁偏置磁悬浮轴承相比，永磁体在建立偏置磁场的同时还被用来产生被动的径向悬浮力，提高了永磁体的利用效果。
3、本发明一种具有径向被动悬浮力的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，与现有的永磁偏置轴向-径向磁悬浮轴承相比，只有轴向一个自由度采用主动控制，径向两个自由度属于被动悬浮，可节省两套控制器。
附图说明
图1是本发明磁悬浮轴承电机的剖视图。
图2是本发明磁悬浮轴承的磁场分布图。
图3是本发明磁悬浮轴承的应用框图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图1-图3和具体实施方式做进一步的描述。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本实施例的具有径向被动悬浮力的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，包括圆筒状的定子套筒1、圆环状的定子圆盘A2、圆筒状的轴向磁极A3、圆筒状的转子铁芯5、圆环状的定子永磁体磁轭A6、圆环状的控制绕组A7、圆环状的定子永磁体A8、圆环状的转子永磁体A9、圆筒状的转子永磁体磁轭10、圆环状的定子永磁体磁轭B11、圆筒状的轴向磁极B12、圆环状的定子圆盘B13、圆环状的控制绕组B14、圆环状的定子永磁体B15和圆环状的转子永磁体B16。
如图1所示，定子套筒1、定子圆盘A2、轴向磁极A3、转子铁芯5、定子永磁体磁轭A6、转子永磁体磁轭10、定子永磁体磁轭B11、轴向磁极B12、定子圆盘B13均采用软磁材料制成。这里提及的软磁材料为现有技术中的常规材料。
如图1所示，定子永磁体A8、转子永磁体A9、定子永磁体B15和转子永磁体B16均采用永磁材料制成。这里提及的永磁材料为现有技术中的常规材料。定子永磁体A(8)、转子永磁体A(9)、定子永磁体B(15)和转子永磁体B(16)的充磁方向均为轴向充磁；在放置永磁体时，定子永磁体A(8)和转子永磁体A(9)、定子永磁体B(15)和转子永磁体B(16)采用异极性相对的方式，转子永磁体A(9)和转子永磁体B(16)采用同极性相对的方式。
如图1所示，控制绕组A7和控制绕组B14均采用漆包线绕制而成；控制绕组A7和控制绕组B14是预先绕制好的，预先绕制好的控制绕组A7和控制绕组B14的工艺方法为现有技术中的常规工艺方法，具体的工艺方法本发明不作详细的说明。
如图1所示，定子圆盘A2和定子圆盘B13分别嵌入定子套筒1内并分别固定在定子套筒1的两端，具体地，定子圆盘A2与定子套筒1之间通过螺栓固定，定子圆盘B13与定子套筒1之间通过螺栓固定。定子永磁体磁轭A6和定子永磁体磁轭B11分别嵌入定子套筒1内并固定在定子套筒1上，具体地，定子永磁体磁轭A6与定子套筒1之间通过螺栓固定，定子永磁体磁轭B11与定子套筒1之间通过螺栓固定。
如图1所示，定子永磁体磁轭A6和定子永磁体磁轭B11位于定子圆盘A2和定子圆盘B13之间，定子永磁体磁轭A6靠近定子圆盘A2远离定子圆盘B13，定子永磁体磁轭B11靠近定子圆盘B13远离定子圆盘A2；控制绕组A7嵌在定子永磁体磁轭A6与定子圆盘A2之间，控制绕组B14嵌在定子永磁体磁轭B11与定子圆盘B13之间。
如图1所示，定子永磁体A8、转子永磁体A9、转子永磁体磁轭10、定子永磁体B15和转子永磁体B16均位于定子永磁体磁轭A6与定子永磁体磁轭B11之间；定子永磁体A8吸附在定子永磁体磁轭A6的表面上，进一步，定子永磁体A8与定子永磁体磁轭A6之间的贴合面上设置粘接胶，使得定子永磁体A8与定子永磁体磁轭A6连接的更加牢固。定子永磁体B15吸附在定子永磁体磁轭B11上，进一步，定子永磁体B15与定子永磁体磁轭B11之间的贴合面上设置粘接胶，使得定子永磁体B15与定子永磁体磁轭B11连接的更加牢固。转子永磁体A9和转子永磁体B16吸附在转子永磁体磁轭10的两个表面上，转子永磁体A9与转子永磁体磁轭10之间的贴合面上设置粘接胶，使得转子永磁体A9与转子永磁体磁轭10连接的更加牢固。转子永磁体B16与转子永磁体磁轭10之间的贴合面上设置粘接胶，使得转子永磁体B16与转子永磁体磁轭10连接的更加牢固。转子永磁体A9与定子永磁体A8相邻且两者之间设有气隙，转子永磁体B16与定子永磁体B15相邻且两者之间设有气隙。
如图1所示，轴向磁极A3嵌入定子圆盘A2内并固定在定子圆盘A2上，轴向磁极A3与定子圆盘A2之间通过螺栓固定；轴向磁极B12嵌入定子圆盘B13内并固定在定子圆盘B13上，轴向磁极B12与定子圆盘B13之间通过螺栓固定。
如图1所示，转子铁芯5放置在轴向磁极A3与轴向磁极B12之间，转子铁芯5的一端表面与轴向磁极A3的一端表面之间设有气隙，转子铁芯5的另一端表面与轴向磁极B12的一端表面之间设有气隙；转子铁芯5的外表面固定连接定子永磁体磁轭B11的内表面。
如图1所示，永磁偏置轴向磁悬浮轴承在使用时，通过转子铁芯5的内表面套装在转轴4上，轴向磁极A3的内表面与转轴4外表面之间设有气隙，轴向磁极B12的内表面与转轴4外表面之间设有气隙。
如图2所示，本发明磁悬浮轴承的工作原理，四个圆环状的环形永磁体定子永磁体A、转子永磁体A、定子永磁体B和转子永磁体B分别通过轴向磁极、转子铁芯、转子永磁体磁轭、转子永磁体、定子永磁体、定子永磁体磁轭、定子套筒、定子圆盘形成磁回路，在轴向磁极与转子铁心之间、定子永磁体与转子永磁体之间的气隙中建立偏置磁场。控制绕组中通入电流后，通过定子套筒、定子圆盘、轴向磁极、转子铁心形成磁回路，在轴向磁极与转子铁心之间的气隙中建立控制磁场，通过改变控制绕组中电流的方向，可产生可控的轴向悬浮力；利用定子永磁体与转子永磁体之间的作用力可产生被动的径向悬浮力。
如图3所示，本发明磁悬浮轴承，在使用时，连接电机、负载和永磁偏置径向磁悬浮轴承构成五自由度磁悬浮轴承电机系统。永磁偏置径向磁悬浮轴承为现有技术中已公开的技术。
此电机系统，利用本发明可实现转轴的三自由度悬浮，利用另外的径向磁悬浮轴承可实现转轴的两自由度悬浮，从而实现转轴的全五自由度悬浮。
本发明未涉及部分均与现有技术相通或采用现有技术加以实现。
凡本发明说明书中未作特别说明的均为现有技术或者通过现有的技术能够实现，应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有径向被动悬浮力的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于：包括圆筒状的定子套筒(1)、圆环状的定子圆盘A(2)、圆筒状的轴向磁极A(3)、圆筒状的转子铁芯(5)、圆环状的定子永磁体磁轭A(6)、圆环状的控制绕组A(7)、圆环状的定子永磁体A(8)、圆环状的转子永磁体A(9)、圆筒状的转子永磁体磁轭(10)、圆环状的定子永磁体磁轭B(11)、圆筒状的轴向磁极B(12)、圆环状的定子圆盘B(13)、圆环状的控制绕组B(14)、圆环状的定子永磁体B(15)和圆环状的转子永磁体B(16)，
定子套筒(1)、定子圆盘A(2)、轴向磁极A(3)、转子铁芯(5)、定子永磁体磁轭A(6)、转子永磁体磁轭(10)、定子永磁体磁轭B(11)、轴向磁极B(12)、定子圆盘B(13)均采用软磁材料制成；
定子永磁体A(8)、转子永磁体A(9)、定子永磁体B(15)和转子永磁体B(16)均采用永磁材料制成；
定子永磁体A(8)、转子永磁体A(9)、定子永磁体B(15)和转子永磁体B(16)的充磁方向均为轴向充磁；在放置永磁体时，定子永磁体A(8)和转子永磁体A(9)、定子永磁体B(15)和转子永磁体B(16)采用异极性相对的方式，转子永磁体A(9)和转子永磁体B(16)采用同极性相对的方式；
控制绕组A(7)和控制绕组B(14)均采用漆包线绕制而成；
定子圆盘A(2)和定子圆盘B(13)分别嵌入定子套筒(1)内并分别固定在定子套筒(1)的两端，定子永磁体磁轭A(6)和定子永磁体磁轭B(11)分别嵌入定子套筒(1)内并固定在定子套筒(1)上，定子永磁体磁轭A(6)和定子永磁体磁轭B(11)位于定子圆盘A(2)和定子圆盘B(13)之间，定子永磁体磁轭A(6)靠近定子圆盘A(2)远离定子圆盘B(13)，定子永磁体磁轭B(11)靠近定子圆盘B(13)远离定子圆盘A(2)；控制绕组A(7)嵌在定子永磁体磁轭A(6)与定子圆盘A(2)之间，控制绕组B(14)嵌在定子永磁体磁轭B(11)与定子圆盘B(13)之间；
定子永磁体A(8)、转子永磁体A(9)、转子永磁体磁轭(10)、定子永磁体B(15)和转子永磁体B(16)均位于定子永磁体磁轭A(6)与定子永磁体磁轭B(11)之间；定子永磁体A(8)吸附在定子永磁体磁轭A(6)的表面上，定子永磁体B(15)吸附在定子永磁体磁轭B(11)上；转子永磁体A(9)和转子永磁体B(16)吸附在转子永磁体磁轭(10)的两个表面上，转子永磁体A(9)与定子永磁体A(8)相邻且两者之间设有气隙，转子永磁体B(16)与定子永磁体B(15)相邻且两者之间设有气隙；
轴向磁极A(3)嵌入定子圆盘A(2)内并固定在定子圆盘A(2)上，轴向磁极B(12)嵌入定子圆盘B(13)内并固定在定子圆盘B(13)上；
转子铁芯(5)放置在轴向磁极A(3)与轴向磁极B(12)之间，转子铁芯(5)的一端表面与轴向磁极A(3)的一端表面之间设有气隙，转子铁芯(5)的另一端表面与轴向磁极B(12)的一端表面之间设有气隙；转子铁芯(5)的外表面固定连接定子永磁体磁轭B(11)的内表面；
永磁偏置轴向磁悬浮轴承在使用时，通过转子铁芯(5)的内表面套装在转轴(4)上，轴向磁极A(3)的内表面与转轴(4)外表面之间设有气隙，轴向磁极B(12)的内表面与转轴(4)外表面之间设有气隙。
2.如权利要求1所述的具有径向被动悬浮力的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于：定子圆盘A(2)与定子套筒(1)之间通过螺栓固定，定子圆盘B(13)与定子套筒(1)之间通过螺栓固定。
3.如权利要求1所述的具有径向被动悬浮力的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于：定子永磁体磁轭A(6)与定子套筒(1)之间通过螺栓固定，定子永磁体磁轭B(11)与定子套筒(1)之间通过螺栓固定。
4.如权利要求1所述的具有径向被动悬浮力的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于：轴向磁极A(3)与定子圆盘A(2)之间通过螺栓固定，轴向磁极B(12)与定子圆盘B(13)之间通过螺栓固定。
5.如权利要求1所述的具有径向被动悬浮力的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于：定子永磁体A(8)与定子永磁体磁轭A(6)之间的贴合面上设置粘接胶，转子永磁体A(9)与转子永磁体磁轭(10)之间的贴合面上设置粘接胶，定子永磁体B(15)与定子永磁体磁轭B(11)之间的贴合面上设置粘接胶，转子永磁体B(16)与转子永磁体磁轭(10)之间的贴合面上设置粘接胶。
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