CN108644228A - 一种小体积低功耗轴向磁悬浮轴承 - Google Patents

Abstract

本申请涉及磁悬浮轴承技术领域，尤其涉及一种小体积低功耗轴向磁悬浮轴承。本发明将线圈置于转子推力盘外侧，缩短了轴承的轴向长度，使得转子临界转速得到提高；本发明为主被动混合形式，由永磁体提供主要的承载力，由线圈抑制扰动力，因此具有电流小，损耗低的优点。与现有被动式轴向磁悬浮轴承相比，增加了主动振动抑制线圈，因此具有振动小，可靠性高的优点。

Description

一种小体积低功耗轴向磁悬浮轴承

技术领域

本申请涉及磁悬浮轴承技术领域，尤其涉及一种小体积低功耗轴向磁悬浮轴承。

背景技术

磁悬浮轴承分为主动式和被动式。主动式磁悬浮轴承能够给悬浮的转子提供可变刚度和阻尼，因此可以对转子的振动进行主动抑制，转子可在极微振动状态下正常工作；如专利CN201010110709.9所述的一种永磁上吸下斥结构的低功耗混合磁轴承、专利CN201620548204.3所述一种新型永磁偏置单自由度轴向磁轴承、以及专利CN201420501287.1所述一种低功耗永磁偏置轴向混合磁轴承。

但是主动磁轴承是通过持续输入电流的方式为转子提供承载力的，在提供较大承载力时，线圈电流也相应较大，造成了绕组铜耗和控制功放的损耗。另一方面，很大一部分的轴向磁轴承结构将线圈沿轴向放在推力盘轴向两侧，如专利CN200710098748.X所述一种永磁偏置轴向磁轴承，以及专利CN200510011272.2所述一种低功耗永磁偏置轴向磁轴承；这类结构增加了轴向长度，使得转子模态降低，不利于高速应用的场合。

被动磁轴承是利用永磁体为转子提供承载力的，提供承载力不需要控制电流，损耗小，结构简单，可靠性高。但被动磁轴承在转子发生振动时缺乏有效的阻尼，影响了系统的稳定性。目前采用的方法是在被动磁轴承上增加阻尼结构。如专利CN200510011689.9所述的具有阻尼作用的被动式轴向磁悬浮轴承，采用了阻尼线圈产生来抑制振动；专利CN201710260008所述的具有阻尼作用的Halbach永磁被动式轴向磁悬浮轴承，采用了阻尼导体产生涡流来抑制振动。但这类利用涡流进行阻尼的方法，对高频扰动的抑制能力有限，不适合用于高速或有高频负载的场合。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供了一种小体积低功耗轴向磁悬浮轴承。

本申请提供了一种小体积低功耗轴向磁悬浮轴承，包括：定子单元和转子单元，所述定子单元包括呈闭环结构的定子导磁体以及设置在所述定子导磁体内壁上的定子永磁体，所述定子导磁体内设有沿周向延伸的环形空腔，所述环形空腔内设有线圈，所述定子导磁体的内壁上开有环形槽；所述转子单元包括与所述定子导磁体同轴设置的转子轴，所述转子轴上设有沿径向延伸的转子推力盘，所述转子推力盘经所述环形槽伸入所述环形空腔内，所述转子轴的外壁上设有转子永磁体，所述转子永磁体与所述定子永磁体对应设置且两者极性相同。

可选的，所述定子永磁体与转子永磁体在转子轴轴线方向上的长度相等。

可选的，所述定子永磁体与转子永磁体为同心圆环且均沿径向充磁。

可选的，所述定子永磁体为两个，两个所述定子永磁体分别设置在所述环形槽的两侧；所述转子永磁体为两个，两个所述转子永磁体分别设置在所述转子推力盘的两侧。

可选的，所述转子永磁体嵌于所述转子轴的外壁上。

可选的，所述转子推力盘与所述环形槽内壁间的间隙宽度为0.2mm～1mm，所述定子永磁体与转子永磁体之间的间隙宽度为0.5mm～2mm。

可选的，所述的线圈采用线径为0.2mm-1mm的铜线绕制。

可选的，所述定子永磁体与转子永磁体均由铁氧体永磁材料或稀土永磁材料制成。

可选的，所述转子轴和转子推力盘的强度大于所述定子导磁体的强度。

可选的，所述定子导磁体由电工纯铁或低碳钢制成，所述转子轴和转子推力盘均由40Cr制成。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本发明将线圈置于转子推力盘外侧，缩短了轴承的轴向长度，使得转子临界转速得到提高；本发明为主被动混合形式，由永磁体提供主要的承载力，由线圈抑制扰动力，因此具有电流小，损耗低的优点。与现有被动式轴向磁悬浮轴承相比，增加了主动振动抑制线圈，因此具有振动小，可靠性高的优点。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所述轴向磁悬浮轴承的剖视结构图；

图2为本申请实施例所述轴向磁悬浮轴承的磁路图。

其中，1、定子导磁体；2、线圈；3、转子推力盘；4、间隙；5、定子永磁体；6、间隙；7、转子永磁体；8、转子轴。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种低功耗混合轴向磁悬浮轴承，可作为电机、机床等机械设备中旋转部件的无接触支撑，可作为电机、分子泵等机械设备中旋转部件的无接触支撑。

如图1所示，本申请提供一种小体积低功耗轴向磁悬浮轴承，包括：定子单元和转子单元，所述定子单元包括呈闭环结构的定子导磁体1以及设置在所述定子导磁体1内壁上的定子永磁体5，所述定子导磁体1内设有沿周向延伸的环形空腔，所述环形空腔内设有线圈2，所述定子导磁体1的内壁上开有环形槽；所述转子单元包括与所述定子导磁体1同轴设置的转子轴8，所述转子轴8上设有沿径向延伸的转子推力盘3，所述转子推力盘3经所述环形槽伸入所述环形空腔内，所述转子轴8的外壁上设有转子永磁体7，所述转子永磁体7与所述定子永磁体5对应设置且两者极性相同。

具体来说，利用定子永磁体5与转子永磁体7为转子轴8及转子推力盘3提供悬浮承载力，无需供电；定子永磁体5与转子永磁体7对应设置，使定子导磁体1与转子轴8在轴线方向上的相对位置只能在一定范围内变动；在定子导磁体1内设置环形空腔，环形空腔内设置线圈2，线圈2位于转子推力盘3外侧，从而利用线圈2调节转子轴8的震动，只需要很小的电流就可以实现控制与调节，绕组铜耗和控制功放损耗少；即本申请采用永磁体的被动力提供主要的承载力，同时采用主动线圈2抑制转子轴8振动，从而同时具有极微振动与低损耗的优点。

总之，本发明将线圈置于转子推力盘外侧，缩短了轴承的轴向长度，使得转子临界转速得到提高；本发明为主被动混合形式，由永磁体提供主要的承载力，由线圈抑制扰动力，因此具有电流小，损耗低的优点。与现有被动式轴向磁悬浮轴承相比，增加了主动振动抑制线圈，因此具有振动小，可靠性高的优点。

可选的，所述定子永磁体5与转子永磁体7在转子轴8轴线方向上的长度相等。这样在平衡状态下，定子永磁体5与转子永磁体7的两端是齐平的，只要转子轴8在轴向上产生位移，定子永磁体5与转子永磁体7的对齐状态就会被破坏，在磁力作用下转子轴8会自动被向平衡位置，实现对转子单元在轴线方向上的定位，且无需消耗电量。

可选的，所述定子永磁体5与转子永磁体7为同心圆环且均沿径向充磁。由于定子导磁体1为圆环结构，转子轴8为柱状，当定子永磁体5与转子永磁体7都设置成圆环结构时，可以很好地与定子导磁体1以及转子轴8贴合，方便固定定子永磁体5与转子永磁体7。

可选的，所述定子永磁体5为两个，两个所述定子永磁体5分别设置在所述环形槽的两侧；所述转子永磁体7为两个，两个所述转子永磁体7分别设置在所述转子推力盘3的两侧。这样分别在转子轴8两端提供承载力，转子轴8转动更加稳定。

可选的，所述转子永磁体7嵌于所述转子轴8的外壁上。转子轴8一般要比定子导磁体1长，将转子永磁体7嵌于转子轴8表面，可以减小整个转子轴8的体积，方便通过电磁场调节转子轴8的震动，减少电量消耗。

可选的，所述转子推力盘3与所述环形槽内壁间的间隙4宽度为0.2mm～1mm，所述定子永磁体5与转子永磁体7之间的间隙6宽度为0.5mm～2mm。上述间隙宽度范围为优选的范围值，在该参数范围内可以获得较好的运行效果，设计人员可根据实际情况对上述间隙宽度值进行合理调整。

可选的，所述的线圈2采用线径为0.2mm-1mm的铜线绕制。铜线线径尺寸也是优选尺寸，根据整个磁悬浮轴承的尺寸以及所需控制电流的大小，设计人员可以对铜线尺寸进行调整，以满足控制需求。线圈2一般沿平行于轴线的方向放置，以使得转子推力盘3可以穿过线圈2中的电磁场，从而通过线圈2内电流变化调整电磁场对转子推力盘3的作用力，实现调节转子轴8震动的目的。

可选的，所述定子永磁体5与转子永磁体7均由铁氧体永磁材料或稀土永磁材料制成。永磁体需要提供稳定的磁场以便长期提供承载力，因此可以根据实际情况选择合适材质的永磁体，优选采用铁氧体永磁材料或稀土永磁材料制成的永磁体。

可选的，所述转子轴8和转子推力盘3的强度大于所述定子导磁体1的强度。定子导磁体1不直接与转子轴8接触，材料强度可以略低，但导磁性一定要好；转子轴8与外接设备连接，容易产生变形，因此要选择强度较高的导磁材料。

可选的，所述定子导磁体1由电工纯铁或低碳钢制成，所述转子轴8和转子推力盘3均由40Cr制成。电工纯铁与低碳钢均具有较高的导磁性能，用来制作定子导磁体1较为合适；40Cr可以导磁，同时具有较高的强度，可以用来制作转子轴8和转子推力盘3。

图2与图1所示部件结构及视图方向完全相同，为方便展示磁通线与电磁线，图2中未添加附图标记；参见图2所示，本申请的工作原理如下：

对应设置的定子永磁体5与转子永磁体7给轴向磁轴转子轴8承提供被动的轴向恢复力，承担磁轴承所受的静态轴向力，同时为轴向磁轴承提供永磁偏置磁场；线圈2提供主动振动抑制力，承担磁轴承所受的动态干扰力。

永磁磁路如图2中实线所示，永磁体产生的磁通从定子永磁体5N极出发，通过定子导磁体1，轴向间隙4，到达转子永磁体7的S极，然后通过转子永磁体7，径向间隙6，最后回到永磁的S极。永磁体在径向间隙6处形成径向工作磁通，用以提供轴向平动自由度的被动悬浮力。电磁磁路如图2中虚线所示，磁通经过线圈2构成的Z正方向的磁极，Z正方向磁极对应的轴向间隙4，转子推力盘3，Z负方向磁极对应的轴向间隙6，线圈2构成的Z负方向的磁极，最后汇合于线圈2，形成磁通闭合回路。当转子轴8出现扰动时，通过控制线圈2中的电流形成调节磁场，改变转子推力盘3两侧轴向间隙4中的磁场强弱，从而起到主动振动抑制的作用。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种小体积低功耗轴向磁悬浮轴承，其特征在于，包括：定子单元和转子单元，所述定子单元包括呈闭环结构的定子导磁体以及设置在所述定子导磁体内壁上的定子永磁体，所述定子导磁体内设有沿周向延伸的环形空腔，所述环形空腔内设有线圈，所述定子导磁体的内壁上开有环形槽；所述转子单元包括与所述定子导磁体同轴设置的转子轴，所述转子轴上设有沿径向延伸的转子推力盘，所述转子推力盘经所述环形槽伸入所述环形空腔内，所述转子轴的外壁上设有转子永磁体，所述转子永磁体与所述定子永磁体对应设置且两者极性相同。

2.根据权利要求1所述的轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子永磁体与转子永磁体在转子轴轴线方向上的长度相等。

3.根据权利要求2所述的轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子永磁体与转子永磁体为同心圆环且均沿径向充磁。

4.根据权利要求3所述的轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子永磁体为两个，两个所述定子永磁体分别设置在所述环形槽的两侧；所述转子永磁体为两个，两个所述转子永磁体分别设置在所述转子推力盘的两侧。

5.根据权利要求1-4任一项所述的轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述转子永磁体嵌于所述转子轴的外壁上。

6.根据权利要求1-4任一项所述的轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述转子推力盘与所述环形槽内壁间的间隙宽度为0.2mm～1mm，所述定子永磁体与转子永磁体之间的间隙宽度为0.5mm～2mm。

7.根据权利要求1-4任一项所述的轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述的线圈采用线径为0.2mm-1mm的铜线绕制。

8.根据权利要求1-4任一项所述的轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子永磁体与转子永磁体均由铁氧体永磁材料或稀土永磁材料制成。

9.根据权利要求1-4任一项所述的轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述转子轴和转子推力盘的强度大于所述定子导磁体的强度。

10.根据权利要求9所述的轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子导磁体由电工纯铁或低碳钢制成，所述转子轴和转子推力盘均由40Cr制成。