CN108825655A - 一种带隔磁环的径向轴向三自由度磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带隔磁环的径向轴向三自由度磁轴承，包括定子和转子，所述转子由转轴和转子铁心组成，所述定子包括沿转子铁心径向向外依次相连的径向铁心、永磁体和隔磁环，以及对称设置于转子铁心两侧的两个轴向铁心，所述径向铁心与转子铁心之间设置有径向工作气隙，所述径向铁心上绕制有径向控制绕组，所述隔磁环位于两个轴向铁心的外沿之间，所述两个轴向铁心的内沿内壁分别同心设置有两道吸力圆盘，所述两道吸力圆盘之间同心设置有控制圆盘，所述两道吸力圆盘上各自绕制有轴向悬浮绕组。本发明的磁轴承体积小、制造工艺简单、结构紧凑，轴向悬浮力和径向悬浮力无耦合，转子径向部分两侧轴向偏置磁通始终相等。

Description

一种带隔磁环的径向轴向三自由度磁轴承

技术领域

本发明涉及三自由度磁轴承领域，具体涉及一种带隔磁环的径向轴向三自由度磁轴承。

背景技术

相比于传统电机中使用的机械轴承，磁轴承由于定转子之间没有直接接触，利用磁悬浮力使得转子悬浮来代替传统机械轴承的支撑作用，因此可以有效解决机械轴承中出现的振动、磨损、摩擦、需要润滑等问题。磁轴承其独特的设计原理，使得在高速、高精和真空等工作领域具有很高的应用价值和广泛的应用前景。

专利公开号CN201410156526，名称为一种三自由度磁轴承的专利文献和专利公开号CN201410461449，名称为一种新型轴-径向三自由度混合磁轴承的专利文献中提出的三自由度混合磁轴承，定子均由轴向、径向铁心两部分构成，转子在轴向方向上始终处于自由运动状态，当转子产生轴向位移时，永磁体提供的轴向偏置磁通将根据磁路磁阻最小原则，将全部选择轴向气隙减小的一侧定子轴向铁心磁路，而不再经过轴向气隙增大的一侧磁路。众所周知，对于同样的气隙大小，由于高性能永磁材料的采用，导致永磁体产生的气隙磁场强度很大，可达0.8T或者更高，而绕组通电产生的气隙磁场强度较小，约为0.2T~0.3T，悬浮控制磁通调节偏置磁通时，一侧从0.8T减小到0.5T，而另一侧从0T增大到0.3T，转子受力方向并没有发生改变，从而导致轴向无法启动。

专利公开号CN201110232913，名称为一种径向-轴向三自由度交直流混合磁轴承，采用双永磁体提供轴向径向偏置磁通的结构，虽然解决了轴向启动困难的问题，但其结构中的两个永磁体占用了轴承内部空间，使得绕组占用空间小，轴向和径向磁极面积减小，产生的轴向和径向悬浮力减小；此外由于隔磁材料的厚度必须根据气隙厚度进行确定，多个隔磁环的使用造成结构复杂，制造工艺要求高，价格高。

发明内容

本发明的目的是针对现有三自由度磁轴承的不足，提供一种体积小、制造工艺简单、结构紧凑，轴向悬浮力和径向悬浮力无耦合，转子径向部分两侧轴向偏置磁通始终相等的带隔磁环的径向轴向三自由度磁轴承。

本发明通过以下技术方案实现：

一种带隔磁环的径向轴向三自由度磁轴承，包括定子和转子，所述转子由转轴和转子铁心组成，所述定子包括沿转子铁心径向向外依次相连的径向铁心、永磁体和隔磁环，以及对称设置于转子铁心两侧的两个轴向铁心，所述径向铁心与转子铁心之间设置有径向工作气隙，所述径向铁心上绕制有径向控制绕组，所述隔磁环位于两个轴向铁心的内壁外沿之间，所述两个轴向铁心的内壁内沿分别同心设置有两道吸力圆盘，所述两道吸力圆盘之间同心设置有控制圆盘，所述两道吸力圆盘上各自绕制有轴向悬浮绕组。

本发明的进一步方案是，所述隔磁环的厚度大于两个轴向铁心与转子铁心之间的轴向气隙长度。

本发明的再进一步方案是，所述隔磁环由整块铝材制成。

本发明的进一步方案是，所述控制圆盘与转子铁心之间的气隙长度大于吸力圆盘与转子铁心之间的气隙长度。

本发明的再进一步方案是，所述永磁体由稀土永磁材料或铁氧永磁材料制成。

本发明与现有技术相比的优点在于：

一、由永磁体分别提供轴向和径向偏置磁通，其中轴向偏置磁通在转子轴向发生偏移时，能保证转子铁心两侧的轴向偏置磁通始终相等，解决了磁轴承轴向启动困难的问题；轴向铁心正对转子铁心径向部分的内沿采用由两道吸力圆盘和控制圆盘组成的“E”形结构，保证轴向控制悬浮磁通路径畅通，通过轴向悬浮绕组与轴向偏置磁通的相互作用，实现转子轴向的稳定悬浮；

二、径向悬浮力和轴向悬浮力不存在耦合问题，降低了控制的难度，有利于在高速场合的应用；

三、相比于现有技术中采用两块轴向充磁的永磁体提供静态偏磁磁通，本方案采用一块径向充磁的永磁体，不占用轴承内部空间，增加了径向控制绕组的空间，能够增加径向悬浮力；

四、采用隔磁环将转子铁心两侧的磁路相互隔离，保证了转子铁心两侧的轴向偏置磁通始终相等，使用单个隔磁环相比于多个，结构简单，制造工艺要求低，成本较低。

附图说明

图1为本发明的结构剖视图。

具体实施方式

如图1所示的一种带隔磁环的径向轴向三自由度磁轴承，包括定子和转子，所述转子由转轴8和转子铁心7组成，所述定子包括沿转子铁心7径向向外依次设置的径向铁心2、永磁体1和隔磁环13，以及对称设置于转子铁心7两侧的左侧轴向铁心3和右侧轴向铁心14，所述永磁体1为稀土永磁材料或铁氧永磁材料制成的径向充磁的环形永磁体，所述径向铁心2与转子铁心7之间间隔设置，形成径向工作气隙，所述径向铁心2上绕制有径向控制绕组12，所述隔磁环13由整块铝材制成，位于左侧轴向铁心3和右侧轴向铁心14的内壁外沿之间，其厚度大于左侧轴向铁心3和右侧轴向铁心14之间的轴向气隙长度；所述左侧轴向铁心3和右侧轴向铁心14的内壁内沿分别同心设置有两道左吸力圆盘9和两道右吸力圆盘17，所述两道左吸力圆盘9之间和两道右吸力圆盘17之间分别同心设置有左控制圆盘5、右控制圆盘16，所述左控制圆盘5、右控制圆盘16与转子铁心7之间的气隙长度大于左吸力圆盘9、右吸力圆盘17与转子铁心7之间的气隙长度，所述两道左吸力圆盘9和两道右吸力圆盘17上各自绕制有左轴向悬浮绕组4、右轴向悬浮绕组15；两道左吸力圆盘9、左控制圆盘5与左侧轴向铁心3，以及两道右吸力圆盘17、右控制圆盘16与右侧轴向铁心14分别构成“E”形结构。转子铁心7和左侧轴向铁心3、右侧轴向铁心14均由轴向和径向导磁性能良好的材料制成，左轴向悬浮绕组4、右轴向悬浮绕组15、径向控制绕组12均采用导电良好的电磁线圈绕制后侵漆烘干而成，所述左侧轴向铁心3、左轴向悬浮绕组4、径向铁心2、径向控制绕组12、隔磁环13、右侧轴向铁心14和右轴向悬浮绕组15沿轴向叠压。

本方案的悬浮原理是：永磁体1产生偏置磁通，偏置磁通从永磁体1的N极出发，由隔磁环13分为左10、右19两部分，左侧的偏置磁通10在左侧轴向铁心3上又分为两部分，分别经两道左吸力圆盘9，以及两道左吸力圆盘9与转子铁心7之间的轴向工作气隙，再沿着转子铁心7、径向工作气隙、径向铁心2回到永磁体1的S极，形成闭合磁路；右侧的偏置磁通19在右侧轴向铁心14上又分为两部分，分别经两道右吸力圆盘17，以及右吸力圆盘17与转子铁心7之间的轴向工作气隙，再沿着转子铁心7、径向工作气隙、径向铁心2回到永磁体1的S极，形成闭合磁路。根据现有技术，在定子上安装径向、轴向位移传感器，检测转子在径向和轴向的偏移量，建立轴向位移闭环控制系统和径向位移闭环控制系统，径向控制绕组12通电产生的径向控制磁通11起调节作用，用来改变磁轴承转子铁心7径向两侧的气隙磁场的强弱，通过径向位移闭环控制系统，保持定子、转子径向之间气隙均匀，实现转子径向稳定悬浮；左轴向悬浮绕组4、右轴向悬浮绕组15通电分别产生的左侧轴向控制磁通6、右侧轴向控制磁通18起调节作用，用来改变磁轴承转子铁心7轴向两侧气隙磁场的强弱，通过轴向位移闭环控制系统，保持定、转子轴向之间气隙均匀，实现转子轴向稳定悬浮。

Claims (5)

1.一种带隔磁环的径向轴向三自由度磁轴承，包括定子和转子，所述转子由转轴（8）和转子铁心（7）组成，其特征在于：所述定子包括沿转子铁心（7）径向向外依次相连的径向铁心（2）、永磁体（1）和隔磁环（13），以及对称设置于转子铁心（7）两侧的两个轴向铁心，所述径向铁心（2）与转子铁心（7）之间设置有径向工作气隙，所述径向铁心（2）上绕制有径向控制绕组（12），所述隔磁环（13）位于两个轴向铁心的内壁外沿之间，所述两个轴向铁心的内壁内沿分别同心设置有两道吸力圆盘，所述两道吸力圆盘之间同心设置有控制圆盘，所述两道吸力圆盘上各自绕制有轴向悬浮绕组。

2.如权利要求1所述的一种带隔磁环的径向轴向三自由度磁轴承，其特征在于：所述隔磁环（13）的厚度大于轴向铁心的轴向气隙长度。

3.如权利要求1或2所述的一种带隔磁环的径向轴向三自由度磁轴承，其特征在于：所述隔磁环（13）由整块铝材制成。

4.如权利要求1所述的一种带隔磁环的径向轴向三自由度磁轴承，其特征在于：所述控制圆盘与转子铁心（7）之间的气隙长度大于吸力圆盘与转子铁心（7）之间的气隙长度。

5.如权利要求1所述的一种带隔磁环的径向轴向三自由度磁轴承，其特征在于：所述永磁体（1）由稀土永磁材料或铁氧永磁材料制成。