CN109026999B - 轴向磁悬浮轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轴向磁悬浮轴承。该轴向磁悬浮轴承包括轴向铁芯(1)、控制线圈(2)和止推盘(3)，轴向铁芯(1)和止推盘(3)相对设置，控制线圈(2)设置在轴向铁芯(1)内，轴向磁悬浮轴承还包括用于为轴向铁芯(1)和止推盘(3)提供排斥力的斥力发生组件。根据本发明的轴向磁悬浮轴承，能够减小轴承空间占用，降低生产成本。

Description

轴向磁悬浮轴承

技术领域

本发明属于轴承技术领域，具体涉及一种轴向磁悬浮轴承。

背景技术

磁悬浮轴承是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。其原理是磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空在固定运转轨道上。

与传统的滚动轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。

一般而言，现有主动式轴向磁悬浮轴承结构形式如图1所示，包括前轴向铁芯1、前轴向轴承控制线圈2、止推盘3、后轴向轴承控制线圈4、后轴向轴承铁芯5、轴6，其中前轴向铁芯1、止推盘3、后轴向轴承铁芯5均采用导磁材料，止推盘3固定安装在轴6上。当线圈通电后，根据安培定律，轴向铁芯中会形成磁场，对止推盘3提供电磁吸引力，且电磁吸引力随电流增大而增大.

磁力线分布如图2所示，线圈电流方向为举例示意，磁力线仿真图为单线圈通电时仿真得到的磁力线分布情况。当轴发生向后轴向轴承铁芯5侧的偏移时，在前轴向轴承控制线圈2中通入任意方向电流，可在前轴向铁芯1与止推盘3之间形成磁场，对止推盘3提供电磁吸引力，使轴可以向前轴向铁芯1侧移动。

同理，当轴发生向前轴向铁芯1侧的偏移时，在后轴向轴承控制线圈4中通入任意方向电流，可在后轴向轴承铁芯5与止推盘3形成磁场，对止推盘3提供电磁吸引力，使轴可以向后轴向轴承铁芯5侧移动。现有主动式轴向磁悬浮轴承结构形式由两个轴向铁芯分别对止推盘提供单方向的电磁吸引力，通过控制轴承控制线圈通入电流的大小，保证止推盘处于两个轴承铁芯的中心位置，保证整个轴的轴向位置，实现轴向悬浮。

然而现有主动式轴向磁悬浮轴承结构必须要安装两个轴向轴承铁芯及止推盘才能实现轴向悬浮，占用空间较大，成本较高。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种轴向磁悬浮轴承，能够减小轴承空间占用，降低生产成本。

为了解决上述问题，本发明提供一种轴向磁悬浮轴承，包括轴向铁芯、控制线圈和止推盘，轴向铁芯和止推盘相对设置，控制线圈设置在轴向铁芯内，轴向磁悬浮轴承还包括用于为轴向铁芯和止推盘提供排斥力的斥力发生组件。

优选地，斥力发生组件包括磁体对，磁体对包括第一磁体和第二磁体，第一磁体设置在轴向铁芯上，第二磁体对应于第一磁体设置在止推盘上，第一磁体和第二磁体的相对面磁极相同。

优选地，第一磁体和第二磁体为磁环。

优选地，第一磁体的壁厚a1与第二磁体的壁厚x1之间满足a1≤x1。

优选地，第一磁体嵌设在轴向铁芯朝向止推盘的一端，并位于轴向铁芯的径向外周，第二磁体与第一磁体相对设置，并位于止推盘朝向轴向铁芯的一端。

优选地，磁体对还包括第三磁体和第四磁体，第三磁体设置在轴向铁芯上，第四磁体对应于第三磁体设置在止推盘上，第三磁体和第四磁体的相对面磁极相同。

优选地，第三磁体和第四磁体为磁环。

优选地，第三磁体的壁厚a2与第四磁体的壁厚x2之间满足a2≤x2。

优选地，轴向铁芯包括用于安装控制线圈的绕线槽，第一磁体位于绕线槽的径向外侧，第三磁体位于绕线槽的径向内侧。

优选地，轴向铁芯的外磁极总宽度为l1，轴向铁芯的内磁极总宽度为l2，轴向铁芯的外磁极出力宽度为b1，轴向铁芯的内磁极出力宽度为b2，第一磁体的径向壁厚为a1，第二磁体的径向壁厚为x1，第三磁体的径向壁厚为a2，第四磁体的径向壁厚为x2，其中l1≤a1+b1，l2≤a2+b2。

优选地，第一磁体和第三磁体朝向止推盘的同一侧磁极相反。

本发明提供的轴向磁悬浮轴承，包括轴向铁芯、控制线圈和止推盘，轴向铁芯和止推盘相对设置，控制线圈设置在轴向铁芯内，轴向磁悬浮轴承还包括用于为轴向铁芯和止推盘提供排斥力的斥力发生组件。该轴向磁悬浮轴承通过斥力发生组件在轴向铁芯和止推盘之间产生斥力，通过控制线圈在轴向铁芯和止推盘之间产生吸引力，因此在需要调整轴向铁芯与止推盘之间的间距时，在控制线圈和斥力发生组件的共同作用下，只需要改变控制线圈中通入电流的大小即可实现轴向铁芯与止推盘之间排斥力与吸引力的转换，实现由单个铁芯对轴的轴向悬浮。由于永磁体磁路和电磁磁路路径共用，因此无需在径向方向额外布置磁路结构，能够减小铁芯径向尺寸。与原有主动式轴向磁悬浮轴承相比，该轴向磁悬浮轴在不增加径向方向空间的情况下，减少了一个轴向铁芯，节省了装配空间，提高了结构设计余量，减小了轴承空间占用，降低了生产成本。

附图说明

图1为现有技术中的轴向磁悬浮轴承的结构示意图；

图2为现有技术中的轴向磁悬浮轴承的磁路结构图；

图3为本发明实施例的轴向磁悬浮轴承的结构示意图；

图4为图3的L处的放大尺寸关系图；

图5为图3的M处的放大尺寸关系图；

图6为本发明实施例的轴向磁悬浮轴承的在控制线圈断电时的磁路结构图；

图7为本发明实施例的轴向磁悬浮轴承的在控制线圈通电时的磁路结构图；

图8为本发明实施例的轴向磁悬浮轴承的轴向铁芯与止推盘之间受力与电流关系曲线图。

附图标记表示为：

1、轴向铁芯；2、控制线圈；3、止推盘；4、第一磁体；5、第二磁体；6、第三磁体；7、第四磁体；8、绕线槽；9、转轴。

具体实施方式

结合参见图3至图8所示，根据本发明的实施例，轴向磁悬浮轴承包括轴向铁芯1、控制线圈2和止推盘3，轴向铁芯1和止推盘3相对设置，控制线圈2设置在轴向铁芯1内，轴向磁悬浮轴承还包括用于为轴向铁芯1和止推盘3提供排斥力的斥力发生组件。

该轴向磁悬浮轴承通过斥力发生组件在轴向铁芯1和止推盘3之间产生斥力，通过控制线圈2在轴向铁芯1和止推盘3之间产生吸引力，因此在需要调整轴向铁芯1与止推盘3之间的间距时，在控制线圈2和斥力发生组件的共同作用下，只需要改变控制线圈2中通入电流的大小即可实现轴向铁芯1与止推盘3之间排斥力与吸引力的转换，实现由单个铁芯对轴的轴向悬浮。由于永磁体磁路和电磁磁路路径共用，因此无需在径向方向额外布置磁路结构，能够减小铁芯径向尺寸。与原有主动式轴向磁悬浮轴承相比，该轴向磁悬浮轴在不增加径向方向空间的情况下，减少了一个轴向铁芯，节省了装配空间，提高了结构设计余量，减小了轴承空间占用，降低了生产成本。

止推盘3和轴向铁芯1均套设在转轴9上，其中止推盘3与转轴9固定设置，轴向铁芯1与转轴9之间间隙配合。通过调整止推盘3与轴向铁芯1之间的作用力，能够有效实现转轴9的轴向悬浮。

在本实施例中，斥力发生组件包括磁体对，磁体对包括第一磁体4和第二磁体5，第一磁体4设置在轴向铁芯1上，第二磁体5对应于第一磁体4设置在止推盘3上，第一磁体4和第二磁体5的相对面磁极相同。第一磁体4和第二磁体5均为轴向方向充磁，且第一磁体4和第二磁体5的相对面磁极相同，由于异性相吸，同性相斥，因此第一磁体4和第二磁体5之间产生斥力，从而使得轴向铁芯1和止推盘3之间相互远离。

在控制线圈2不通电时，轴向磁悬浮轴承磁路如图6所示。因第一磁体4、第二磁体5相对方向磁性相同，产生排斥力。此时由于漏磁，套设在轴向铁芯1上的第一磁体4会对止推盘3产生一小部分吸引力，但要小于第一磁体4与第二磁体5之间的排斥力，总体上轴向铁芯1与止推盘3之间表现为排斥力。

在控制线圈2通入电流时，轴向磁悬浮轴承因电流产生的电磁磁路如图7所示，电磁磁路通过轴向铁芯1上的b1、b2段与止推盘3形成电磁磁路，轴向铁芯1对止推盘3产生吸引力。随着电流增大，轴向铁芯1对止推盘3产生吸引力增大，当电流足够大时，轴向铁芯1对止推盘3产生吸引力会大于套设在轴向铁芯1和止推盘3上的磁体间产生的排斥力，轴向铁芯1与止推盘3之间表现为吸引力。

因此，通过改变电流的大小，可以实现轴向铁芯1对止推盘3的排斥力与吸引力的转换，当止推盘3远离轴向铁芯1时，轴向铁芯1与止推盘3之间为吸引力，当止推盘3靠近轴向铁芯1时，轴向铁芯1与止推盘3之间为排斥力，进而实现对轴的轴向悬浮。

优选地，第一磁体4和第二磁体5为磁环。第一磁体4和第二磁体5也可以表现为其它的结构形式，例如在轴向铁芯1朝向止推盘3的端面上沿周向间隔设置多个块状的第一磁体4，在止推盘3端面上的相应位置处，设置有多个块状的第二磁体5，第二磁体5与第一磁体4之间可以一一对应设置，第一磁体4嵌入轴向铁芯1上，第二磁体5嵌入止推盘3内。

优选地，第一磁体4的壁厚a1与第二磁体5的壁厚x1之间满足a1≤x1。一般而言，在轴向铁芯1上会设置绕线槽8用于安装控制线圈2，因此位于绕线槽8两侧的轴向铁芯1的磁路宽度较小，与轴向铁芯1相对的止推盘3的磁路宽度较大，因此当第一磁体4的壁厚a1大于第二磁体5的壁厚x1时，第一磁体4在止推盘3上的磁路长度也较长，由于第一磁体4漏磁所产生的吸引力也相对较大。而如果第二磁体5的壁厚x1大于第一磁体4的壁厚a1时，由于绕线槽8的限制，因此在第二磁体5的漏磁作用下受到影响的轴向铁芯1的磁路宽度也受限，也即受到第二磁体5的漏磁影响所产生的吸引力有限，而在未通电时，应该尽量减少漏磁所产生的吸引力对第一磁体4和第二磁体5之间的排斥力的影响，因此，使得a1≤x1，能够更加有效地减小第一磁体4对止推盘3的吸引力。优选地，a1＝x1。

在本实施例中，第一磁体4嵌设在轴向铁芯1朝向止推盘3的一端，并位于轴向铁芯1的径向外周，第二磁体5与第一磁体4相对设置，并位于止推盘3朝向轴向铁芯1的一端。通过上述方式，能够在轴向铁芯1的径向外侧使得第一磁体4与第二磁体5之间产生斥力，由于第一磁体4和第二磁体5均为磁环，因此能够使得斥力分布更加均匀，轴向受力更加平衡，结构更加稳定。

在本实施例中，磁体对还包括第三磁体6和第四磁体7，第三磁体6设置在轴向铁芯1上，第四磁体7对应于第三磁体6设置在止推盘3上，第三磁体6和第四磁体7的相对面磁极相同。第三磁体6和第四磁体7也能够形成磁体对，由于第三磁体6和第四磁体7的相对面磁极相同，因此第三磁体6和第四磁体7之间能够产生排斥力，使得轴向铁芯1与止推盘3之间相互远离。

第三磁体6和第四磁体7的作用原理和过程与第一磁体4和第二磁体5相同，此处不再详述。

优选地，第一磁体4和第三磁体6朝向止推盘3的同一侧磁极相反，例如，第一磁体4朝向止推盘3的一端为S极，第三磁体6朝向止推盘3的一端为N极，此种结构是为了使第一磁体4和第二磁体5以及第三磁体6和第四磁体7之间均产生斥力的同时，能够形成闭合的永磁体磁路结构，从而使得永磁体磁路与原有电磁磁路路径共用，无需在径向方向额外布置磁路结构，减小铁芯径向尺寸。

优选地，第三磁体6和第四磁体7为磁环。第三磁体6和第四磁体7也可以表现为其它的结构形式，例如沿止推盘3的周向间隔间隔设置的块状磁体等。

第三磁体6的壁厚a2与第四磁体7的壁厚x2之间满足a2≤x2。优选地，a2＝x2。

轴向铁芯1包括用于安装控制线圈2的绕线槽8，第一磁体4位于绕线槽8的径向外侧，第三磁体6位于绕线槽8的径向内侧。

两个磁体对能够分别在绕线槽8的径向两侧对轴向铁芯1和止推盘3形成排斥力，使得轴向铁芯1和止推盘3之间的受力更加均匀，结构更加稳定。

优选地，轴向铁芯1的外磁极总宽度为l1，轴向铁芯1的内磁极总宽度为l2，轴向铁芯1的外磁极出力宽度为b1，轴向铁芯1的内磁极出力宽度为b2，第一磁体4的径向壁厚为a1，第二磁体5的径向壁厚为x1，第三磁体6的径向壁厚为a2，第四磁体7的径向壁厚为x2，其中l1≤a1+b1，l2≤a2+b2。通过采用该结构，能够有效提高轴向铁芯1的磁饱和性，提高轴向磁悬浮轴承的磁性能。

图8为某结构参数下轴向铁芯1与止推盘3之间受力与电流关系曲线图，其中力的正负表示受力方向。从图中可以看出，电流越大，斥力越小，吸引力越大。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种轴向磁悬浮轴承，其特征在于，包括轴向铁芯（1）、控制线圈（2）和止推盘（3），所述轴向铁芯（1）和所述止推盘（3）相对设置，所述控制线圈（2）设置在所述轴向铁芯（1）内，所述轴向磁悬浮轴承还包括用于为所述轴向铁芯（1）和所述止推盘（3）提供排斥力的斥力发生组件，以防止所述止推盘（3）与所述轴向铁芯（1）接触，所述止推盘（3）和所述轴向铁芯（1）均套设在转轴（9）上；所述斥力发生组件包括磁体对，所述磁体对包括第一磁体（4）和第二磁体（5），所述第一磁体（4）设置在所述轴向铁芯（1）上，所述第二磁体（5）对应于所述第一磁体（4）设置在所述止推盘（3）上，所述第一磁体（4）和所述第二磁体（5）的相对面磁极相同；所述第一磁体（4）嵌设在所述轴向铁芯（1）朝向所述止推盘（3）的一端，并位于所述轴向铁芯（1）的径向外周，所述第二磁体（5）与所述第一磁体（4）相对设置，并位于所述止推盘（3）朝向所述轴向铁芯（1）的一端；所述磁体对还包括第三磁体（6）和第四磁体（7），所述第三磁体（6）设置在所述轴向铁芯（1）上，所述第四磁体（7）对应于所述第三磁体（6）设置在所述止推盘（3）上，所述第三磁体（6）和所述第四磁体（7）的相对面磁极相同；所述第一磁体（4）和所述第三磁体（6）朝向所述止推盘（3）的同一侧磁极相反。

2.根据权利要求1所述的轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一磁体（4）和所述第二磁体（5）为磁环。

3.根据权利要求2所述的轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一磁体（4）的壁厚a1与所述第二磁体（5）的壁厚x1之间满足a1≤x1。

4.根据权利要求1所述的轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述第三磁体（6）和所述第四磁体（7）为磁环。

5.根据权利要求4所述的轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述第三磁体（6）的壁厚a2与所述第四磁体（7）的壁厚x2之间满足a2≤x2。

6.根据权利要求1所述的轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述轴向铁芯（1）包括用于安装所述控制线圈（2）的绕线槽（8），所述第一磁体（4）位于所述绕线槽（8）的径向外侧，所述第三磁体（6）位于所述绕线槽（8）的径向内侧。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述轴向铁芯（1）的外磁极总宽度为l1，所述轴向铁芯（1）的内磁极总宽度为l2，所述轴向铁芯（1）的外磁极出力宽度为b1，所述轴向铁芯（1）的内磁极出力宽度为b2，所述第一磁体（4）的径向壁厚为a1，所述第二磁体（5）的径向壁厚为x1，所述第三磁体（6）的径向壁厚为a2，所述第四磁体（7）的径向壁厚为x2，其中l1≤a1+b1，l2≤a2+b2。