CN109505866B - 具有轭绕组的活性径向磁轴承 - Google Patents

具有轭绕组的活性径向磁轴承 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有轴线、定子和转子的径向磁轴承，其中所述定子包括沿轴向彼此隔开的至少两个定子组件，其中各个定子组件包括软磁芯，其中至少一个定子组件包括一个所述软磁芯，其具有沿周向方向分布布置的若干沿径向突出的齿和同样沿周向方向分布布置的若干线圈，并且其中软磁芯的沿周向方向相继的两个相应的齿通过芯的连接区段彼此连接，其中磁轴承还包括沿轴向设置在两个软磁芯之间的永磁体组件。根据本发明提供的是，包括沿周向方向分布布置的若干线圈且其软磁芯包括沿周向方向分布布置的若干沿径向突出的齿的至少一个所述定子装置被实现成使得相应的连接区段中的一个由相应的线圈中的一个缠绕。

Description

具有轭绕组的活性径向磁轴承
技术领域
本发明涉及一种径向磁轴承。
背景技术
通用的径向磁轴承包括轴线、定子和转子。定子和转子相对于彼此共轴地布置并相对于磁轴承的轴线共轴布置。定子包括至少两个沿轴向隔开的定子组件。各个定子组件包括一个所述软磁芯，其中至少一个定子组件包括一个所述软磁芯，所述软磁芯具有沿周向方向分布布置的若干沿径向突出的齿和同样沿周向方向分布布置的线圈。软磁芯的沿周向方向相继的两个相应的齿通过芯的连接区段彼此连接。磁轴承还包括沿轴向设置在两个软磁芯之间的永磁体组件。
在从现有技术中已知的通用类型的径向磁轴承中，永磁体组件典型地由单个磁体环构成，该磁体环也是定子的一部分并且沿轴向方向被磁化。该磁体环直接位于两个芯之间。芯典型地包括外环，齿从该外环沿径向向内突出。因此，连接区段为简单的环节段。在从现有技术中已知的径向磁轴承中，齿缠绕有线圈。这使得各种齿、相和绕组拓扑成为可能。
例如从WO 9014525 A1中已知一种径向磁轴承。
在两个芯之间的永磁体环产生经由转子完成的磁流。在断电状态下，磁流均匀地分布在圆周上，使得沿径向方向不会引起净力。使线圈通电产生影响永磁体的磁流的磁场。磁流被引导成使得转子和定子之间的气隙中的流密度不再均匀地分布。这产生了沿径向方向作用在转子上的净力。当以从现有技术中已知的概念使用单齿绕组时，则单独的线圈的电流部分地相互补偿，使得该概念不是非常高效且力密度相对低。根据现有技术，使用直径绕组也是已知的。然而，其具有非常大的绕组头，这不利于力的形成。因此，力密度相对低。
发明内容
因此，本发明基于以下目的：进一步开发通用类型的径向磁轴承，使得力密度增加。
该目的通过本发明的径向磁轴承得到满足，其中，包括沿周向方向分布布置的若干线圈且其软磁芯包括沿周向方向分布布置的若干沿径向突出的齿的至少一个所述定子组件构造成使得相应的连接区段中的一个缠绕有一个相应的线圈。
换言之，不是芯的齿而是在齿之间基本上沿周向方向延伸的芯的连接区段缠绕有线圈。各个连接区段在相应的邻接的齿之间形成轭，为此，线圈也可被称为轭绕组。
根据本发明的解决方案导致径向磁轴承的力密度显著增加。在相同的铜功率损耗和相同的力的情况下，使力密度增加超过50%是可行的。
在本申请的上下文中，除非另有说明，否则诸如“轴向”、“径向”、“沿周向方向”等的空间细节参照了磁性轴承的轴线。
定子优选为外部定子，且转子为内部转子。
根据本发明的优选实施例，所有定子组件都被实现成使得它们的软磁芯具有沿周向方向分布布置的若干沿径向突出的齿，其中，软磁芯的沿周向方向相继的两个相应的齿通过芯的连接区段彼此连接，且其中，一个相应的连接区段缠绕有一个相应的线圈。结果，可获得特别高的力密度。
根据本发明的另一特别优选的实施例，永磁体组件为定子的部分，且包括若干沿轴向磁化的单个磁体，其中单个磁体布置成使得单个磁体和齿彼此沿轴向方向对齐。因此，单个磁体的数量对应于用于每个芯的齿的数量。单个磁体优选布置在两个芯的齿之间，其中两个芯为不同定子组件的部分。因此，各个永磁体沿轴向位于第一芯的齿和第二芯的齿之间。该实施例特别容易制造，并且还制造成本低，因为单个永磁体比磁体环更容易制造和获得。特别有利的是使用块状磁体，因为它们可以特别简单的方式制造。进一步优选地，永磁体和芯的齿相对于磁轴承的轴线具有基本相同的横截面。如果，转子位于内部中，则齿的几何结构与定子的内圆周上的相应地相关联的永磁体的几何结构之间的微小偏差是非常有用的，因为在不考虑所需要的气隙的情况下，齿有利地紧靠转子的外圆周，而出于成本的原因，永磁体具有带相应平的侧表面的简单块状几何结构。
代替使用若干单个永磁体，在备选实施例中，当然也可用单个环磁体。
根据本发明的另一特别优选的实施例，转子包括外部中空圆柱部分和内部部分，其中，外部中空圆柱形部分被实现为软磁性层压片总成，且其中转子的内部部分被实现为实心软磁性回路轭。转子具有吸收径向流和形成轴向回路轭的作用。因为预期在负载下在转子的外圆周上会有涡流，并且要尽可能地防止涡流，因此将转子构造为软磁性层压片总成大体上是有利的。然而，这与转子沿轴向传导磁流的要求相矛盾。具有呈软磁性层压片总成形式的中空圆柱外部部分和内部实心软磁性回路轭的实施例满足这两个要求。转子的实心软磁性回路轭优选处于初始饱和区域中。结果，甚至在负载下，转子的实心部分中的磁流密度中的变化也很小，从而减小了该区域中的涡流损耗。
根据本发明的备选实施例，永磁体组件为转子的部分。在该情况下，永磁体组件优选包括连续的沿轴向磁化的永磁体，其为转子组件的部分。这可进一步优选为圆柱体或圆盘。在本申请的上下文中，连续的永磁体被理解为单个永磁体以及由若干部分组成的永磁体，第一备选方案是优选的。更进一步优选地，该实施例中的永磁体包括通道开口，转子或转子组件的轴相应地延伸穿过该通道开口，使得永磁体构造为环状的。当永磁体组件为转子的部分时，轴向突出部中的永磁体组件不一定需要与定子组件的软磁芯重叠，以便在本申请的意义内沿轴向布置在软磁芯之间。仅所述构件的相应的中心轴向位置是至关重要的。在转子侧的永磁体组件的外径可例如小于在定子侧的芯的内径。在这种情况下，在定子侧，可提供定子组件的芯之间的软磁流引导件。软磁流引导件可包括设置在芯之间的一个或多个软磁块。软磁块可例如由沿径向或切向布置的软磁金属板或软磁性复合材料(SMC)构成。除了定子的永磁体组件外，也可提供转子模块的永磁体。
软磁芯中的各个优选具有相同数量的齿。任何数量的齿为可行的。然而，各个软磁芯优选各自具有四个或六个齿。
根据本发明的另一实施例，提供不止两个定子组件，其中一个永磁体组件相应地布置在两个沿轴向连续的电子组件之间。在该实施例中，还可行的是，定子组件中的一个不包括线圈。磁轴承可例如具有三个定子组件，其中优选的是，三个定子组件中的仅居中的一个或三个定子组件中的仅外部的两个具有线圈。定子组件的软磁芯也可构造成带齿的或环状的。
还可想到的是，根据本发明的磁轴承在两个轴向端部处终止于相应的永磁体组件。在该情况下的磁流在两个轴向端部处经由空气或经由邻近的构件完成。
根据本发明的另一优选实施例，定子组件的芯的连接区段各自构造为环节段。环节段可基本上具有任意曲率半径。曲率半径优选大于环节段至磁轴承的轴线的径向距离。备选地，连接区段也可构造成使得它们以直线并相对于轴线沿切向方向延伸。
根据本发明的另一特别优选的实施例，齿既沿径向向外又沿径向向内突出。因此，连接区段连同齿的中心部分一起形成连续的环，齿从该连续的环分别沿径向向内突出和沿径向向外突出。在合适的尺寸比的情况下，存在于齿之间的凹槽也可在芯的外圆周或内圆周上闭合。
根据本发明的另一优选的实施例，一个或多个永磁体构造为稀土磁体。这导致了特别轻巧和紧凑的设计。
根据本发明的另一实施例，软磁芯由层压片总成构成。然而，软磁芯还可由软磁性复合材料构成。
特别是在通过环形绕线机将线圈缠绕到连接区段上的情况下，得到廉价的产品。
附图说明
下面参照附图更详细地论述本发明的实施例，
其中，
图1显示了根据第一实施例的径向磁轴承的斜视图，
图2显示了图1的径向磁轴承的沿图3中显示的截面线II 的纵截面图，
图3显示了沿图2中显示的截面线III穿过图1和图2的径向磁轴承的横截面图，
图4显示了根据第二实施例的穿过径向磁轴承的纵截面图，
图5显示了根据第三实施例的穿过径向磁轴承的纵截面图，
图6显示了根据第四实施例的穿过径向磁轴承的纵截面图，以及
图7显示了根据第五实施例的穿过径向磁轴承的纵截面图。
具体实施方式
相同的部件由相同的参考标号表示适用于以下实施例。如果图包含在相关的图描述中未更详细论述的参考标号，则参照之前或之后的图描述。
图1至图3显示了根据本发明的径向磁轴承1的第一实施例。磁轴承包括外部定子3和内部转子4。定子3和转子4彼此共轴布置。因此，它们二者都被构造成关于磁轴承的公共轴线2基本上旋转对称。
如在图2中特别显示的，定子3 包括沿轴向彼此间隔开的两个定子组件5。两个定子组件5中的各个包括软磁芯6。在示出的实施例中，软磁芯各自构造为软磁性层压片总成，但也可由软磁性复合材料制成。在图1中可看出，两个软磁性层压片总成6中的各个包括沿周向方向分布布置的若干齿7。在显示的实施例中，对于每个层压片总成，提供总共六个齿。齿7沿周向方向彼此相距一致的距离，且通过轭状连接区段9彼此连接。连接区段9构造为环节段且连同齿的中心部分一起形成闭合的圆环，齿的外部部分15从该圆环沿径向向外突出，且齿的内部部分16在每个齿处分别沿径向向内突出。
两个定子组件中的各个进一步包括总共六个线圈8。线圈8一起形成定子绕组，定子绕组可相应地通电以产生沿径向方向作用在磁轴承的转子4上的净力。线圈8仅示意性地显示在图示中且可完全填充齿的沿径向突出的部分之间的间隙。它们优选通过使用环形绕线机缠绕在连接区段上。各个线圈的轴线相对于磁轴承的轴线分别沿周向方向或沿切向延伸。
在两个软磁性层压片总成6之间沿轴向布置的是定子3的永磁体组件10。永磁体组件10由六个单个块状永磁体11构成，所述块状永磁体11相对于磁轴承的轴线2沿轴向方向被磁化。6个单个磁体布置在软磁性层压片总成6的齿7之间，使得单个磁体11和齿7沿轴向方向彼此对齐。
图2和图3显示，根据本发明的磁轴承1的转子4由外部中空圆柱形部分12和内部部分13构成。外部中空圆柱形部分12构造为软磁性层压片总成，以便防止转子的外部区域中的涡流。转子的内部部分13构造为用来沿轴向传导定子中产生的磁流的实心软磁性回路轭。
在根据图3的横截面图中可看出，布置在两个层压片总成之间的软磁性层压片总成的齿7和单个磁体11具有基本上相同的横截面。为了保持针对单个磁体的获得成本低，它们被构造为简单的立方体块。层压片总成6的齿7在其形状上相对于单个磁体的不同之处仅在于，它们以其面向轴线的端部紧靠转子的外圆周。尽管有这一点，在齿7和转子的外圆周之间当然存在一定的气隙。
图4显示了根据本发明的另一实施例的径向磁轴承1。图示显示了类似于图2的纵截面图。磁轴承1的中心区域中的结构基本上与图1至图3的实施例中的相同。图1至图3的实施例的不同之处在于，提供了两个额外的永磁体组件10。两个额外的永磁体组件10位于磁轴承的两个径向端部处。因此，磁轴承在两个相应的轴向端部处终止于永磁体组件。磁轴承的转子必须相应地构造得更长。磁流在磁轴承的两个轴向端部处经由空气完成。在图4中显示的实施例通过示例的方式表示具有任意数量的定子组件的多个可想到的实施例。因为两个永磁体组件10可由另外的定子组件邻接。
图5显示了根据本发明的径向磁轴承1的另一实施例。图示又显示了类似于图2和图4的纵截面图。与来自图1至图3的实施例相反，布置在两个定子组件5之间的永磁体组件10不是定子的部分，而是转子的部分。其由单个永磁体环14构成，永磁体环14牢固地连接到转子的其它构件上。永磁体环14具有通孔，转子轴的外部部分12和内部部分13延伸穿过该通孔。
图6显示了根据本发明的径向磁轴承1的另一实施例。在该实施例中，定子3以与图1至图3的实施例中的相同的方式被构造。然而，类似于图5的实施例，转子4的内部部分13和外部中空圆柱形部分12 在中心处由为转子的部分的永磁体环14中断。永磁体环14同样沿轴向被磁化并沿轴向定位在定子的两个层压片总成6之间，但是永磁体环的外径小于中空的圆柱形层压片总成6的内径。永磁体环14的外径最多等于软磁转子部分的外径。沿径向设置在永磁体环14的外部的为在定子侧的单个磁体11。图6的实施例相对于图1至图3的实施例的不同之处另外在于，转子包括中心轴17，中心轴17延伸穿过转子的内部部分13和永磁体环14的对应膛孔。
图7显示了根据本发明的径向磁轴承1的另一实施例。该实施例相对于图6的实施例的不同之处在于，在定子侧未提供单个磁体。因此，在定子侧不存在磁体组件。该处的永磁体组件仅由在转子侧的永磁体环14构成。在该实施例中，单个磁体11由软磁块18代替，软磁块18由堆叠的沿径向或沿切向延伸的软磁板或软磁性复合材料构成。软磁块18可以确切实体配合的方式连接至软磁芯6。还可行的是，将软磁块18实现为至少一个软磁芯6的部分。

Claims (17)

1.一种径向磁轴承(1)，其具有轴线(2)、定子(3)和转子(4)，
其中，所述定子包括沿轴向彼此隔开的至少两个定子组件(5)，其中所述定子组件中的各个包括软磁芯(6)，
其中，所述定子组件(5)中的至少一个包括一个所述软磁芯(6)，其具有沿周向方向分布布置的若干沿径向突出的齿(7)和同样沿周向方向分布布置的若干线圈(8)，并且其中所述软磁芯(6)的沿周向方向相继的两个相应的齿(7)通过所述软磁芯(6)的连接区段(9)彼此连接，
其中，所述磁轴承(1)还包括沿轴向设置在所述两个软磁芯(6)之间的永磁体组件(10)，
其特征在于，所述定子组件(5)中的至少一个构造成使得不是所述齿(7)而是在所述齿(7)之间沿周向方向延伸的相应的所述连接区段(9)中的一个由相应的所述线圈(8)中的一个缠绕。
2.根据权利要求1所述的径向磁轴承，其特征在于，所有所述定子组件(5)被实现成使得它们的软磁芯(6)包括沿周向方向分布布置的若干沿径向突出的齿(7)，其中所述软磁芯(6)的沿周向方向相继的两个相应的齿(7)通过所述软磁芯(6)的连接区段(9)彼此连接，并且其中，一个相应的连接区段(9)由一个相应的线圈(8)缠绕。
3.根据权利要求1或2所述的径向磁轴承(1)，其特征在于，所述永磁体组件(10)为所述定子(3)的部分且包括若干沿轴向磁化的单个磁体(11)，其中所述单个磁体布置成使得所述单个磁体(11)和所述齿(7)沿轴向方向彼此对齐。
4.根据权利要求3所述的径向磁轴承(1)，其特征在于，所述单个磁体(11)构造成块状。
5.根据权利要求1或2所述的径向磁轴承(1)，其特征在于，所述转子(4)包括外部中空圆柱形部分(12)和内部部分(13)，其中所述外部中空圆柱形部分(12)被实现为软磁性层压片总成，且其中所述转子的所述内部部分(13)被实现为实心软磁性回路轭。
6.根据权利要求1或2所述的径向磁轴承(1)，其特征在于，所述永磁体组件(10)为所述转子(4)的部分。
7.根据权利要求6所述的径向磁轴承(1)，其特征在于，所述永磁体组件(10)包括连续的沿轴向磁化的永磁体(14)。
8.根据权利要求1或2所述的径向磁轴承(1)，其特征在于，所述软磁芯(6)中的各个各自包括四个或六个齿(7)。
9.根据权利要求1或2所述的径向磁轴承(1)，其特征在于，提供不止两个定子组件(5)，其中永磁体组件(10)相应地布置在两个沿轴向相继的定子组件(5)之间。
10.根据权利要求9所述的径向磁轴承(1)，其特征在于，所述磁轴承包括三个定子组件(5)，其中所述三个定子组件(5)中的仅居中的一个或所述三个定子组件(5)中的仅外部的两个包括线圈(8)。
11.根据权利要求1或2所述的径向磁轴承(1)，其特征在于，所述磁轴承(1)在两个相应的轴向端部处终止于永磁体组件(10)。
12.根据权利要求1或2所述的径向磁轴承(1)，其特征在于，所述连接区段(9)各自构造为环节段。
13.根据权利要求1或2所述的径向磁轴承(1)，其特征在于，所述连接区段(9)以直线并沿切向方向延伸。
14.根据权利要求1或2所述的径向磁轴承(1)，其特征在于，所述齿(7)既沿径向向外突出又沿径向向内突出。
15.根据权利要求3所述的径向磁轴承(1)，其特征在于，所述单个磁体(11)构造为稀土磁体。
16.根据权利要求7所述的径向磁轴承(1)，其特征在于，所述连续的沿轴向磁化的永磁体(14)构造为稀土磁体。
17.根据权利要求1或2所述的径向磁轴承(1)，其特征在于，所述软磁芯(6)由层压片总成或软磁性复合材料构成。
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