CN110748562B - 一种包围式永磁偏置轴向-径向磁悬浮轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包围式永磁偏置轴向‑径向磁悬浮轴承，转轴、转子、第一轴向定子、第二轴向定子、套筒、径向定子、第一永磁体环、第二永磁体环。轴向定子与径向定子之间的内腔内设置有轴向控制绕组，轴向定子与转子端面之间具有轴向气隙，径向定子铁心内腔壁向轴心处延伸出周向均匀分布的定子磁极，定子磁极上绕有径向控制绕组；在轴向定子与套筒之间设置轴向充磁的永磁体环，永磁体环的N极朝向轴向定子，S极朝向套筒。本发明结构轴向、径向气隙磁场较为均匀，具有功耗低、体积小、重量轻、承载力大等优点。

Description

一种包围式永磁偏置轴向-径向磁悬浮轴承

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮轴承，具体涉及一种包围式永磁偏置轴向-径向磁悬浮轴承，属于磁悬浮技术领域。

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芯与转子铁芯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：提供一种包围式永磁偏置轴向-径向磁悬浮轴承，结构简单，体积小，重量轻，能耗少。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种包围式永磁偏置轴向-径向磁悬浮轴承，包括转轴、转子、第一轴向定子、第二轴向定子、套筒、径向定子、第一永磁体环、第二永磁体环；所述转轴的外壁中间位置设置有转子，所述径向定子设置于转子的外侧，且正对于转子，径向定子包括多个相同的径向定子铁心磁极，多个径向定子铁心磁极沿径向定子的圆周方向均匀分布，每个径向定子铁心磁极上绕制有相同的径向控制绕组，径向定子铁心磁极在径向上与转子的外壁之间存在径向气隙；所述第一轴向定子、第二轴向定子结构相同，且对称设置于径向定子的两侧，每个轴向定子均包括一个圆盘、一个大圆环体、一个小圆环体，圆盘朝向径向定子一侧的径向方向上分别连接一个大圆环体和一个小圆环体，且小圆环体的内径与圆盘的内径相等，第一轴向定子的大圆环体的外壁连接第一永磁体环，第二轴向定子的大圆环体的外壁连接第二永磁体环，大圆环体的外径与永磁体环的内径相等，小圆环体在轴向上与转子的端面相对，且小圆环体与转子的端面之间存在轴向气隙，第一轴向定子与径向定子之间的内腔内设置有轴向控制绕组，第二轴向定子与径向定子之间的内腔内设置有轴向控制绕组；所述套筒设置于径向定子的外壁，且套筒的外径与第一永磁体环、第二永磁体环的外径相等，第一永磁体环设置于第一轴向定子与套筒之间的内腔内，第二永磁体环设置于第二轴向定子与套筒之间的内腔内，第一轴向定子的大圆环体与套筒之间存在第一辅助气隙，第二轴向定子的大圆环体与套筒之间存在第二辅助气隙。

作为本发明的一种优选方案，所述径向气隙与轴向气隙的宽度相等。

作为本发明的一种优选方案，所述第一辅助气隙与第二辅助气隙的宽度相等。

作为本发明的一种优选方案，所述第一永磁体环、第二永磁体环的充磁方向均为轴向充磁，且第一永磁体环的N极朝向第一轴向定子，S极朝向套筒，第二永磁体环的N极朝向第二轴向定子，S极朝向套筒。

作为本发明的一种优选方案，所述第一永磁体环产生的偏置磁场是从第一永磁体环的N极流出，经第一轴向定子、轴向气隙、转子、径向气隙、径向定子、套筒回到第一永磁体环的S极的磁回路；第二永磁体环产生的偏置磁场是从第二永磁体环的N极流出，经第二轴向定子、轴向气隙、转子、径向气隙、径向定子、套筒回到第二永磁体环的S极的磁回路。

作为本发明的一种优选方案，所述轴向控制绕组通电流，在第二轴向定子、第二辅助气隙、套筒、第一辅助气隙、第一轴向定子、轴向气隙、转子产生的磁回路为轴向控制磁场。

作为本发明的一种优选方案，所述径向控制绕组通电流，在径向定子、径向气隙、转子产生的磁回路为径向控制磁场。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明利用永磁体环在气隙中建立偏置磁场，利用径向定子与转子之间的相互作用实现转子在径向的稳定悬浮，利用轴向定子与转子之间的相互作用实现转子在轴向的稳定悬浮。减少了径向控制磁场对轴向磁场的影响。

附图说明

图1是本发明一种包围式永磁偏置轴向-径向磁悬浮轴承的结构及其磁路示意图。

图2是转子、径向定子沿轴向的剖面图。

图3是第一或第二轴向定子的主视图。

图4是第一或第二轴向定子沿轴向的剖面图。

其中，1-转轴，2-转子，31-第一轴向定子，32-第二轴向定子，311-大圆环体，312-圆盘，313-小圆环体，4-套筒，5-径向定子；51、52、53、54-径向定子铁心磁极，61-第一永磁体环、62-第二永磁体环，71、72-轴向控制绕组，81、82、83、84-径向控制绕组，91、92-偏置磁场，10-轴向控制磁场，11-径向控制磁场，12-轴向气隙，13-径向气隙，14-第一辅助气隙，15-第二辅助气隙。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，本发明的一种包围式永磁偏置轴向-径向磁悬浮轴承，包括转轴1，转子2，第一、第二轴向定子31、32，套筒4，径向定子5，第一、第二永磁体环61、62。其中径向定子5包括51、52、53、54-径向定子铁心磁极，径向控制绕组81、82、83、84。第一、第二轴向定子31、32均包括大圆环体311、圆盘312、小圆环体313，第二轴向定子32与第一轴向定子31相同。第一、第二轴向定子31、32与径向定子5之间的内腔内分别设置轴向控制绕组71、72；第一、第二轴向定子31、32在轴向上与转子2端面之间具有轴向气隙12；径向定子5的内腔壁向轴心处延伸出圆周方向均匀分布的多个径向定子铁心磁极，例如四个径向定子铁心磁极，四个相同的径向定子铁心磁极上分别绕有相同的径向控制绕组且在径向上与转子2的外壁之间均具有径向气隙13；在第一、第二轴向定子31、32与套筒4的内腔内分别设置轴向充磁的环形第一、第二永磁体环61、62，第一永磁体环61的N极朝向第一轴向定子31，第二永磁体环62的N极朝向第二轴向定子32，第一永磁体环61、第二永磁体环62的S极均朝向套筒4；套筒4设置在径向定子5的外壁。

如图2所示，径向定子5由四个相同的径向定子铁心磁极51、52、53、54联接而成。这四个相同的径向定子铁心磁极51、52、53、54是由径向定子5的内腔壁向轴心处延伸所得，并且沿径向定子5的圆周方向均匀分布。径向定子铁心磁极51、52、53、54在径向上与转子2的外壁之间留有径向气隙13。在径向定子铁心磁极51、52、53、54上分别绕制相同的径向控制绕组81、82、83、84。

如图3、图4所示，第一、第二轴向定子31、32均包括大圆环体311、圆盘312、小圆环体313，第二轴向定子32与第一轴向定子31相等，且小圆环体的内径与圆盘的内径相等，大圆环体在圆盘的内侧。小圆环体在轴向上面对转子2的端面，并且小圆环体313与转子2端面之间留有轴向气隙12。

本发明由两块永磁体环61、62产生偏置磁场91、92(图1中带箭头的实线磁路)，偏置磁场91、92从永磁体环61、62的N极流出，经轴向定子31、32、轴向气隙、转子2、径向气隙、径向定子5、套筒4回到永磁体环61、62的S极的磁回路，取代磁轴承采用电磁线圈产生偏置磁场，可明显降低功率损耗。

本发明给轴向控制绕组71、72通电流，在轴向定子32、第二辅助气隙15、套筒4、第一辅助气隙14、轴向定子31、轴向气隙、转子2产生的磁回路为轴向控制磁场(图1中经过轴向定子圆盘31、32带箭头的虚线磁路)，轴向控制磁场10在轴向气隙12中与偏置磁场91、92进行合成，调节轴向气隙12磁场的大小，从而调节轴向悬浮力的大小和方向，实现转子的稳定悬浮。

本发明给径向控制绕组(81、82、83、84)通电流，在径向定子5、径向气隙13、转子2产生的径向控制磁场11(图2中带箭头的虚线磁路)，径向控制磁场11在径向气隙13中与偏置磁场91、92进行合成，调节径向气隙13磁场的大小，从而调节径向悬浮力的大小和方向，实现转子的稳定悬浮。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种包围式永磁偏置轴向-径向磁悬浮轴承，其特征在于，包括转轴(1)、转子(2)、第一轴向定子(31)、第二轴向定子(32)、套筒(4)、径向定子(5)、第一永磁体环(61)、第二永磁体环(62)；所述转轴(1)的外壁中间位置设置有转子(2)，所述径向定子(5)设置于转子(2)的外侧，且正对于转子(2)，径向定子(5)包括多个相同的径向定子铁心磁极，多个径向定子铁心磁极沿径向定子(5)的圆周方向均匀分布，每个径向定子铁心磁极上绕制有相同的径向控制绕组，径向定子铁心磁极在径向上与转子(2)的外壁之间存在径向气隙；所述第一轴向定子(31)、第二轴向定子(32)结构相同，且对称设置于径向定子(5)的两侧，每个轴向定子均包括一个圆盘、一个大圆环体、一个小圆环体，圆盘朝向径向定子(5)一侧的径向方向上分别连接一个大圆环体和一个小圆环体，且小圆环体的内径与圆盘的内径相等，第一轴向定子(31)的大圆环体的外壁连接第一永磁体环(61)，第二轴向定子(32)的大圆环体的外壁连接第二永磁体环(62)，大圆环体的外径与永磁体环的内径相等，小圆环体在轴向上与转子(2)的端面相对，且小圆环体与转子(2)的端面之间存在轴向气隙，第一轴向定子(31)与径向定子(5)之间的内腔内设置有轴向控制绕组，第二轴向定子(32)与径向定子(5)之间的内腔内设置有轴向控制绕组；所述套筒(4)设置于径向定子(5)的外壁，且套筒(4)的外径与第一永磁体环(61)、第二永磁体环(62)的外径相等，第一永磁体环(61)设置于第一轴向定子(31)与套筒(4)之间的内腔内，第二永磁体环(62)设置于第二轴向定子(32)与套筒(4)之间的内腔内，第一轴向定子(31)的大圆环体与套筒(4)之间存在第一辅助气隙，第二轴向定子(32)的大圆环体与套筒(4)之间存在第二辅助气隙。

2.根据权利要求1所述包围式永磁偏置轴向-径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述径向气隙与轴向气隙的宽度相等。

3.根据权利要求1所述包围式永磁偏置轴向-径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一辅助气隙与第二辅助气隙的宽度相等。

4.根据权利要求1所述包围式永磁偏置轴向-径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一永磁体环(61)、第二永磁体环(62)的充磁方向均为轴向充磁，且第一永磁体环(61)的N极朝向第一轴向定子(31)，S极朝向套筒(4)，第二永磁体环(62)的N极朝向第二轴向定子(32)，S极朝向套筒(4)。

5.根据权利要求1所述包围式永磁偏置轴向-径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一永磁体环(61)产生的偏置磁场是从第一永磁体环(61)的N极流出，经第一轴向定子(31)、轴向气隙、转子(2)、径向气隙、径向定子(5)、套筒(4)回到第一永磁体环(61)的S极的磁回路；第二永磁体环(62)产生的偏置磁场是从第二永磁体环(62)的N极流出，经第二轴向定子(32)、轴向气隙、转子(2)、径向气隙、径向定子(5)、套筒(4)回到第二永磁体环(62)的S极的磁回路。

6.根据权利要求1所述包围式永磁偏置轴向-径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述轴向控制绕组通电流，在第二轴向定子(32)、第二辅助气隙、套筒(4)、第一辅助气隙、第一轴向定子(31)、轴向气隙、转子(2)产生的磁回路为轴向控制磁场。

7.根据权利要求1所述包围式永磁偏置轴向-径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述径向控制绕组通电流，在径向定子(5)、径向气隙、转子(2)产生的磁回路为径向控制磁场。

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