CN111022498A - 径向无绕组混合磁轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及非机械接触磁轴承领域，公开一种径向无绕组混合磁悬浮轴承，包括定子和位于定子内圈的转子。所述定子是由从左到右依次排列的左侧外导磁环、四个左侧弧形铁心、左侧定子铁心、定子永磁环、右侧定子铁心、与左侧弧形铁心个数相同且位置对应的右侧弧形铁心和右侧外导磁环组成的整体；所述转子包括左转子铁心、转子永磁环、右转子铁心与转轴。本发明由定子永磁环和转子永磁环共同作用提供静态偏置磁通，控制绕组通电产生的控制磁通调节相应的偏置磁通；该结构的混合磁轴承径向磁极无绕组，磁极面积可以设计到最大，有效增大了径向承载力，结构紧凑，装配方便。
Description
技术领域
本发明涉及非机械接触磁轴承领域，特指一种径向无绕组混合磁轴承，可作为飞轮系统、机床电主轴、离心机等高速传动部件的无接触悬浮支承。
背景技术
磁轴承是利用定子和转子之间的电磁力将转子悬浮于空间，使定、转子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承。目前，磁轴承按照控制电流类型分为交流式与直流式。交流式磁轴承采用三相逆变器驱动的三极磁轴承，减小了功率放大器体积和磁轴承的成本，但是三极结构在空间上不对称，并且要求三相逆变器三相电流和为零，使悬浮力在径向两自由度的最大悬浮力不等；此外，三极交流式磁轴承悬浮力与电流、位移之间的非线性严重，径向两个自由度存在耦合。直流式磁轴承一般为八极或者四极结构，该结构的磁轴承径向二自由度需要四路单极性或两路双极性直流功率，性能优越。
现有的四极混合磁轴承结构共性都是径向定子磁极绕制控制绕组产生径向控制磁通，径向控制磁通经过径向工作气隙，与相应的偏置磁通相互作用产生径向悬浮力。该结构的混合磁轴承轴径向控制绕组占用径向空间，径向磁极面积无法做到最大，径向承载力小，轴向长度较长、临界转速低。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种径向无绕组混合磁轴承，径向磁极无绕组，磁极面积可以设计到最大，有效增大了径向承载力和降低制造和装配难度，结构紧凑，悬浮力密度大。
技术方案：本发明提供了一种径向无绕组混合磁轴承，包括定子和位于定子内圈的转子，所述定子是由从左到右依次排列的左侧外导磁环、四个等距离分布于圆周边的尺寸相同的左侧弧形铁心、左侧定子铁心、定子永磁环、右侧定子铁心、与所述左侧弧形铁心对称设置的右侧弧形铁心以及右侧外导磁环组成的整体；所述左、右侧定子铁心分别由四个相同的隔磁铝块沿圆周均匀的分成四块；所述定子永磁环与左、右侧定子铁心外径均相同；左、右侧外导磁环分别通过左、右侧弧形铁心与左、右侧定子铁心相连；左、右侧弧形铁心分别位于左、右侧径向相邻的两个隔磁铝块之间且其上均绕制集中式控制绕组；
所述转子包括从左到右依次排列的左转子铁心、转子永磁环、右转子铁心与转轴；所述左、右转子铁心分别与左、右侧定子铁心位置相对且等宽的转子铁心部分分别设有凸出的左、右吸力盘，所述左、右吸力盘分别与左、右侧定子铁心形成左、右径向气隙，所述转轴贯穿于左、右转子铁心与转子永磁环上。
进一步地，所述控制绕组用于悬浮控制，左侧和右侧相对的两极绕组分别反向串联或并联，控制径向四自由度；左侧和右侧相对的两极绕组分别反向串联或并联后，左侧和右侧同位置的绕组再同向串联或并联，控制径向两自由度。
进一步地，左、右侧定子铁心、四个左侧弧形铁心、四个右侧弧形铁心，左、右侧外导磁环、左、右转子铁心均由导磁材料制成。
进一步地，所述定子永磁环和转子永磁环为稀土永磁材料制成。
进一步地，所述左吸力盘、右吸力盘与左、右径向定子铁心轴向长度相等。
有益效果：
1、本发明径向无绕组混合磁轴承磁极面积可以设计到最大，有效增大了径向承载力和降低制造和装配难度，结构紧凑，悬浮力密度大。
2、本发明定子中采用四个左、右侧弧形铁心，其为四极直流式混合磁轴承。
附图说明
图1为本发明径向无绕组混合磁轴承结构示意图；
图2为本发明径向无绕组混合磁轴承悬浮磁通图；
图3为本发明径向无绕组混合磁轴承左侧弧形铁心左视图。
1-左侧外导磁环，2-左侧弧形铁心，3-控制绕组，4-左侧定子铁心，5-定子永磁环，6-右侧定子铁心，7-右侧弧形铁心，8-右侧外导磁环，9-隔磁铝块，10-左转铁心，11-右转子铁心，12-左吸力盘，13-右吸力盘，14-转子永磁环，15-转轴，16-左径向气隙，17-右径向气隙，18-径向悬浮控制磁通，19-静态偏置磁通。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、 “顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明 的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明涉及非机械接触磁轴承领域，公开了一种径向无绕组混合磁轴承，在本实施方式中，包括定子和位于定子内圈的转子，定子是由从左到右依次排列的左侧外导磁环1、四个等距离分布于圆周边的尺寸相同的左侧弧形铁心2、左侧定子铁心4、定子永磁环5、右侧定子铁心6、与左侧弧形铁心2对称设置的右侧弧形铁心7以及右侧外导磁环8组成的整体。本实施方式定子中采用四个弧形铁心2等距离分布形成一个圆环，形成四极直流式无绕组混合磁轴承。
左侧定子铁心4、右侧定子铁心6分别由与4个隔磁铝块9沿圆周均匀的分成多块，注意：相邻的两个隔磁铝块9之间形成的弧状定子铁心与对应的左侧弧形铁心2、右侧弧形铁心7一一对应。定子永磁环5与左侧定子铁心4、右侧定子铁心6外径均相同。左侧外导磁环1通过左侧弧形铁心2与左侧定子铁心4相连。右侧外导磁环8分别通过右侧弧形铁心7与右侧定子铁心6相连。左侧弧形铁心2位于左侧径向相邻的两个隔磁铝块9之间，右侧弧形铁心7位于右侧径向相邻的两个隔磁铝块9之间。左侧弧形铁心2与右侧弧形铁心7上均绕制集中式控制绕组3。
转子包括从左到右依次排列的左转子铁心10、转子永磁环14、右转子铁心11与转轴15。
左、右转子铁心分别与左、右侧定子铁心位置相对且等宽的转子铁心部分分别设有凸出的左、右吸力盘，参见附图1，左侧定子铁心4、右侧定子铁心7为圆环中空设计，左转子铁心10与左侧定子铁心4位置正对，在左转子铁心10的外表面设置一个左吸力盘12，左吸力盘12的宽度与左侧定子铁心4的宽度相同，左吸力盘12与左侧定子铁心内环表面形成左径向气隙16。右转子铁心11与右侧定子铁心6位置正对，在右转子铁心11的外表面设置一个右吸力盘13，右吸力盘13的宽度与右侧定子铁心6的宽度相同，右吸力盘13与右侧定子铁心6内环表面形成右径向气隙17。而转轴15贯穿于左转子铁心10、右转子铁心11与转子永磁环15上，起支撑作用。
控制绕组3用于悬浮控制，左侧和右侧相对的两极绕组分别反向串联或并联，控制径向四自由度；左侧和右侧相对的两极绕组分别反向串联或并联后，左侧和右侧同位置的绕组再同向串联或并联，控制径向两自由度。
左侧定子铁心4、右侧定子铁心6、八个弧形铁心（4个左侧弧形铁心2与4个右侧弧形铁心7）、左侧外导磁环1、右侧外导磁环8、左转子铁心10、右转子铁心11均由整块导磁材料制成。定子永磁环5和转子永磁环14为稀土永磁材料制成。
定子永磁环5和转子永磁环14提供静态偏置磁通19，静态偏置磁通19的磁路为：磁通从定子永磁环5的N极出发，通过右侧定子铁心6、右径向气隙17、转子永磁环14的S极、转子永磁环14的N极、左径向气隙16、左侧定子铁心4，回到定子永磁环5的S极。
假设附图1中左侧弧形铁心左视图参见附图3，4个左侧弧形铁心分别标记为：2d，2e，2f，2g。
左侧弧形铁心2d上绕制的径向控制绕组3通电产生的径向悬浮控制磁通18，其磁路为：左侧弧形铁心2d、左侧外导磁环1、左侧弧形铁心2f、左侧定子铁心4、左径向气隙16、左吸力盘12、左径向气隙16、左侧定子铁心4形成闭合路径。
悬浮原理：径向由静态偏置磁通19与径向悬浮控制磁通18相互作用，使得与转子径向偏心方向相同一侧气隙磁场叠加减弱，而相反方向气隙磁场叠加增强，在转子上产生与转子偏移方向相反的力，将转子拉回径向平衡位置。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种径向无绕组混合磁轴承，包括定子和位于定子内圈的转子，其特征在于，
所述定子是由从左到右依次排列的左侧外导磁环、四个等距离分布于圆周边的尺寸相同的左侧弧形铁心、左侧定子铁心、定子永磁环、右侧定子铁心、与所述左侧弧形铁心对称设置的右侧弧形铁心以及右侧外导磁环组成的整体；所述左、右侧定子铁心分别由四个相同的隔磁铝块沿圆周均匀的分成四块；所述定子永磁环与左、右侧定子铁心外径均相同；左、右侧外导磁环分别通过左、右侧弧形铁心与左、右侧定子铁心相连；左、右侧弧形铁心分别位于左、右侧径向相邻的两个隔磁铝块之间且其上均绕制集中式控制绕组；
所述转子包括从左到右依次排列的左转子铁心、转子永磁环、右转子铁心与转轴；所述左、右转子铁心分别与左、右侧定子铁心位置相对且等宽的转子铁心部分分别设有凸出的左、右吸力盘，所述左、右吸力盘分别与左、右侧定子铁心形成左、右径向气隙，所述转轴贯穿于左、右转子铁心与转子永磁环上。
2.根据权利要求1所述的径向无绕组混合磁轴承，其特征在于，所述控制绕组用于悬浮控制，左侧和右侧相对的两极绕组分别反向串联或并联，控制径向四自由度；左侧和右侧相对的两极绕组分别反向串联或并联后，左侧和右侧同位置的绕组再同向串联或并联，控制径向两自由度。
3.根据权利要求1所述的径向无绕组混合磁轴承，其特征在于，左、右侧定子铁心、四个左侧弧形铁心、四个右侧弧形铁心，左、右侧外导磁环、左、右转子铁心均由导磁材料制成。
4.根据权利要求1所述的径向无绕组混合磁轴承，其特征在于，所述定子永磁环和转子永磁环为稀土永磁材料制成。
5.根据权利要求1所述的径向无绕组混合磁轴承，其特征在于，所述左吸力盘、右吸力盘与左、右径向定子铁心轴向长度相等。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20200417 Assignee: Shanghai Yanqiao Information Technology Co.,Ltd. Assignor: HUAIYIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980047724 Denomination of invention: Radial Windless Hybrid Magnetic Bearing Granted publication date: 20230929 License type: Common License Record date: 20231121 |