CN111043156B - 新结构交叉齿四极混合磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新结构交叉齿四极混合磁轴承，包括定子、转子。定子包括两片控制铁心和在两片控制铁心内侧的轴向磁化永磁环；控制铁心沿内圆周均匀分布四个悬浮齿，左、右侧控制铁心上的两个悬浮齿A、B和C、D向内弯曲，每个悬浮齿上均绕制集中式控制绕组；所述转子包括左转子铁心、右转子铁心与转轴；左侧控制铁心上悬浮齿A、B、右侧控制铁心上悬浮齿R、S与右转子铁心径向共面；右控制铁心上悬浮齿C、D、左控制铁心上悬浮齿E、F与左转子铁心径向共面。本发明由永磁环给控制铁心提供静态偏置磁通，径向控制绕组通电产生的径向控制磁通仅在各自的控制铁心内形成闭合路径，x‑y方向悬浮力控制无耦合，径向悬浮力大，控制简单。

Description

新结构交叉齿四极混合磁轴承

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮磁轴承，特指一种新结构交叉齿四极混合磁轴承，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，磁轴承按照磁力提供的方式分为以下三种：（1）主动磁轴承，由偏置电流产生偏置磁场，控制电流产生的控制磁通与偏置磁通相互叠加，从而产生可控的悬浮力，该种磁轴承体积、重量和功耗都比较大；（2）被动磁轴承，悬浮力完全由永磁体提供，所需的控制器简单，悬浮功耗小，但是刚度和阻尼都较小，一般运用于仅在一个方向上支撑物体或者是减轻作用在传统轴承上的负荷；（3）混合磁轴承，是采用永磁材料替代主动磁轴承中的电磁铁来产生偏置磁场，控制电流仅提供平衡负载或干扰的控制磁通，大大降低了磁轴承的功率损耗，缩小了磁轴承的体积，减轻其重量，并提高了承载能力。

现有的混合磁轴承结构共性都是径向所有悬浮齿在同一平面的单片结构设计，径向悬浮齿绕制控制绕组产生径向控制磁通，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径向两自由度悬浮在单片中实现，特别是在转子发生偏移时，径向x-y方向悬浮力耦合严重，控制复杂。

发明内容

本发明的目的是提出一种新结构交叉齿四极混合磁轴承，采用交叉齿的特殊设计，实现x-y方向悬浮力无耦合，控制简单，结构紧凑，制造与装配方便且径向悬浮力大。

本发明通过以下技术方案实现：

一种新结构交叉齿四极混合磁轴承，包括定子和位于定子内圈的转子，所述定子包括左控制铁心、右控制铁心和位于两者之间的轴向磁化的永磁环，所述转子包括左转子铁心、右转子铁心与转轴，所述转轴贯穿于左、右转子铁心内；所述左控制铁心沿其内圆周均匀分布四个悬浮齿，记为悬浮齿A、悬浮齿B、悬浮齿E、悬浮齿F，所述右控制铁心上与所述左控制铁心上悬浮齿对应位置亦均匀分布四个悬浮齿，记为悬浮齿C、悬浮齿D、悬浮齿S、悬浮齿R，每个悬浮齿上均绕制集中式控制绕组，所述悬浮齿A、悬浮齿B以及悬浮齿C、悬浮齿D均向内弯曲，所述悬浮齿A、B以及悬浮齿S、R，其靠近右转子铁心一端面与所述右转子铁心圆周面弧度匹配、与所述右转子铁心轴向宽度相同且位置正对；所述悬浮齿C、D以及悬浮齿E、F，其靠近左转子铁心一端面与所述左转子铁心圆周面弧度匹配、与所述左转子铁心轴向宽度相同且位置正对。

进一步地，所述悬浮齿A、悬浮齿B上均开有槽孔，所述悬浮齿C、悬浮齿D分别插入悬浮齿A、悬浮齿B的槽孔中形成交叉齿结构；或所述悬浮齿A、悬浮齿D上均开有槽孔，所述悬浮齿C、悬浮齿B分别插入悬浮齿A、悬浮齿D的槽孔中形成交叉齿结构；或所述悬浮齿B、悬浮齿C上均开有槽孔，所述悬浮齿A、悬浮齿D分别插入悬浮齿B、悬浮齿C的槽孔中形成交叉齿结构；或所述悬浮齿C、悬浮齿D上均开有槽孔，所述悬浮齿A、悬浮齿B分别插入悬浮齿C、悬浮齿D的槽孔中形成交叉齿结构。

进一步地，所述悬浮齿A、B、悬浮齿S、R与右转子铁心间形成的径向气隙长度与所述悬浮齿C、D、悬浮齿E、F与左转子铁心间形成的径向气隙长度相等。

进一步地，每侧控制铁心上相对的悬浮齿上控制绕组同向串联，两侧控制铁心上对应的悬浮齿上控制绕组反向串联。

进一步地，所述左控制铁心、右控制铁心、左转子铁心、右转子铁心由导磁材料制成。

进一步地，所述轴向磁化永磁环为稀土永磁材料制成。

有益效果：

1、本发明提出一种新结构交叉齿四极混合磁轴承，采用交叉齿的特殊设计，实现x-y方向悬浮力无耦合，控制简单，且径向悬浮力大。

2、两片控制铁心上的控制绕组产生的控制磁通经过各自控制铁心形成闭合路径，x-y方向控制磁路无耦合。

附图说明

图1为本发明新结构交叉齿四极混合磁轴承三维结构图。

1-左控制铁心，101-悬浮齿A，102-悬浮齿B，103-悬浮齿E，104-悬浮齿F，2-右控制铁心，201-悬浮齿C，202-悬浮齿D，203-悬浮齿S，204-悬浮齿R，3-永磁环，4-左转子铁芯，5-右转子铁心，6-转轴，7-控制绕组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体介绍。

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“安装”、“相连”、“连接”、“固定”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。

具体实施方式如图1所示，本发明一种新结构交叉齿四极混合磁轴承，包括定子、和位于定子内圈的转子。定子包括左控制铁心1、右控制铁心2和轴向磁化永磁环3，转子包括左转子铁心4、右转子铁心5与转轴6。

永磁环3设置在左控制铁心1与右控制铁心2之间，三者外径相同。转轴6贯穿于左转子铁心4与右转子铁心5内，左转子铁心4、右转子铁心5分别与左控制铁心1、右控制铁心2位置正对且位于左控制铁心1、右控制铁心2内部。左控制铁心1沿其内圆周均匀分布四个悬浮齿，分别记为悬浮齿A101、悬浮齿B102、悬浮齿E103、悬浮齿F104，右控制铁心2上与左控制铁心1上悬浮齿对应位置亦均匀分布四个悬浮齿，记为悬浮齿C201、悬浮齿D202、悬浮齿S203、悬浮齿R204，每个悬浮齿上均绕制一个集中式控制绕组7，左控制铁心1上相对的两个悬浮齿：悬浮齿A、悬浮齿B以及右控制铁心2上对应的悬浮齿C、悬浮齿D均向内弯曲，而悬浮齿E103与悬浮齿F104、悬浮齿S203与悬浮齿R204不弯曲。悬浮齿A101、悬浮齿B102以及悬浮齿S203、悬浮齿R204 这4个悬浮齿在靠近右转子铁心5一端面与右转子铁心5圆周面弧度匹配、并且这4个悬浮齿与右转子铁心5轴向宽度相同且位置正对。悬浮齿C201、D202以及悬浮齿E103、F104这4个悬浮齿靠近左转子铁心4一端面与左转子铁心4圆周面弧度匹配、且与左转子铁心4轴向宽度相同且位置正对。

为了实现上述悬浮齿交叉问题，我们可以在悬浮齿A101、悬浮齿B102上均开有槽孔，悬浮齿C201、悬浮齿D202分别插入悬浮齿A101、悬浮齿B102的槽孔中形成交叉齿结构。或者在悬浮齿A101、悬浮齿D202上均开有槽孔，悬浮齿C201、悬浮齿B102分别插入悬浮齿A101、悬浮齿D202的槽孔中形成交叉齿结构。或者在悬浮齿B102、悬浮齿C201上均开有槽孔，悬浮齿A101、悬浮齿D202分别插入悬浮齿B102、悬浮齿C201的槽孔中形成交叉齿结构。或者在悬浮齿C201、悬浮齿D202上均开有槽孔，悬浮齿A101、悬浮齿B102分别插入悬浮齿C201、悬浮齿D202的槽孔中形成交叉齿结构。这样可以达到悬浮齿A101和悬浮齿B102与右转子铁心5正对，悬浮齿C201和悬浮齿D202与左转子铁心4正对。

轴向永磁环3的磁化方向为左侧N极，右侧S极，在左控制铁心1和右控制铁心2上产生的经过悬浮齿A101、悬浮齿B102，径向气隙（浮齿A101、悬浮齿B102、悬浮齿S203、悬浮齿R204与右转子铁心之间形成的径向气隙）和悬浮齿R203、悬浮齿S204的偏置磁通，以及经过悬浮齿E103、悬浮齿F104，径向气隙（悬浮齿E103、悬浮齿F104、悬浮齿C201、悬浮齿D202与左转子铁心4之间形成的径向气隙）和悬浮齿C201、悬浮齿D202的偏置磁通。

右转子铁心5和悬浮齿A101、悬浮齿B102形成的径向气隙处偏置磁通方向指向右转子铁心5的圆心，右转子铁心5和悬浮齿S203、悬浮齿R204形成的径向气隙处偏置磁通方向背离右转子铁心5的圆心。左转子铁心4和悬浮齿E103、悬浮齿F104形成的径向气隙处偏置磁通方向指向左转子铁心4的圆心，左转子铁心4和悬浮齿C201、悬浮齿D202形成的径向气隙处偏置磁通方向背离左转子铁心4的圆心。

每片控制铁心上相对的悬浮齿上控制绕组同向串联，并与另一侧控制铁心上对应的悬浮齿上控制绕组反向串联。（左控制铁心1上的悬浮齿A101与悬浮齿B102同向串联，悬浮齿E103与悬浮齿F104同向串联；右控制铁心2上的悬浮齿C与悬浮齿D同向串联，悬浮齿S203与悬浮齿R204同向串联；悬浮齿A101与悬浮齿C201反向串联、悬浮齿B与悬浮齿D反向串联；悬浮齿E103与悬浮齿S203反向串联、悬浮齿F104与悬浮齿R204反向串联）径向控制绕组7产生的径向控制磁通，分别通过每片定子铁心轭部，定子铁心上的相对的悬浮齿，分别和转子铁心形成闭合回路。悬浮力是由悬浮磁通和偏置磁通相互叠加，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。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种新结构交叉齿四极混合磁轴承，包括定子和位于定子内圈的转子，其特征在于，所述定子包括左控制铁心、右控制铁心和位于两者之间的轴向磁化的永磁环，所述转子包括左转子铁心、右转子铁心与转轴，所述转轴贯穿于左、右转子铁心内；所述左控制铁心沿其内圆周均匀分布四个悬浮齿，记为悬浮齿A、悬浮齿B、悬浮齿E、悬浮齿F，所述右控制铁心上与所述左控制铁心上悬浮齿对应位置亦均匀分布四个悬浮齿，记为悬浮齿C、悬浮齿D、悬浮齿S、悬浮齿R，每个悬浮齿上均绕制集中式控制绕组，所述悬浮齿A、悬浮齿B以及悬浮齿C、悬浮齿D均向内弯曲，所述悬浮齿A、B以及悬浮齿S、R，其靠近右转子铁心一端面与所述右转子铁心圆周面弧度匹配、与所述右转子铁心轴向宽度相同且位置正对；所述悬浮齿C、D以及悬浮齿E、F，其靠近左转子铁心一端面与所述左转子铁心圆周面弧度匹配、与所述左转子铁心轴向宽度相同且位置正对；

所述悬浮齿A、悬浮齿B上均开有槽孔，所述悬浮齿C、悬浮齿D分别插入悬浮齿A、悬浮齿B的槽孔中形成交叉齿结构；或所述悬浮齿A、悬浮齿D上均开有槽孔，所述悬浮齿C、悬浮齿B分别插入悬浮齿A、悬浮齿D的槽孔中形成交叉齿结构；或所述悬浮齿B、悬浮齿C上均开有槽孔，所述悬浮齿A、悬浮齿D分别插入悬浮齿B、悬浮齿C的槽孔中形成交叉齿结构；或所述悬浮齿C、悬浮齿D上均开有槽孔，所述悬浮齿A、悬浮齿B分别插入悬浮齿C、悬浮齿D的槽孔中形成交叉齿结构；

所述左控制铁心、右控制铁心、左转子铁心、右转子铁心由导磁材料制成；

所述轴向磁化永磁环为稀土永磁材料制成。

2.根据权利要求1所述的新结构交叉齿四极混合磁轴承，其特征在于，所述悬浮齿A、B、悬浮齿S、R与右转子铁心间形成的径向气隙长度与所述悬浮齿C、D、悬浮齿E、F与左转子铁心间形成的径向气隙长度相等。

3.根据权利要求1或2所述的新结构交叉齿四极混合磁轴承，其特征在于，每侧控制铁心上相对的悬浮齿上控制绕组同向串联，两侧控制铁心上对应的悬浮齿上控制绕组反向串联。