CN111140596A - 新结构同极性四极磁轴承 - Google Patents

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叶小婷
王紫欣
陈杰
张涛
武莎莎
鲁庆
莫丽红
丁祖军
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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Abstract

本发明公开一种新结构同极性四极磁轴承，包括定子和位于定子内圈的转子。定子为轴向对称结构，包括左X定子铁心，左Y定子铁心，右X定子铁心，右Y定子铁心，转子包括转子铁心与转轴；左、右X定子铁心以及左、右Y定子铁心均分别通过插入四个轴向磁化方向相同的永磁体的连接体相连，左、右X定子铁心沿内圆周均匀分布一对悬浮齿；左、右Y定子铁心沿内圆周均匀分布一对悬浮齿；悬浮齿为曲折型结构，左、右两侧悬浮齿分别径向共面，悬浮齿与转子铁心间形成气隙长度相等的径向气隙其上绕制集中式径向控制绕组。本发明X和Y方向悬浮独立设计，实现悬浮力在X‑Y方向无耦合，永磁体位于轴向，不占用径向空间，径向悬浮力大。

Description

新结构同极性四极磁轴承
技术领域
本发明涉及一种非机械接触磁轴承，特指一种新结构同极性四极磁轴承，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。随着高磁能积稀土永磁材料的涌现，为了充分利用永磁材料提供的磁能，出现了永磁偏置磁轴承，其励磁绕组中只有控制电流，不需要偏置电流，可以明显降低磁轴承的损耗和功放电路的功耗。目前，永磁偏置磁轴承按偏置磁通在定子磁极上形成的磁极异同可分为异极性和同极性磁轴承：（1）异极性磁轴承，永磁体在磁极上产生的磁极性相异，极性交替排列，偏置磁通和控制磁通在一个平面上流通；（2）同极性磁轴承，永磁体在定子磁极上产生的磁极性相同，偏置磁通和控制磁通的流通路径不在一个平面上，这类磁轴承转子铁心上的磁滞损耗较小，控制简单，在动量飞轮、飞轮储能等高速场合已有较为广泛的应用。
现有的同极性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，导致悬浮力在X-Y方向存在耦合，控制复杂。
发明内容
本发明的目的是提出一种新结构同极性四极磁轴承结构，采用多片式结构，X-Y两个方向的悬浮分别由独立的定子铁心实现，悬浮力在X-Y方向无耦合，控制简单。
本发明通过以下技术方案实现：
一种新结构同极性四极磁轴承，包括定子和位于定子内圈的转子，所述定子为轴向对称结构，包括从左到右依次排列的左X定子铁心、左Y定子铁心、右X定子铁心、右Y定子铁心；所述转子包括转子铁心与转轴，所述转轴贯穿于转子铁心内；
所述左、右X定子铁心分别通过一对插入了轴向磁化方向相同的永磁体的连接体相连，左、右Y定子铁心分别通过另一对插入了相同结构且轴向磁化方向相同的永磁体的连接体相连；所述左X定子铁心沿内圆周且与+x轴和-x轴方向对称位置均匀分布一对悬浮齿；所述左Y定子铁心沿内圆周且与+y轴和-y轴方向对称位置亦均匀分布一对悬浮齿；所述右X定子铁心、右Y定子铁心上与所述左X定子铁心、左Y定子铁心对称位置设置有相同的悬浮齿；
所述悬浮齿均为曲折型结构，所述左X定子铁心与左Y定子铁心上的四个悬浮齿靠近转子铁心一端面轴向宽度相同、径向共面且其与所述转子铁心圆周面弧度匹配；所述右X定子铁心与右Y定子铁心上的四个悬浮齿靠近转子铁心一端面轴向宽度、径向共面且其与所述转子铁心圆周面弧度匹配；所述悬浮齿与转子铁心间形成了气隙长度相等的径向气隙，所述悬浮齿上均绕制集中式径向控制绕组。
进一步地，左、右Y定子铁心的外径小于左、右X定子铁心的内径，且两者相差大于两个径向气隙长度。
进一步地，所述4个连接体均为弧形，其径向尺寸相同，分别位于外径与所述左、右X定子铁心外径相同的圆环上，所述用于连接左、右Y定子铁心的一对连接体靠近圆心的内表面的两端均分别设置有端接部分，所述左Y定子铁心通过4个端接部分与所述右Y定子铁心连接。
进一步地，所述左X定子铁心、左Y定子铁心、右X定子铁心、Y定子铁心、连接体、端接部分和转子铁心由导磁材料制成。
进一步地，所述永磁体为稀土永磁材料制成。
进一步地，所述转轴为非导磁性材料。
有益效果：
1、本发明采用多片式结构，X-Y两个方向的悬浮分别由独立的定子铁心实现，将悬浮齿设计成曲折型结构，使X方向与Y方向的4个悬浮齿径向共面，悬浮力在X-Y方向无耦合，控制简单。
2、本发明为了保证4个永磁体尺寸相同，在用于连接外径较小的左Y定子铁心与右Y定子铁心的连接体两端固定有端接部分，通过端接部分连接两者，这样可以保证这两个连接体与另外两个用于连接左X定子铁心、右X定子铁心的连接体的径向尺寸相同，这样就可以保证4个永磁体的尺寸相同。
附图说明
图1为本发明一种新结构同极性四极磁轴承结构图；
图2为本发明新结构同极性四极磁轴承左X定子铁心、右X定子铁心横向剖面图；
图3为本发明新结构同极性四极磁轴承悬浮磁通图。
1-左X定子铁心，101-悬浮齿Al，102-悬浮齿Bl，2-左Y定子铁心，201-悬浮齿Cl，202-悬浮齿Dl，3-右Y定子铁心，301-悬浮齿Cr，302-悬浮齿Dr，4-右X定子铁心，401-悬浮齿Ar，402-悬浮齿Br，5-永磁体Ex，6-永磁体Fx，7-永磁体Ey，8-永磁体Fy，9-第一连接体，10-第二连接体，11-第三连接体，12-第四连接体，13-第一端接部分，14-第二端接部分，15-第三端接部分，16-第四端接部分，17-径向控制绕组，18-转子铁心，19-转轴，20-径向气隙，21-静态偏置磁通，22-X方向径向控制磁通，23-Y方向径向控制磁通。
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。
具体结构如图1-3所示，本发明公开的一种四自由度异极性多片结构磁轴承，包括定子和位于定子内圈的转子。
定子为轴向对称结构，包括从左到右依次排列的左X定子铁心1、左Y定子铁心2、右X定子铁心4、右Y定子铁心3。转子包括转子铁心18与转轴19。转子铁心18为圆柱形结构，其内部贯穿转轴19，转子铁心18的轴向宽度较长。该磁轴承还包括四个永磁体，四个永磁体为带弧度的片状磁体，参见附图1。4个永磁体均插入连接体中，其插入连接体中间且竖直设置，4个永磁体尺寸相同，分别记为永磁体Ex5，永磁体Fx6，永磁体Ey7，永磁体Fy8，其均为轴向磁化，磁化方向相同，参见附图1。
4个连接体均为弧形，其径向尺寸相同，轴向尺寸不同，第三连接体11和第四连接体12的轴向长度比第一连接体9和第二连接体10短，分别位于外径与左X定子铁心1和右X定子铁心4外径相同的圆柱环上。
左X定子铁心1和右X定子铁心4通过第一连接体9和第二连接体10相连，第一连接体9和第二连接体10的两端均固定在左X定子铁心1和右X定子铁心4上，第一连接体9和第二连接体10正对设置，4个连接体的弧形厚度与左X定子铁心1、右X定子铁心4、左Y定子铁心2以及右Y定子铁心的圆环厚度相同。
第三连接体11与第四连接体12位于上下位置，且正对设置，因为左Y定子铁心2、右Y定子铁心3的尺寸相同，左X定子铁心1和右X定子铁心4的尺寸相同，左Y定子铁心2、右Y定子铁心3的外径小于左X定子铁心1和右X定子铁心4的内径，为了确保4个永磁体的尺寸相同，需要4个连接体的尺寸相同，那么就需要4个连接体位于同一个圆环上且尺寸相同，这样的话，左Y定子铁心2与右Y定子铁心3就不能通过第三连接体11和第四连接体12进行连接，为了解决这一问题，在第三连接体11与第四连接体12的两端都增加一个端接部分，参见附图1，第三连接体11的两端固定有两个端接部分，分别为第一端接部分13、第二端接部分14，第四连接体12的两端固定有两个端接部分，分别为第三端接部分15、第四端接部分16，4个端接部分为弧形的片状结构，其弧度与连接体的弧度相同。其固定在第三连接体11与第四连接体12的内表面上，这样左Y定子铁心2和右Y定子铁心3通过4个端接部分进行连接。
左X定子铁心1沿内圆周均匀分布悬浮齿Al101和悬浮齿Bl102，右X定子铁心4沿内圆周均匀分布悬浮齿Ar401和悬浮齿Br402，分别与+x轴和-x轴方向对齐，即悬浮齿Al101和悬浮齿Bl102两者连线经过圆环中心，悬浮齿Ar401、悬浮齿Br402设置在与悬浮齿Al101、悬浮齿Bl102对应的位置。
左Y定子铁心2沿内圆周均匀分布悬浮齿Cl201和悬浮齿Dl202，右Y定子铁心3沿内圆周均匀分布悬浮齿Cr301和悬浮齿Dr302，分别与+y轴和-y轴方向对齐，即悬浮齿Cl201和悬浮齿Dl202两者连线经过圆环中心，且悬浮齿Cl201和悬浮齿Dl202两者连线垂直于悬浮齿Al101和悬浮齿Bl102两者连线。悬浮齿Cr301、悬浮齿Dr302设置在与悬浮齿Cl201、悬浮齿Dl202对应的位置。
8个悬浮齿均为曲折型结构，左X定子铁心1与左Y定子铁心2上的四个悬浮齿（悬浮齿Al、悬浮齿Bl、悬浮齿Cl、悬浮齿Dl）靠近转子铁心18一端面轴向宽度相同、径向共面且其与转子铁心18圆周面弧度匹配。右X定子铁心3与右Y定子铁心4上的四个悬浮齿（Ar、Br、Cr、Dr）靠近转子铁心18一端面轴向宽度、径向共面且其与转子铁心18圆周面弧度匹配。
左侧的4个悬浮齿（悬浮齿Al、悬浮齿Bl、悬浮齿Cl、悬浮齿Dl）与转子铁心18之间、右侧4个悬浮齿（悬浮齿Ar、悬浮齿Br、悬浮齿Cr、悬浮齿Dr）与转子铁心18之间均形成径向气隙20，且形成的径向气隙20长度相等。左、右Y定子铁心（2、3）的外径小于左、右X定子铁心（1、4）的内径，并且两者相差大于两个径向气隙20长度。每个悬浮齿（悬浮齿Al、悬浮齿Bl、悬浮齿Cl、悬浮齿Dl、悬浮齿Ar、悬浮齿Br、悬浮齿Cr、悬浮齿Dr）上均绕制集中式径向控制绕组17。
本实施方式中，左X定子铁心1、右X定子铁心4、左Y定子铁心2、右Y定子铁心3、4个连接体（第一连接体9、第二连接体10、第三连接体11、第四连接体12）、4个端接部分（第一端接部分13、第二端接部分14、第三端接部分15、第四端接部分16）和转子铁心18均由导磁材料制成。四个永磁体（永磁体Ex5，永磁体Fx6，永磁体Ey7，永磁体Fy8）为稀土永磁材料制成。转轴19为非导磁性材料。
4个永磁体（永磁体Ex5，永磁体Fx6，永磁体Ey7，永磁体Fy8）产生的静态偏置磁通21，参见附图3，从永磁体Ey7、永磁体Fy8N极出发，经过第三连接体11、第四连接体12，第一端接部分13、第三端接部分15，悬浮齿Cl201、悬浮齿Dl202，径向气隙20，转子铁心18，径向气隙20，再经过悬浮齿Cr、悬浮齿Dr，第二端接部分14、第四端接部分16，第三连接体11、第四连接体12，回到永磁体Ey7、永磁体Fy8的S极；永磁体Ex5，永磁体Fx6N极出发，经过第一连接体9、第二连接体10，悬浮齿Al、悬浮齿Bl，径向气隙20，转子铁心18，径向气隙20，悬浮齿Ar、悬浮齿Br，第一连接体9、第二连接体10，回到永磁体Ex5，永磁体Fx6的S极。
绕制在悬浮齿Al101、悬浮齿Bl102，悬浮齿Ar401、悬浮齿Br402的径向控制绕组17产生的X方向径向控制磁通22，分别通过左X定子铁心1、右X定子铁心4轭部，悬浮齿Al、悬浮齿Bl和悬浮齿Ar、悬浮齿Br和转子铁心18形成闭合回路。绕制在悬浮齿Cl201、悬浮齿Dl202、悬浮齿Cr301、悬浮齿Dr302上的径向控制绕组产生的Y方向径向控制磁通23，分别通过左Y定子铁心2、右Y定子铁心3轭部，悬浮齿Cl、悬浮齿Dl和悬浮齿Cr、悬浮齿Dr和转子铁心18形成闭合回路。
悬浮原理：由静态偏置磁通21与X方向径向控制磁通22、Y方向径向控制磁通23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。
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 (6)

1.一种新结构同极性四极磁轴承，包括定子和位于定子内圈的转子，其特征在于，所述定子为轴向对称结构，包括从左到右依次排列的左X定子铁心、左Y定子铁心、右X定子铁心、右Y定子铁心；所述转子包括转子铁心与转轴，所述转轴贯穿于转子铁心内；
所述左、右X定子铁心分别通过一对插入了永磁体的连接体相连，左、右Y定子铁心分别通过另一对插入了相同结构永磁体的连接体相连；所述4个永磁体为轴向磁化，其磁化方向相同；所述左X定子铁心沿内圆周且与+x轴和-x轴方向对称位置均匀分布一对悬浮齿；所述左Y定子铁心沿内圆周且与+y轴和-y轴方向对称位置亦均匀分布一对悬浮齿；所述右X定子铁心、右Y定子铁心上与所述左X定子铁心、左Y定子铁心对称位置设置有相同的悬浮齿；
所述悬浮齿均为曲折型结构，所述左X定子铁心与左Y定子铁心上的四个悬浮齿靠近转子铁心一端面轴向宽度相同、径向共面且其与所述转子铁心圆周面弧度匹配；所述右X定子铁心与右Y定子铁心上的四个悬浮齿靠近转子铁心一端面轴向宽度、径向共面且其与所述转子铁心圆周面弧度匹配；所述悬浮齿与转子铁心间形成了气隙长度相等的径向气隙，所述悬浮齿上均绕制集中式径向控制绕组。
2.根据权利要求1所述的一种新结构同极性四极磁轴承，其特征在于，左、右Y定子铁心的外径小于左、右X定子铁心的内径，且两者相差大于两个径向气隙长度。
3.根据权利要求2所述的一种新结构同极性四极磁轴承，其特征在于，所述4个连接体均为弧形，其径向尺寸相同，分别位于外径与所述左、右X定子铁心外径相同的圆环上，所述用于连接左、右Y定子铁心的一对连接体靠近圆心的内表面的两端均分别设置有端接部分，所述左Y定子铁心通过4个端接部分与所述右Y定子铁心连接。
4.根据权利要求3所述的一种新结构同极性四极磁轴承，其特征在于，所述左X定子铁心、左Y定子铁心、右X定子铁心、Y定子铁心、连接体、端接部分和转子铁心由导磁材料制成。
5.根据权利要求1所述新结构同极性四极磁轴承，其特征在于，所述永磁体为稀土永磁材料制成。
6.根据权利要求1所述新结构同极性四极磁轴承，其特征在于，所述转轴为非导磁性材料。
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