CN111173837B - 四自由度异极性多片结构磁轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种四自由度异极性多片结构磁轴承，包括定子和转子。定子为轴向对称结构，由左X定子铁心，左Y定子铁心，右X定子铁心，右Y定子铁心组成；转子包括左、右转子铁心与转轴。左、右X定子铁心、左、右Y定子铁心分别通过一对插入了永磁体的连接体相连。左、右X定子铁心、左、右Y定子铁心均沿内圆周均匀分布一对悬浮齿，悬浮齿为曲折型结构且均绕制集中式径向控制绕组，左、右两侧悬浮齿与左、右转子铁心垂直部分共面，悬浮齿与左、右转子铁心间形成长度相等的径向气隙。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，控制简单，永磁体位于轴向，不占用径向空间，径向悬浮力大。
Description
技术领域
本发明涉及一种非机械接触磁轴承，特指一种四自由度异极性多片结构磁轴承，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同极性和异极性磁轴承：（1）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；（2）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。异极性磁轴承借用主动磁轴承的结构和稀土永磁材料的高磁能积共同构成，既具有主动磁轴承漏磁较小的优点，又具有永磁偏置磁轴承功耗低的优点。
现有的异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可简化控制，结构紧凑，制造与装配方便的四自由度异极性多片结构磁轴承，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，所述定子为轴向对称结构，由从左到右依次排列的左X定子铁心、左Y定子铁心、4个永磁体、右X定子铁心、右Y定子铁心组成；所述转子包括左、右转子铁心与转轴，所述转轴贯穿于左、右转子铁心、左X定子铁心、左Y定子铁心、右X定子铁心以及右Y定子铁心内；
所述左、右X定子铁心分别通过一对连接体相连，所述左、右Y定子铁心分别通过另一对连接体相连；所述连接体中均插入一永磁体，所述永磁体为轴向磁化，且用于连接左、右X定子铁心的连接体上的永磁体的磁化方向与用于连接左、右Y定子铁心的连接体上的永磁体相反；所述左X定子铁心沿内圆周+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+y轴和-y轴方向对称位置也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左转子铁心一端面与所述左转子铁心圆周面弧度匹配且其与所述左转子铁心轴向宽度相同且位置正对；所述右X定子铁心与右Y定子铁心上的四个悬浮齿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且其与所述右转子铁心轴向宽度相同且位置正对；所述悬浮齿与左、右转子铁心间形成了径向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，所述左、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、右X定子铁心、左、右Y定子铁心、4个连接体、4个端接部分和左、右转子铁心均由导磁材料制成。
进一步地，所述四个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、本发明提出一种四自由度异极性多片结构磁轴承结构，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，将悬浮齿设计成曲折型结构，使X方向与Y方向的悬浮齿与转子铁心共面，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为本发明一种四自由度异极性多片结构磁轴承结构图；
图2为本发明四自由度异极性多片结构磁轴承左X定子铁心、右X定子铁心横向剖面图；
图3为本发明一种四自由度异极性多片结构磁轴承悬浮磁通图。
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-左转子铁心，19-右转子铁心，20-转轴，21-径向气隙，22-静态偏置磁通，23-X方向径向控制磁通，24-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组成。转子包括左转子铁心18、右转子铁心19与转轴20。该磁轴承还包括有四个永磁体（5是永磁体Ex，6是永磁体Fx，7是永磁体Ey，8是永磁体Fy），其均为带弧度的片状磁体，参见附图1。4个永磁体均分别插入一连接体中，其插入连接体中间，竖直设置，4个永磁体尺寸相同，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。4个永磁体（永磁体Ex5，永磁体Fx6，永磁体Ey7，永磁体Fy8）为轴向磁化，且永磁体Ex5、永磁体Fx6的磁化方向与永磁体Ey7、永磁体Fy8相反。
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、右Y定子铁心的外径小于左、右X定子铁心的内径，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（Al、Bl、Cl、Dl）靠近左转子铁心18一端面与左转子铁心18圆周面弧度匹配，且其与左转子铁心18轴向宽度相同且位置正对，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）靠近右转子铁心一端面与右转子铁心19圆周面弧度匹配，且其与右转子铁心19轴向宽度相同且位置正对，而左转子铁心18与右转子铁心19的尺寸是相同的，所以8个悬浮齿靠近转子铁心的一端的弧面弧度与转子铁心的圆周面弧度相同，参见附图2。
左侧的4个悬浮齿（悬浮齿Al101、悬浮齿Bl102、悬浮齿Cl201、悬浮齿Dl202）与左转子铁心18之间、右侧4个悬浮齿（悬浮齿Ar301、悬浮齿Br302、悬浮齿Cr401、悬浮齿Dr402）与右转子铁心19间均形成径向气隙21，且形成的径向气隙21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21长度。每个悬浮齿（悬浮齿Al101、悬浮齿Bl102、悬浮齿Cl201、悬浮齿Dl202、悬浮齿Ar301、悬浮齿Br302、悬浮齿Cr401、悬浮齿Dr402）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）和左转子铁心18、右转子铁心19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20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22，参见附图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，左转子铁心18，悬浮齿Al101、悬浮齿Bl102，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；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Ar401、悬浮齿Br402，右转子铁心19，悬浮齿Cr301、悬浮齿Dr302，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。
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23，分别通过左X定子铁心1、右X定子铁心4轭部，左X定子铁心1、右X定子铁心4上的悬浮齿Al101、悬浮齿Bl102，悬浮齿Ar401、悬浮齿Br402和左、右转子铁心（18、19）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24，分别通过左Y定子铁心2、右Y定子铁心3轭部，左Y定子铁心2、右Y定子铁心3上的悬浮齿Cl201、悬浮齿Dl202、悬浮齿Cr301、悬浮齿Dr302和左转子铁心18、右转子铁心19形成闭合回路。
悬浮原理：由静态偏置磁通22与径向控制磁通（X方向径向控制磁通23、Y方向径向控制磁通24）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 (4)
1.一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，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；所述转子包括左、右转子铁心与转轴，所述转轴贯穿于左、右转子铁心、左X定子铁心、左Y定子铁心、右X定子铁心以及右Y定子铁心内；
所述左、右X定子铁心分别通过一对连接体相连，所述左、右Y定子铁心分别通过另一对连接体相连；所述连接体中均插入一永磁体，所述永磁体为轴向磁化，且用于连接左、右X定子铁心的连接体上的永磁体的磁化方向与用于连接左、右Y定子铁心的连接体上的永磁体相反；所述左X定子铁心沿内圆周+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+y轴和-y轴方向对称位置也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左转子铁心一端面与所述左转子铁心圆周面弧度匹配且其与所述左转子铁心轴向宽度相同且位置正对；所述右X定子铁心与右Y定子铁心上的四个悬浮齿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且其与所述右转子铁心轴向宽度相同且位置正对；所述悬浮齿与左、右转子铁心间形成了径向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；
所述左、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；
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。
2.根据权利要求1所述的一种四自由度异极性多片结构磁轴承，其特征在于，所述左、右X定子铁心、左、右Y定子铁心、4个连接体、4个端接部分和左、右转子铁心均由导磁材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的一种四自由度异极性多片结构磁轴承，其特征在于，所述四个永磁体为稀土永磁材料制成。
4.根据权利要求1或2所述的一种四自由度异极性多片结构磁轴承，其特征在于，所述转轴为非导磁性材料。
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