CN111609035A - 主被动磁悬浮轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种主被动磁悬浮轴承，包括转轴和定子，转轴穿插于定子的中心孔内，定子包括依次同轴连接的主动轴向控制磁环、第一永磁体、径向导磁环、第二永磁体以及被动轴向控制导磁环；转轴上形成有推力盘、径向转子叠片以及被动转子齿，径向转子叠片位于推力盘和被动转子齿之间；主动轴向控制磁环内侧开设有环形凹槽，部分推力盘位于环形凹槽内，并与环形凹槽内壁之间形成轴向气隙，环形凹槽的槽底设置有与主动轴向控制磁环同轴设置的轴向线圈。通过主动轴向控制和被动轴向控制的结合，使得系统的整体稳定性提高，轴向约束能力明显提高，其中被动轴向控制不需要控制线圈以及控制线圈所需要的控制器，降低了整个轴承的整体损耗。

Description

主被动磁悬浮轴承
技术领域
本发明涉及非接触磁轴承的技术领域，特别是一种主被动磁悬浮轴承，可作为压缩机、鼓风机等机械设备中高速旋转部件的无接触支撑部件。
背景技术
磁悬浮轴承主要用于高转速的旋转设备中，当磁悬浮轴承应用于鼓风机、压缩机等场合时，由于叶轮进出口压力差，会在转子上产生非常大的轴向载荷，因此对整个磁轴承系统的轴向负载能力提出较高要求。
为了提高轴向负载能力，通常采用增大轴向线圈中电流的方法，由于线圈产生的铜损耗与通入电流的平方成正比，这种情况下，系统的铜损耗增加，而且线圈电流能增大程度势必要受到后续电子设备的限制；除了上述方法外，也可以将径向磁极改为锥形结构，使径向磁轴承既能提供径向力，也能提供部分轴向力。这种情况中，锥形结构只能提供一个方向的轴向力，而且锥形结构增加了径向控制的困难度，轴承整体的设计难度也增大。
发明内容
本发明的目的是提供一种主被动磁悬浮轴承，以解决现有技术磁悬浮轴承轴向控制不稳定、约束能力差、耗能高的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种主被动磁悬浮轴承，包括转轴和定子，所述转轴穿插于所述定子的中心孔内，所述定子包括依次同轴连接的主动轴向控制磁环、第一永磁体、径向导磁环、第二永磁体以及被动轴向控制导磁环；
所述转轴上形成有推力盘、径向转子叠片以及被动转子齿，所述径向转子叠片位于所述推力盘和所述被动转子齿之间；
所述主动轴向控制磁环内侧开设有环形凹槽，部分所述推力盘位于所述环形凹槽内，并与所述环形凹槽内壁之间形成轴向气隙，所述环形凹槽的槽底设置有与所述主动轴向控制磁环同轴设置的轴向线圈；
所述径向导磁环内设置有径向定子铁芯，所述径向定子铁芯上形成多个定子齿，多个所述定子齿围绕所述径向转子叠片周向均匀分布，每个所述定子齿上均设置有径向线圈，所述定子齿与所述径向转子叠片之间形成径向气隙；
所述第一永磁体和所述第二永磁体的磁极方向相反；
所述被动轴向控制导磁环与所述被动转子齿相对应，并形成被动齿部气隙。
可选地，所述径向导磁环和所述第二永磁体之间设置有导磁连接环。
可选地，所述径向导磁环、径向定子铁芯以及径向转子叠片由硅钢片制成；
所述主动轴向控制磁环、被动轴向控制导磁环、导磁连接环、推力盘以及被动转子齿材料为Cr40或DT4；
所述第一永磁体和所述第二永磁体均由铁氧体永磁材料或稀土永磁材料制成。
可选地，所述被动轴向控制导磁环具有多个环形磁极，所述被动转子齿的数量与所述环形磁极的数量相等，多个所述环形磁极与多个所述被动转子齿一一对应设置。
可选地，所述环形磁极的轴向厚度小于或等于所述推力盘轴向厚度的三分之一。
可选地，所述径向气隙的尺寸范围为0.1mm～0.6mm，所述被动齿部气隙的尺寸为所述径向气隙的尺寸的2.5倍。
可选地，所述第一永磁体的厚度为所述第二永磁体厚度的2倍以上。
可选地，所述推力盘和所述被动转子齿均与所述转轴一体成型，所述径向转子叠片嵌在所述转轴上开设的环形凹槽内。
可选地，所述推力盘和所述被动转子齿的外径均大于所述转轴的外径，所述径向转子叠片的外径等于所述转轴的外径。
可选地，所述第一永磁体和所述第二永磁体的S极相对设置。
本实施方式提供的主被动磁悬浮轴承，在对转轴轴向控制上，设置主动轴向控制和被动轴向控制两部分，主动轴向控制通过主动轴向控制磁环、第一永磁体、推力盘以及轴向线圈共同实现；被动轴向控制通过第二永磁体、被动轴向控制导磁环以及被动转子齿等结构共同实现。通过主动轴向控制和被动轴向控制的结合，使得系统的整体稳定性提高，轴向约束能力明显提高，其中被动轴向控制不需要控制线圈以及控制线圈所需要的控制器，降低了整个轴承的整体损耗。
附图说明
图1是本发明一实施方式中主被动磁悬浮轴承的轴向截面示意图；
图2是图1中主被动磁悬浮轴承的磁路示意图，其中隐藏了部分部件的剖面线，以便于观察磁路路径；
图3是图1中主被动磁悬浮轴承的径向截面示意图；
图4是图3中主被动磁悬浮轴承中径向线圈产生的磁路示意图。
附图标记：
10-转轴；11-推力盘；111-轴向气隙；12-径向转子叠片；13-被动转子齿；
20-定子；21-主动轴向控制磁环；22-第一永磁体；23-径向导磁环；24-第二永磁体；25-被动轴向控制导磁环；251-被动齿部气隙；252-环形磁极；26-轴向线圈；27-径向定子铁芯；271-径向气隙；28-径向线圈；29-导磁连接环。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1，本实施方式提供一种主被动磁悬浮轴承，包括转轴10和定子20，转轴10穿插于定子20的中心孔内。其中，定子20包括依次同轴连接的主动轴向控制磁环21、第一永磁体22、径向导磁环23、第二永磁体24以及被动轴向控制导磁环25，这里的同轴连接可以是直接连接也可以是间接连接，如图1，主动轴向控制磁环21、第一永磁体22、径向导磁环23、第二永磁体24以及被动轴向控制导磁环25由上至下依次叠加在一起，相邻部件之间可以通过粘结剂粘结，这里所述的由上至下仅是基于图1所示的观察角度，在实际的应用场景中，各个部件的相对方位并不限于此；主动轴向控制磁环21、第一永磁体22、径向导磁环23、第二永磁体24以及被动轴向控制导磁环25同轴设置，且与转轴10同轴设置。转轴10上形成有推力盘11、径向转子叠片12以及被动转子齿13，径向转子叠片12位于推力盘11和被动转子齿13之间；主动轴向控制磁环21内侧开设有环形凹槽，部分推力盘11位于环形凹槽内，并与环形凹槽内壁之间形成轴向气隙111，环形凹槽的槽底设置有与主动轴向控制磁环21同轴设置的轴向线圈26；径向导磁环23内设置有径向定子铁芯27，径向定子铁芯27上形成多个定子齿，多个定子齿围绕径向转子叠片12周向均匀分布，结合图3，在本实施方式中，径向定子铁芯27有四个定子齿，每个定子齿上均设置有径向线圈28，定子齿与径向转子叠片12之间形成径向气隙271；第一永磁体22和第二永磁体24的磁极方向相反；被动轴向控制导磁环25与被动转子齿13相对应，并形成被动齿部气隙251。
上述主被动磁悬浮轴承的具体工作原理如下：结合图2，第一永磁体22产生的磁通从N极出发，经过主动轴向控制磁环21，轴向气隙111，推力盘11，转轴10，径向转子叠片12，径向气隙271，径向定子铁芯27，径向导磁环23，最后回到第一永磁体22的S极，在这个过程中，永磁磁通同时经过轴向气隙111和径向气隙271，同时为主被动磁悬浮轴承的轴向和径向提供偏置磁场。
对于轴向线圈26，通入电流后产生的控制磁通经过主动轴向控制磁环21，轴向气隙111，推力盘11。其中，在推力盘11一侧的轴向气隙111中，第一永磁体22产生的磁通方向与轴向线圈26产生的磁通方向相同，在推力盘11另一侧的轴向气隙111中第一永磁体22产生的磁通方向与轴向线圈26产生的磁通方向相反。当转轴10发生轴向偏移时，通过控制轴向线圈26的电流方向和电流大小，控制对推力盘11轴向力的方向和大小，达到改变轴向磁力的目的。
对于径向线圈28，径向定子铁芯27为四齿对称结构，定子齿上绕有径向线圈28，相对的两个定子齿上的绕组串联相接，产生方向一致的控制磁通。径向控制磁路以Y方向的径向线圈28通电后产生的磁通为例,如图4，电磁磁场分别通过Y+方向定子齿,径向定子铁芯27，Y-方向定子齿，Y-方向径向气隙271，最后通过径向转子叠片12，Y+方向径向气隙271，形成闭合回路。在径向气隙271中，径向线圈28中通过控制电流形成调节磁场，与第一永磁体22产生的偏置磁场进行叠加，使转轴10一侧的径向气隙271中的磁通增加，另一侧径向气隙271中的磁通减小，从而产生可主动调节的径向电磁力，对转轴10形成约束。
结合图2，第二永磁体24产生的磁通从N极出发，经过被动轴向控制导磁环25，被动齿部气隙251，被动转子齿13，转轴10，径向转子叠片12，径向气隙271，径向定子铁芯27，径向导磁环23，再通过导磁连接环29回到第二永磁体24的S极，为被动部分提供主要的磁场。当转轴10产生微小的轴向位移时，原本对齐的被动轴向控制导磁环25的磁极与被动转子齿13部产生错位，产生与位移方向相反的轴向力，因而提供了系统整体的轴向约束能力，防止出现转轴10轴向位移过大的情况。
本实施方式提供的主被动磁悬浮轴承，在对转轴10轴向控制上，设置主动轴向控制和被动轴向控制两部分，主动轴向控制通过主动轴向控制磁环21、第一永磁体22、推力盘11以及轴向线圈26共同实现；被动轴向控制通过第二永磁体24、被动轴向控制导磁环25以及被动转子齿13等结构共同实现。通过主动轴向控制和被动轴向控制的结合，使得系统的整体稳定性提高，轴向约束能力明显提高，其中被动轴向控制不需要控制线圈以及控制线圈所需要的控制器，降低了整个轴承的整体损耗。
其中，径向导磁环23和第二永磁体24之间还设置有导磁连接环29。导磁连接环29分别连接径向导磁环23和第二永磁体24，起到导磁的作用。本领域技术人员可以根据需求设置其厚度。导磁连接环29的厚度越大，第一永磁体22和第二永磁体24的距离越大，从而两者之间的磁场干扰越小，转轴10的轴向长度受实际情况的限制，而导磁连接环29的厚度又受到转轴10轴向长度的限制，因此导磁连接环29的厚度也不会无限加厚。
在本实施方式中，径向导磁环23、径向定子铁芯27以及径向转子叠片12由硅钢片制成；主动轴向控制磁环21、被动轴向控制导磁环25、导磁连接环29、推力盘11以及被动转子齿13材料为Cr40或DT4；第一永磁体22和第二永磁体24均由铁氧体永磁材料或稀土永磁材料制成。本领域技术人员可以根据需求选择其他材质，只要能够满足相应的功能即可。
在本实施方式中，被动轴向控制导磁环25具有多个环形磁极252，被动转子齿13的数量与环形磁极252的数量相等，多个环形磁极252与多个被动转子齿13一一对应设置。设置多个环形磁极252可以提高轴向控制的精度，在转轴10发生很小的轴向偏移时，被动轴向控制导磁环25的环形磁极252就能向对应的被动转子齿13提供轴向约束力。
进一步，为了提高被动轴向控制对轴向位移的敏感度，每个环形磁极252的厚度较小，在本实施方式中，环形磁极252的轴向厚度小于或等于推力盘11轴向厚度的三分之一。
在本实施方式中，径向气隙271的尺寸范围为0.1mm～0.6mm，被动齿部气隙251的尺寸为径向气隙271的尺寸的2.5倍。第一永磁体22的厚度为第二永磁体24厚度的2倍以上。
在本实施方式中，推力盘11和被动转子齿13均与转轴10一体成型，便于加工，径向转子叠片12嵌在转轴10上开设的环形凹槽内。
其中，推力盘11和被动转子齿13的外径均大于转轴10的外径，径向转子叠片12的外径等于转轴10的外径。
在本实施方式中，第一永磁体22和第二永磁体24的S极相对设置。当然也可以设置第一永磁体22和第二永磁体24的N极相对设置。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种主被动磁悬浮轴承，包括转轴(10)和定子(20)，所述转轴(10)穿插于所述定子(20)的中心孔内，其特征在于，
所述定子(20)包括依次同轴连接的主动轴向控制磁环(21)、第一永磁体(22)、径向导磁环(23)、第二永磁体(24)以及被动轴向控制导磁环(25)；
所述转轴(10)上形成有推力盘(11)、径向转子叠片(12)以及被动转子齿(13)，所述径向转子叠片(12)位于所述推力盘(11)和所述被动转子齿(13)之间；
所述主动轴向控制磁环(21)内侧开设有环形凹槽，部分所述推力盘(11)位于所述环形凹槽内，并与所述环形凹槽内壁之间形成轴向气隙(111)，所述环形凹槽的槽底设置有与所述主动轴向控制磁环(21)同轴设置的轴向线圈(26)；
所述径向导磁环(23)内设置有径向定子铁芯(27)，所述径向定子铁芯(27)上形成多个定子齿，多个所述定子齿围绕所述径向转子叠片(12)周向均匀分布，每个所述定子齿上均设置有径向线圈(28)，所述定子齿与所述径向转子叠片(12)之间形成径向气隙(271)；
所述第一永磁体(22)和所述第二永磁体(24)的磁极方向相反；
所述被动轴向控制导磁环(25)与所述被动转子齿(13)相对应，并形成被动齿部气隙(251)。
2.根据权利要求1所述的主被动磁悬浮轴承，其特征在于，所述径向导磁环(23)和所述第二永磁体(24)之间设置有导磁连接环(29)。
3.根据权利要求2所述的主被动磁悬浮轴承，其特征在于，所述径向导磁环(23)、径向定子铁芯(27)以及径向转子叠片(12)由硅钢片制成；
所述主动轴向控制磁环(21)、被动轴向控制导磁环(25)、导磁连接环(29)、推力盘(11)以及被动转子齿(13)材料为Cr40或DT4；
所述第一永磁体(22)和所述第二永磁体(24)均由铁氧体永磁材料或稀土永磁材料制成。
4.根据权利要求2所述的主被动磁悬浮轴承，其特征在于，所述被动轴向控制导磁环(25)具有多个环形磁极(252)，所述被动转子齿(13)的数量与所述环形磁极(252)的数量相等，多个所述环形磁极(252)与多个所述被动转子齿(13)一一对应设置。
5.根据权利要求4所述的主被动磁悬浮轴承，其特征在于，所述环形磁极(252)的轴向厚度小于或等于所述推力盘(11)轴向厚度的三分之一。
6.根据权利要求1所述的主被动磁悬浮轴承，其特征在于，所述径向气隙(271)的尺寸范围为0.1mm～0.6mm，所述被动齿部气隙(251)的尺寸为所述径向气隙(271)的尺寸的2.5倍。
7.根据权利要求1所述的主被动磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一永磁体(22)的厚度为所述第二永磁体(24)厚度的2倍以上。
8.根据权利要求1所述的主被动磁悬浮轴承，其特征在于，所述推力盘(11)和所述被动转子齿(13)均与所述转轴(10)一体成型，所述径向转子叠片(12)嵌在所述转轴(10)上开设的环形凹槽内。
9.根据权利要求8所述的主被动磁悬浮轴承，其特征在于，所述推力盘(11)和所述被动转子齿(13)的外径均大于所述转轴(10)的外径，所述径向转子叠片(12)的外径等于所述转轴(10)的外径。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的主被动磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一永磁体(22)和所述第二永磁体(24)的S极相对设置。
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