CN111828476A - 定子铁芯、磁悬浮轴承及其支撑系统、控制方法、电机 - Google Patents

定子铁芯、磁悬浮轴承及其支撑系统、控制方法、电机 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种定子铁芯、磁悬浮轴承及其支撑系统、控制方法、电机，其中定子铁芯，包括环轭以及处于所述环轭的内周壁且沿着所述环轭的径向向内延伸的多个定子齿，所述定子齿的轴向端面上具有第一凸壁，所述定子齿或者所述环轭的轴向端面上还具有第二凸壁，所述第一凸壁、第二凸壁沿所述环轭的轴向向外延伸且所述第一凸壁、第二凸壁沿所述环轭径向间隔设置形成开口。根据本发明的一种定子铁芯、磁悬浮轴承及其支撑系统、控制方法、电机，定子铁芯能够同时形成磁悬浮轴承的径向控制和单向轴向控制，结构简单、紧凑，利于缩短转轴的整体长度、减小整机体积，进而提高结构设计余量。

Description

定子铁芯、磁悬浮轴承及其支撑系统、控制方法、电机
技术领域
本发明属于磁悬浮轴承制造技术领域，具体涉及一种定子铁芯、磁悬浮轴承及其支撑系统、控制方法、电机。
背景技术
一般的，磁悬浮系统由两个径向磁悬浮轴承及轴向磁悬浮轴承组成，如图1所示。径向磁悬浮轴承由径向磁悬浮轴承定子100、径向轴承绕组101和径向磁悬浮轴承转子102组成。径向磁悬浮轴承定子100通过径向轴承绕组101对套设在转轴200上的径向磁悬浮轴承转子102提供可控磁力保证转轴200径向稳定悬浮，两个轴向磁悬浮轴承定子300、400分别通过轴向轴承绕组301、401对安装在转轴200上的推力盘201提供可控磁力保证转轴轴向稳定悬浮，进而这种结构的磁悬浮轴承导致系统整体轴向长度较大。另外，现有技术中，为实现对转轴位置的检测和控制，需要通过径向传感器501、轴向传感器502实时检测转轴位移并反馈至轴承控制器对轴承出力进行控制，由于两个轴向轴承定子300、400分别布置在推力盘201两侧，为避免信号干扰及空间布局限制，轴向传感器502被布置在轴向轴承外侧，通过检测转轴上额外布置的检测面202进行轴向位移检测，这样会导致轴向位移检测与实际轴承控制处即推力盘存在一定距离，在转轴发热变形等情况下会使得轴向位移检测信号存在一定误差，影响悬浮精度及稳定性。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种定子铁芯、磁悬浮轴承及其支撑系统、控制方法、电机，定子铁芯能够同时形成磁悬浮轴承的径向控制和单向轴向控制，结构简单、紧凑，利于缩短转轴的整体长度、减小整机体积，进而提高结构设计余量。
为了解决上述问题，本发明提供一种定子铁芯，包括环轭以及处于所述环轭的内周壁且沿着所述环轭的径向向内延伸的多个定子齿，所述定子齿的轴向端面上具有第一凸壁，所述定子齿或者所述环轭的轴向端面上还具有第二凸壁，所述第一凸壁、第二凸壁沿所述环轭的轴向向外延伸且所述第一凸壁、第二凸壁沿所述环轭径向间隔设置形成开口。
本发明还提供一种磁悬浮轴承，包括定子铁芯，所述定子铁芯为上述的定子铁芯，还包括与转轴套装的转子、多个定子绕组，所述定子铁芯装设于所述转子的径向外侧，所述定子铁芯的内周壁与所述转子的外周壁之间形成径向气隙，多个所述定子绕组一一对应分别绕设于所述开口所对应的多个定子齿上，当所述磁悬浮轴承组装于所述转轴上时，所述转轴上的推力盘能够遮盖于所述开口处且所述第一凸壁及第二凸壁与所述推力盘之间形成轴向气隙。
优选地，所述轴向气隙小于所述径向气隙。
优选地，所述磁悬浮轴承还包括轴承壳体，所述定子铁芯处于所述轴承壳体内，所述轴承壳体具有检测部件安装部，所述检测部件安装部处于与所述开口相应的一侧。
优选地，所述检测部件安装部上安装有轴向位移检测部件和/或径向位移检测部件。
优选地，所述推力盘处于所述第一凸壁与所述检测部件安装部之间，所述轴向位移检测部件的检测头朝向所述推力盘远离所述第一凸壁的一侧。
优选地，所述轴承壳体具有轴向通孔，所述检测部件安装部可拆卸地设置于所述轴向通孔的一端孔口处。
本发明还提供一种磁悬浮轴承支撑系统，包括转轴、第一磁悬浮轴承、第二磁悬浮轴承，所述第一磁悬浮轴承、第二磁悬浮轴承分别处于所述转轴的长度两端，第一磁悬浮轴承、第二磁悬浮轴承皆为上述的磁悬浮轴承，第一磁悬浮轴承中具有的开口与所述第二磁悬浮轴承中具有的开口的开口方向相反。
本发明还提供一种电机，包括上述的磁悬浮轴承支撑系统。
本发明还提供一种压缩机，包括上述的磁悬浮轴承支撑系统。
本发明还提供一种磁悬浮轴承支撑系统的控制方法，用于控制上述的磁悬浮轴承支撑系统，包括如下步骤：
获取转轴的转轴位移，所述转轴位移包括轴向位移和/或径向位移；
根据获取的转轴位移调整定子绕组中的通电电流，以调整所述转轴的轴向位移和/或径向位移。
优选地，
当所述第一磁悬浮轴承对应的转轴部位产生径向位移时，增大所述第一磁悬浮轴承中的与所述径向位移方向相反位置处的定子绕组中的通电电流以使所述转轴在径向上居中，同时增大所述第二磁悬浮轴承中的所有定子绕组以抵消所述转轴的轴向偏移；和/或，
当所述第一磁悬浮轴承61对应的转轴3部位产生轴向位移且所述轴向位移使所述第一磁悬浮轴承61的轴向气隙增大时，同时增大所述第一磁悬浮轴承61中所有定子绕组4中的通电电流以使所述转轴3沿轴向减小所述第一磁悬浮轴承61轴向气隙的一侧移动；和/或，
当所述第一磁悬浮轴承61对应的转轴3部位产生轴向位移且所述轴向位移使第一磁悬浮轴承61轴向气隙减小时，同时增大所述第二磁悬浮轴承62中所有定子绕组4中的通电电流以使所述转轴3沿轴向增大所述第一磁悬浮轴承61的轴向气隙的一侧移动。
本发明提供的一种定子铁芯、磁悬浮轴承及其支撑系统、控制方法、电机，所述开口形成磁悬浮轴承具有的定子绕组的绕设区域，当所述开口中组装所述定子绕组之后且通电后，所述定子铁芯的相邻的定子齿(相应的定子绕组中的通电电流方向相反)、磁悬浮轴承具有的转子、环轭之间形成径向闭环磁路，从而实现磁悬浮轴承的径向力的提供与调整；而同时，所述第一凸壁与所述第二凸壁则与所述环轭以及邻近所述开口设置的转轴上的推力盘之间形成轴向闭环磁路，从而实现磁悬浮轴承的轴向力的提供与调整。由此可见，定子铁芯通过仅具有的定子绕组能够同时形成磁悬浮轴承的径向控制和单向轴向控制，也即无需针对轴向力单独设置对应的铁芯及绕组，结构简单、紧凑，利于缩短转轴的整体长度、减小整机体积，进而提高结构设计余量。
附图说明
图1为现有技术中的磁悬浮轴承的内部结构示意图；
图2为本发明实施例的定子铁芯的结构示意图；
图3为本发明实施例另一实施例的磁悬浮轴承的内部结构示意图；；
图4为图3所示的磁悬浮轴承的径向电磁磁路示意图(径向调整)；
图5为图3所示的磁悬浮轴承的轴向电磁磁路示意图(轴向调整)；
图6为本发明又一实施例的磁悬浮轴承支撑系统的结构示意图。
附图标记表示为：
1、定子铁芯；11、环轭；12、定子齿；13、第一凸壁；14、第二凸壁；15、开口；2、转子；3、转轴；31、推力盘；4、定子绕组；5、轴承壳体；51、检测部件安装部；511、轴向位移检测部；512、径向位移检测部件；61、第一磁悬浮轴承；62、第二磁悬浮轴承。
具体实施方式
结合参见图2至图6所示，根据本发明的实施例，提供一种定子铁芯，包括环轭11以及处于所述环轭11的内周壁且沿着所述环轭11的径向向内延伸的多个定子齿12，所述定子齿12的轴向端面上具有第一凸壁13，所述定子齿12或者所述环轭11的轴向端面上还具有第二凸壁14，所述第一凸壁13、第二凸壁14沿所述环轭11的轴向向外延伸且所述第一凸壁13、第二凸壁14沿所述环轭11径向间隔设置形成开口15。具体的，多个所述第一凸壁13一一分别对应所述多个定子齿12，也即所述多个第一凸壁13分别相对独立的处于对应的定子齿12上，而所述第二凸壁14则可以被灵活的设置，例如所述第二凸壁14可以沿所述环轭11的周向形成环壁且处于所述环轭11上，所述第二凸壁14也可以与所述第一凸壁13的设置方式一样具有多个，多个第二凸壁14则分别相对独立的处于对应的定子齿12上。该技术方案中，所述开口15形成磁悬浮轴承具有的定子绕组4的绕设区域，当所述开口15中组装所述定子绕组4(例如图4及图5所示出的绕设方式)之后且通电后，所述定子铁芯的相邻的定子齿12(相应的定子绕组4中的通电电流方向相反)、磁悬浮轴承具有的转子2、环轭11之间形成径向闭环磁路，从而实现磁悬浮轴承的径向力的提供与调整；而同时，所述第一凸壁13与所述第二凸壁14则与所述环轭11以及邻近所述开口15设置的转轴3上的推力盘31之间形成轴向闭环磁路，从而实现磁悬浮轴承的轴向力的提供与调整。由此可见，定子铁芯通过仅具有的定子绕组4能够同时形成磁悬浮轴承的径向控制和单向轴向控制，也即无需针对轴向力单独设置对应的铁芯及绕组，结构简单、紧凑，利于缩短转轴的整体长度、减小整机体积，进而提高结构设计余量。
根据本发明的实施例，还提供一种磁悬浮轴承，包括定子铁芯1，所述定子铁芯1为上述的定子铁芯，还包括与转轴3套装的转子2、多个定子绕组4，所述定子铁芯1装设于所述转子2的径向外侧，所述定子铁芯1的内周壁与所述转子2的外周壁之间形成径向气隙，多个所述定子绕组4一一对应分别绕设于所述开口15所对应的多个定子齿12上，当所述磁悬浮轴承组装于所述转轴3上时，所述转轴3上的推力盘31能够遮盖于所述开口15处且所述第一凸壁13及第二凸壁14与所述推力盘31之间形成轴向气隙。进一步的，所述轴向气隙小于所述径向气隙，以保证所述磁悬浮轴承的径向及轴向的出力效果，这是因为径向磁路中定子磁阻更小，如气隙大小相同即气隙磁阻相同时，磁通将会优先从径向通过，轴向力将极小，为保证径向轴向均有磁通，需增大径向气隙磁阻，即气隙增大，以保证轴向出力的效果。
所述磁悬浮轴承还包括轴承壳体5，所述定子铁芯1处于所述轴承壳体5内，所述轴承壳体5具有检测部件安装部51，所述检测部件安装部51处于与所述开口15相应的一侧。具体的，所述检测部件安装部51上安装有轴向位移检测部件511和/或径向位移检测部件512，所述轴向位移检测部件511以及径向位移检测部件512采用非接触式的检测原理的位移传感器即可。如图3所示，所述推力盘31处于所述第一凸壁13与所述检测部件安装部51之间，所述轴向位移检测部件511的检测头朝向所述推力盘31远离所述第一凸壁13的一侧。结合图5所示出的轴向磁路闭环可以看到，轴向磁路的磁力线仅处于流经所述推力盘31的右侧(也即靠近所述开口15的一侧)，也即本发明中的推力盘31不再如现有技术中那样两侧皆处于两侧磁场之中，如此，所述轴向位移检测部件511可以紧邻所述推力盘31远离所述开口15的一侧设置，而不必如现有技术那样基于防止推力盘31上磁场对检测部件的检测造成的干扰而将检测部件设置到距离推力盘31较远的位置，也即本发明中的轴向位移检测部件511可以被设置到距离推力盘31更近的部位，且无需独立于推力盘31设置单独的检测面(检测部位)，有效降低转轴3由于热变形导致的轴向位移检测精度的降低的不利影响，也即提高轴向位移的检测精度，同时进一步简化转轴结构。
具体的，所述轴承壳体5具有轴向通孔，所述检测部件安装部51可拆卸地设置于所述轴向通孔的一端孔口处，此时所述检测部件安装部51例如可以被设计为一个环形盖板封闭于所述轴向通孔的一端，可拆卸连接方式则例如所述磁悬浮轴承与所述转轴3的组装。
如图6所示，根据本发明的实施例，还提供一种磁悬浮轴承支撑系统，包括转轴3、第一磁悬浮轴承61、第二磁悬浮轴承62，所述第一磁悬浮轴承61、第二磁悬浮轴承62分别处于所述转轴3的长度两端，第一磁悬浮轴承61、第二磁悬浮轴承62皆为上述的磁悬浮轴承，第一磁悬浮轴承61中具有的开口15与所述第二磁悬浮轴承62中具有的开口15的开口方向相反，也即所述第一磁悬浮轴承61与所述第二磁悬浮轴承62之间在于所述转轴3的组装方面彼此形成镜像，而进一步可以理解的，此时的所述第一磁悬浮轴承61与所述第二磁悬浮轴承62在轴向力的出力方向上则彼此相反，例如以图6中的方位为准，所述第一磁悬浮轴承61的轴向力出力方向为向右的吸引力，而所述第二磁悬浮轴承62的轴向力出力方向则为向左的吸引力，而这两个吸引力的大小则决定了所述转轴3的轴向悬浮位移。
根据本发明的实施例，还提供一种电机或者压缩机，包括上述的磁悬浮轴承支撑系统。
根据本发明的实施例，还提供一种磁悬浮轴承支撑系统的控制方法，用于控制上述的磁悬浮轴承支撑系统，包括如下步骤：
获取转轴3的转轴位移，所述转轴位移包括轴向位移和/或径向位移；
根据获取的转轴位移调整定子绕组4中的通电电流，以调整所述转轴3的轴向位移和/或径向位移。
具体的，当所述第一磁悬浮轴承61对应的转轴3部位产生径向位移时，增大所述第一磁悬浮轴承61中的与所述径向位移方向相反位置处的定子绕组4中的通电电流以使所述转轴3在径向上居中，同时增大所述第二磁悬浮轴承62中的所有定子绕组4以抵消所述转轴3的轴向偏移(具体的，由于所述第一磁悬浮轴承61中的部分定子绕组4中的通电电流被增大，这导致第一磁悬浮轴承61处的轴向力出力增大，导致转轴3轴向的平衡遭到破坏，为了抵消这一轴向位移，因此需要同时增加第二磁悬浮轴承62中的定子绕组4中的通电电流，从而在实现径向位移的居中平衡稳定的同时保证轴向位移的平衡稳定)；和/或，
当所述第一磁悬浮轴承61对应的转轴3部位产生轴向位移且所述轴向位移使所述第一磁悬浮轴承61的轴向气隙增大时，同时增大所述第一磁悬浮轴承61中所有定子绕组4中的通电电流以使所述转轴3沿轴向减小所述第一磁悬浮轴承61轴向气隙的一侧移动；和/或，
当所述第一磁悬浮轴承61对应的转轴3部位产生轴向位移且所述轴向位移使第一磁悬浮轴承61轴向气隙减小时，同时增大所述第二磁悬浮轴承62中所有定子绕组4中的通电电流以使所述转轴3沿轴向增大所述第一磁悬浮轴承61的轴向气隙的一侧移动。
而可以理解的是，亦可以根据转轴3实际位移情况同时调整所述第一磁悬浮轴承61以及第二磁悬浮轴承62中定子绕组中的通电电流。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种定子铁芯，其特征在于，包括环轭(11)以及处于所述环轭(11)的内周壁且沿着所述环轭(11)的径向向内延伸的多个定子齿(12)，所述定子齿(12)的轴向端面上具有第一凸壁(13)，所述定子齿(12)或者所述环轭(11)的轴向端面上还具有第二凸壁(14)，所述第一凸壁(13)、第二凸壁(14)沿所述环轭(11)的轴向向外延伸且所述第一凸壁(13)、第二凸壁(14)沿所述环轭(11)径向间隔设置形成开口(15)。
2.一种磁悬浮轴承，包括定子铁芯(1)，其特征在于，所述定子铁芯(1)为权利要求1中所述的定子铁芯，还包括与转轴(3)套装的转子(2)、多个定子绕组(4)，所述定子铁芯(1)装设于所述转子(2)的径向外侧，所述定子铁芯(1)的内周壁与所述转子(2)的外周壁之间形成径向气隙，多个所述定子绕组(4)一一对应分别绕设于所述开口(15)所对应的多个定子齿(12)上，当所述磁悬浮轴承组装于所述转轴(3)上时，所述转轴(3)上的推力盘(31)能够遮盖于所述开口(15)处且所述第一凸壁(13)及第二凸壁(14)与所述推力盘(31)之间形成轴向气隙。
3.根据权利要求2所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述轴向气隙小于所述径向气隙。
4.根据权利要求2所述的磁悬浮轴承，其特征在于，还包括轴承壳体(5)，所述定子铁芯(1)处于所述轴承壳体(5)内，所述轴承壳体(5)具有检测部件安装部(51)，所述检测部件安装部(51)处于与所述开口(15)相应的一侧。
5.根据权利要求4所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述检测部件安装部(51)上安装有轴向位移检测部件(511)和/或径向位移检测部件(512)。
6.根据权利要求5所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述推力盘(31)处于所述第一凸壁(13)与所述检测部件安装部(51)之间，所述轴向位移检测部件(511)的检测头朝向所述推力盘(31)远离所述第一凸壁(13)的一侧。
7.根据权利要求4所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述轴承壳体(5)具有轴向通孔，所述检测部件安装部(51)可拆卸地设置于所述轴向通孔的一端孔口处。
8.一种磁悬浮轴承支撑系统，包括转轴(3)、第一磁悬浮轴承(61)、第二磁悬浮轴承(62)，所述第一磁悬浮轴承(61)、第二磁悬浮轴承(62)分别处于所述转轴(3)的长度两端，其特征在于，第一磁悬浮轴承(61)、第二磁悬浮轴承(62)皆为权利要求2至7中的任一项所述的磁悬浮轴承，第一磁悬浮轴承(61)中具有的开口(15)与所述第二磁悬浮轴承(62)中具有的开口(15)的开口方向相反。
9.一种电机，包括磁悬浮轴承支撑系统，其特征在于，所述磁悬浮轴承支撑系统为权利要求8所述的磁悬浮轴承支撑系统。
10.一种压缩机，包括磁悬浮轴承支撑系统，其特征在于，所述磁悬浮轴承支撑系统为权利要求8所述的磁悬浮轴承支撑系统。
11.一种磁悬浮轴承支撑系统的控制方法，其特征在于，用于控制权利要求8所述的磁悬浮轴承支撑系统，包括如下步骤：
获取转轴(3)的转轴位移，所述转轴位移包括轴向位移和/或径向位移；
根据获取的转轴位移调整定子绕组(4)中的通电电流，以调整所述转轴(3)的轴向位移和/或径向位移。
12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，
当所述第一磁悬浮轴承(61)对应的转轴(3)部位产生径向位移时，增大所述第一磁悬浮轴承(61)中的与所述径向位移方向相反位置处的定子绕组(4)中的通电电流以使所述转轴(3)在径向上居中，同时增大所述第二磁悬浮轴承(62)中的所有定子绕组(4)以抵消所述转轴(3)的轴向偏移；和/或，
当所述第一磁悬浮轴承(61)对应的转轴(3)部位产生轴向位移且所述轴向位移使所述第一磁悬浮轴承(61)的轴向气隙增大时，同时增大所述第一磁悬浮轴承(61)中所有定子绕组(4)中的通电电流以使所述转轴(3)沿轴向减小所述第一磁悬浮轴承(61)轴向气隙的一侧移动；和/或，
当所述第一磁悬浮轴承(61)对应的转轴(3)部位产生轴向位移且所述轴向位移使第一磁悬浮轴承(61)轴向气隙减小时，同时增大所述第二磁悬浮轴承(62)中所有定子绕组(4)中的通电电流以使所述转轴(3)沿轴向增大所述第一磁悬浮轴承(61)的轴向气隙的一侧移动。
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