CN111927885B - 一种永磁偏置轴向磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种永磁偏置轴向磁轴承，包括相互对称设置在转子两侧的第一磁轴承定子组件和第二磁轴承定子组件，所述第一磁轴承定子组件的充磁方向与所述第二磁轴承定子组件的充磁方向相反；所述第一磁轴承定子组件的第一定子铁心朝向转子的端面上同心地设置有第一环槽和第二环槽，第一定子永磁体嵌设在所述第一环槽内，第一定子绕组绕制在所述第二环槽内；当为所述第一磁轴承定子组件充磁后，所述第一磁轴承定子组件朝向转子的一端被所述第一间隙和所述第二环槽分隔为三个相对独立的定子磁极。该永磁偏置轴向磁轴承实现了电磁磁通与永磁磁通的分离，降低磁轴承的功耗，提升磁轴承的动态响应速度和控制精度。

Description

一种永磁偏置轴向磁轴承

技术领域

本发明涉及磁悬浮技术领域，尤其涉及一种永磁偏置轴向磁轴承。

背景技术

传统旋转动力机械采用机械轴承支承，受机械轴承摩擦和转子振动制约，仅能低转速运行，功率密度小、效率低。在高转速、高能量密度等工业应用中，需采用多极增速机构，导致系统庞大、能耗高、可靠性差、噪声污染和油污染严重。磁轴承支承的高速旋转动力机械消除了摩擦磨损，无需润滑，转速高达数万转/分，具有功率密度大、体积小、重量轻、响应快等优点，可有效提高系统效率，节能效果显著。因此，磁轴承是未来高速旋转动力机械发展的理想支承部件。

磁轴承按偏置磁通的产生方式可分为纯电磁磁轴承和永磁偏置磁轴承，前者利用偏置电流提供偏置磁场，其电流较大、功耗较高；后者利用永磁体产生的偏置磁场，无需偏置电流，且永磁体产生的偏置磁场承担主要的承载力，电磁控制磁场提供辅助的调节力，可大大减小磁轴承定子绕组电流，降低功放损坏，同时减少线圈匝数，缩小磁轴承体积，降低重量，广泛应用于磁悬浮鼓风机、磁悬浮电机、磁悬浮储能飞轮、磁悬浮偏置动量轮、磁悬浮控制力矩陀螺等高速运转场合。

现有的永磁偏置轴向磁轴承的电磁此路和永磁磁路存在耦合，降低了磁轴承的控制精度。例如，授权专利ZL201510585671.3一种非对称永磁偏置轴向磁轴承,其永磁磁路和电磁磁路存在严重的磁路耦合和磁力耦合，且磁极端部的漏磁效应非常严重，降低了磁轴承的控制精度。为实现永磁磁路与电磁磁路解耦，授权ZL200510011272.2提出了一种低功耗永磁偏置轴向磁轴承和授权专利ZL200710098748.X提出了一种永磁偏置轴向磁轴承，采用第二气隙实现永磁磁路和电磁磁路解耦，但第二气隙的存在极大增加了电磁磁路的磁阻，提高了磁轴承的功耗，此外，采用第二气隙结构并不能完全实现永磁磁路与电磁磁路解耦，部分永磁磁通仍通过第二气隙形成永磁回路，当转子轴向窜动时该情况尤为明显。

发明内容

本发明旨在解决上面描述的问题。本发明的一个目的是提供一种解决以上问题中的任何一个的永磁偏置轴向磁轴承。具体地，本发明提供一种功耗低、动态响应速度快、控制精度高的永磁偏置轴向磁轴承。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种永磁偏置轴向磁轴承，所述永磁偏置轴向磁轴承包括分别设置在转子两侧的第一磁轴承定子组件和第二磁轴承定子组件，所述第一磁轴承定子组件与所述第二磁轴承定子组件关于转子对称设置，且所述第一磁轴承定子组件的充磁方向与所述第二磁轴承定子组件的充磁方向相反；

所述第一磁轴承定子组件包括第一定子铁心、第一定子永磁体和第一定子绕组，所述第一定子铁心朝向转子的端面上同心地设置有第一环槽和第二环槽，所述第一定子永磁体嵌设在所述第一环槽内，所述第一定子永磁体的端面与所述第一定子铁心的端面平齐设置，且所述第一定子永磁体的外环面与所述第一定子铁心之间设置有第一间隙；所述第一定子绕组绕制在所述第二环槽内，且所述第一定子绕组的端面凹陷于所述第一定子铁心的端面设置；

当为所述第一磁轴承定子组件充磁后，所述第一磁轴承定子组件朝向转子的一端被所述第一间隙和所述第二环槽分隔为三个相对独立的定子磁极：包括第一内磁极、第一中磁极和第一外磁极。

其中，所述第一定子永磁体的内环面与所述第一定子铁心的内环面平齐设置。

其中，所述第一磁轴承定子组件与转子之间设置有第一环状气隙，所述第二磁轴承定子组件与转子之间设置有第二环状气隙。

其中，所述第一内磁极的端面与转子之间设置有第一内环气隙，所述第一中磁极的端面与转子之间设置有第一中环气隙，所述第一外磁极的端面与所述转子之间设置有第一外环气隙。

其中，所述第一内环气隙的高度与所述第一中环气隙的高度相等，所述第一外环气隙的高度大于所述第一中环气隙的高度设置。

其中，所述第一外环气隙与所述第一中环气隙的高度差为0.08~0.15mm。

其中，所述第一定子永磁体为钕铁硼合金或钐钴合金硬磁，所述第一定子永磁体的充磁方向为轴向充磁。

其中，所述第一定子绕组采用线径为0.2mm的漆包线，所述第一定子绕组的匝数为200~300匝。

其中，所述第一定子铁心采用高饱和磁密的1J22棒材或电工纯铁DT4C材质。

本发明的永磁偏置轴向磁轴承中，每组磁轴承定子组件均利用定子永磁体和定子绕组将定子铁心朝向转子的端面分隔为3个相对独立的部分，实现电磁磁通与永磁磁通的分离，降低磁轴承的功耗，提升磁轴承的动态响应速度和控制精度。在本发明的永磁偏置轴向磁轴承中，定子永磁体为磁轴承提供永磁偏置磁场，承担轴向磁轴承所承受的轴向力；定子绕组产生的控制磁场与定子永磁体产生的偏置磁场相叠加，保持轴向磁轴承的定子组件与转子之间的气隙均匀，实现转子的无接触悬浮支承。

参照附图来阅读对于示例性实施例的以下描述，本发明的其他特性特征和优点将变得清晰。

附图说明

并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示例性地示出了本发明的永磁偏置轴向磁轴承的结构示意图；

图2示例性地示出了第一磁轴承定子组件的剖面图；

图3示例性地示出了第一定子铁心的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明采用永磁体提供偏置磁通，无需偏置电流，降低了磁轴承的功耗；同时，减少了定子绕组的匝数，降低了电磁回路的电感，提高磁轴承的动态响应能力。本发明的轴向磁轴承，在转子的轴向两侧相对称地设置一对磁轴承定子组件，每组磁轴承定子组件均包括定子铁心、定子永磁体和定子绕组，定子铁心朝向转子的端面上同心地设置有两个环槽，定子绕组绕制在定子铁心端面的中部环槽内，定子永磁体固定在定子铁心端面的内侧环槽内，且定子永磁体的外环面与定子铁心之间设置有间隙，从而，磁轴承定子组件朝向转子的端面被间隔分布为3个相对独立的部分，在充磁后，可以作为3个相对独立的定子磁极使用，实现电磁磁通与永磁磁通的分离。定子永磁体为磁轴承提供永磁偏置磁场，承担轴向磁轴承所承受的轴向力；定子绕组产生的控制磁场与定子永磁体产生的偏置磁场相叠加，保持轴向磁轴承的定子组件与转子之间的气隙均匀，实现转子的无接触悬浮支承。

下面结合附图，对根据本发明的永磁偏置轴向磁轴承进行详细描述。

图1示出了本发明的永磁偏置轴向磁轴承的一种结构示意图，为更清晰地体现该永磁偏置轴向磁轴承的结构，图1采用了剖面示意该永磁偏置轴向磁轴承的内部结构。参照图1所示，该永磁偏置轴向磁轴承包括转子3以及分别对称设置在转子3两侧的第一磁轴承定子组件1和第二磁轴承定子组件2。其中，第一磁轴承定子组件1与第二磁轴承定子组件2关于转子3对称设置，即第一磁轴承定子组件1的结构与第二磁轴承定子组件2的结构完全对称设置；并且在本发明中，第一磁轴承定子组件1的充磁方向与第二磁轴承定子组件2的充磁方向相反。

图2示出了第一磁轴承定子组件1的一种具体实施例的剖面图，综合参照图1和图2所示，第一磁轴承定子组件1包括第一定子铁心11、第一定子永磁体12和第一定子绕组13。

图3示出了第一定子铁心11的一种结构示意图，综合图1、图2和图3所示，第一定子铁心11朝向转子3的端面上同心地设置有第一环槽111和第二环槽112，即第一环槽111的中心轴线与第二环槽112的中心轴线在同一条直线上。在本实施例中，第一环槽111设置在第一定子铁心11的内环面上，第二环槽112设置在第一定子铁心12的端面中部。

第一定子永磁体12嵌设在第一环槽111内，进一步的，第一定子永磁体12与第一环槽111的槽底之间通过环氧树脂胶进行固化固定，以保证第一定子永磁体12在第一环槽111内的安装稳定性，即保证了第一磁轴承定子组件1的结构稳定性。具体地，第一定子永磁体12的端面与第一定子铁心11的端面平齐设置，并且第一定子永磁体12的外环面与第一定子铁心11之间设置有第一间隙14，以保证第一定子永磁体12与第一定子铁心11的第一环槽111和第二环槽112之间的部分被分隔开，在运行时，可以作为两个相对独立的磁极使用。

进一步的，第一定子绕组13绕制在第二环槽112内，并且第一定子绕组13的端面凹陷于第一定子铁心11的端面设置，以保证第一定子铁心11的第一环槽112的两侧的位置在运行中仍然是被分隔的，在运行中作为相对独立的两个磁极使用。

如上所述，第一定子铁心11在第一环槽111和第二环槽112的分隔作用下，通过第一定子永磁体12和第一定子绕组13的设置，使得第一磁轴承定子组件1的端面被分隔为三个相对独立的环形结构。当为第一磁轴承定子组件1充磁后，第一磁轴承定子组件1朝向转子3的一端被第一间隙14和绕制第一定子绕组13后的第二环槽112分隔为三个相互独立的定子磁极使用：包括第一内磁极101、第一中磁极102和第一外磁极103。

在一个可选的实施例中，第一定子永磁体12的内环面与第一定子铁心11的内环面平齐设置。

在本发明的永磁偏置轴向磁轴承中，第一磁轴承定子组件1与转子3之间设置有第一环状气隙301，第二磁轴承定子组件2与转子3之间设置有第二环状气隙302，第一环状气隙301与第二环状气隙302结构对称设置。

在本实施例中，第一环状气隙301包括第一内环气隙301a、第一中环气隙301b和第一外环气隙301c。具体地，第一内磁极101的端面与转子3之间设置有第一内环气隙301a，第一中磁极102的端面与转子3之间设置有第一中环气隙301b，第一外磁极103的端面与转子3之间设置有第一外环气隙301c。

在一个可选的实施例中，第一内环气隙301a的高度与第一中环气隙301b的高度相等，第一外环气隙301c的高度大于第一中环气隙301b的高度设置，以增加电磁磁通回路的磁阻，防止永磁磁通通过第一外环气隙301c，实现了电磁磁通与永磁磁通的磁路解耦和轴向磁轴承的磁力解耦，提高轴向磁轴承的控制精度。

示例性地，第一外环气隙301c与第一中环气隙301b的高度差可以设置为0.08~0.15mm，例如0.1mm。例如，第一内环气隙301a和第一外环气隙301b均设置为0.4mm，第一外环气隙301c可以设置为0.5mm。

与第一磁轴承定子组件1的结构相对应的，第二磁轴承定子组件2也包括第二定子铁心21、第二定子永磁体22和第二定子绕组23。第二定子铁心21朝向转子3的端面上同心地设置有第二环槽211和第二环槽222，即第二环槽211的中心轴线与第二环槽222的中心轴线在同一条直线上。在本实施例中，第二环槽211设置在第二定子铁心21的内环面上，第二环槽222设置在第二定子铁心22的端面中部。

第二定子永磁体22嵌设在第二环槽211内，进一步的，第二定子永磁体22与第二环槽211的槽底之间通过环氧树脂胶进行固化固定，以保证第二定子永磁体22在第二环槽211内的安装稳定性，即保证了第二磁轴承定子组件2的结构稳定性。具体地，第二定子永磁体22的端面与第二定子铁心21的端面平齐设置，并且第二定子永磁体22的外环面与第二定子铁心21之间设置有第二间隙24，以保证第二定子永磁体22与第二定子铁心21的第二环槽211和第二环槽222之间的部分被分隔开，在运行时，可以作为两个相对独立的磁极使用。

进一步的，第二定子绕组23绕制在第二环槽222内，并且第二定子绕组23的端面凹陷于第二定子铁心21的端面设置，以保证第二定子铁心21的第二环槽222的两侧的位置在运行中仍然是被分隔的，在运行中作为相对独立的两个磁极使用。

如上所述，第二定子铁心21在第二环槽211和第二环槽222的分隔作用下，通过第二定子永磁体22和第二定子绕组23的设置，使得第二磁轴承定子组件2的端面被分隔为三个相对独立的环形结构。当为第二磁轴承定子组件2充磁后，第二磁轴承定子组件2朝向转子3的一端被第二间隙24和绕制第二定子绕组23后的第二环槽222分隔为三个相互独立的定子磁极使用：包括第二内磁极、第二中磁极和第二外磁极。

在一个可选的实施例中，第二定子永磁体22的内环面与第二定子铁心21的内环面平齐设置。

在本实施例中，第二环状气隙302包括第二内环气隙302a、第二中环气隙302b和第二外环气隙302c。具体地，第二内磁极的端面与转子3之间设置有第二内环气隙302a，第二中磁极的端面与转子3之间设置有第二中环气隙302b，第二外磁极的端面与转子3之间设置有第二外环气隙302c。

在一个可选的实施例中，第二内环气隙302a的高度与第二中环气隙302b的高度相等，第二外环气隙302c的高度大于第二中环气隙302b的高度设置，以增加电磁磁通回路的磁阻，防止永磁磁通通过第二外环气隙302c，实现了电磁磁通与永磁磁通的磁路解耦和轴向磁轴承的磁力解耦，提高轴向磁轴承的控制精度。

示例性地，第二外环气隙302c与第二中环气隙302b的高度差可以设置为0.1mm。例如，第二内环气隙302a和第二外环气隙302b均设置为0.4mm，第二外环气隙302c可以设置为0.5mm。

在一个可选的实施例中，第一定子永磁体12和第二定子永磁体22均选为钕铁硼合金或钐钴合金硬磁，第一定子永磁体12和第二定子永磁体的充磁方向均为轴向充磁，其充磁方向为上N下S、上S下N，或者，上S下N、上N下S。

在一个可选的实施例中，第一定子绕组13和第二定子绕组23均采用线径为0.2mm的漆包线，第一定子绕组13和第二定子绕组23的匝数相等，均为200~300匝。

示例性地，第一定子铁心11和第二定子铁心21均采用高饱和磁密的1J22棒材或电工纯铁DT4C材质。

本发明的永磁偏置轴向磁轴承，第一定子铁心11和第二定子铁心21的磁极面（即朝向转子3的端面）均采用双环形槽结构，在分别嵌设第一定子永磁体12和第二定子永磁体22、并分别绕制第一定子绕组13和第二定子绕组23后，均形成相对独立的内、中、外三个定子磁极。位于内环的第一永磁体12和第二永磁体22为轴向磁轴承提供永磁偏置磁场，承担轴向磁轴承所受的轴向力；第一定子绕组13和第二定子绕组23所产生的控制磁场分别与第一永磁体12和第二永磁体22产生的偏置磁场叠加，保持第一环状气隙301和第二环状气隙302均匀，实现转子3的无接触悬浮支承。

返回参照图1所示，本发明的永磁偏置轴向磁轴承，以第一磁轴承定子组件1为例，其永磁路径为：磁通从第一定子永磁体12的N极出发，沿着箭头的方向，依次经过第一定子铁心11的第一环槽111的底端、第一中磁极102、第一中环气隙301b、转子3朝向第一磁轴承定子组件1的一端、第一内环气隙301a，然后再回到第一定子永磁体12的S极，形成永磁磁路；第一定子绕组13线圈电流产生电磁通，沿箭头方向，依次经第一中磁极102、第一中环气隙301b、转子3朝向第一磁轴承定子组件1的一端、第一外环气隙301c、第一外磁极103，然后回到第一中磁极102，形成电磁磁路。

当转子3处于平衡位置时，转子3两侧分半与第一磁轴承定子组件1、第二磁轴承定子组件2之间的第一环状气隙301和第二环状气隙302相等、且完全对称；转子3的同一位置两侧所受的第一磁轴承定子组件1和第二磁轴承定子组件2的电磁吸力大小相等、方向相反，保证转子3所受的电磁合力为零。

当转子3沿Z轴正向偏离平衡位置时，第一内环气隙301a、第一中环气隙301b和第一外环气隙301c均减小，第二内环气隙302a、第二中环气隙302b和第二外环气隙302c均增加，第一定子绕组13内的电流减小，第二定子绕组23内的电流增大，产生沿Z轴负向的电磁合力，从而调节转子3回到平衡位置。相应的，当转子3沿Z轴负向偏离平衡位置时，第一内环气隙301a、第一中环气隙301b和第一外环气隙301c均增大，第二内环气隙302a、第二中环气隙302b和第二外环气隙302c均减小，第一定子绕组13内的电流增大，第二定子绕组23内的电流减小，产生沿Z轴正向的电磁合力，从而调节转子3回到平衡位置。

上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包含一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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 (7)

1.一种永磁偏置轴向磁轴承，其特征在于，所述永磁偏置轴向磁轴承包括分别设置在转子（3）两侧的第一磁轴承定子组件（1）和第二磁轴承定子组件（2），所述第一磁轴承定子组件（1）与所述第二磁轴承定子组件（2）关于转子（3）对称设置，且所述第一磁轴承定子组件（1）的充磁方向与所述第二磁轴承定子组件（2）的充磁方向相反；

所述第一磁轴承定子组件（1）包括第一定子铁心（11）、第一定子永磁体（12）和第一定子绕组（13），所述第一定子铁心（11）朝向转子（3）的端面上同心地设置有第一环槽（111）和第二环槽（112），所述第一定子永磁体（12）嵌设在所述第一环槽（111）内，所述第一定子永磁体（12）的端面与所述第一定子铁心（11）的端面平齐设置，且所述第一定子永磁体（12）的外环面与所述第一定子铁心（11）之间设置有第一间隙（14）；所述第一定子绕组（13）绕制在所述第二环槽（112）内，且所述第一定子绕组（13）的端面凹陷于所述第一定子铁心（11）的端面设置；

当为所述第一磁轴承定子组件（1）充磁后，所述第一磁轴承定子组件（1）朝向转子（3）的一端被所述第一间隙（14）和所述第二环槽分隔为三个相对独立的定子磁极：包括第一内磁极（101）、第一中磁极（102）和第一外磁极（103）；

所述第一内磁极（101）的端面与转子（3）之间设置有第一内环气隙（301a），所述第一中磁极（102）的端面与转子（3）之间设置有第一中环气隙（301b），所述第一外磁极（103）的端面与所述转子（3）之间设置有第一外环气隙（301c）；

所述第一内环气隙（301a）的高度与所述第一中环气隙（301b）的高度相等，所述第一外环气隙（301c）的高度大于所述第一中环气隙（301b）的高度设置。

2.如权利要求1所述的永磁偏置轴向磁轴承，其特征在于，所述第一定子永磁体（12）的内环面与所述第一定子铁心（11）的内环面平齐设置。

3.如权利要求1所述的永磁偏置轴向磁轴承，其特征在于，所述第一磁轴承定子组件（1）与转子（3）之间设置有第一环状气隙（301），所述第二磁轴承定子组件（2）与转子（3）之间设置有第二环状气隙（302）。

4.如权利要求1所述的永磁偏置轴向磁轴承，其特征在于，所述第一外环气隙（301c）与所述第一中环气隙（301b）的高度差为0.08~0.15mm。

5.如权利要求1所述的永磁偏置轴向磁轴承，其特征在于，所述第一定子永磁体（12）为钕铁硼合金或钐钴合金硬磁，所述第一定子永磁体（12）的充磁方向为轴向充磁。

6.如权利要求1所述的永磁偏置轴向磁轴承，其特征在于，所述第一定子绕组（13）采用线径为0.2mm的漆包线，所述第一定子绕组（13）的匝数为200~300匝。

7.如权利要求1所述的永磁偏置轴向磁轴承，其特征在于，所述第一定子铁心（11）采用高饱和磁密的1J22棒材或电工纯铁DT4C材质。

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