CN111934450B - 一种磁悬浮轴承径向定子、磁悬浮轴承、安装方法及电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁悬浮轴承径向定子、磁悬浮轴承、安装方法及电机。磁悬浮轴承径向定子，包括定子铁芯，包括定子外圈，所述定子外圈的内周壁设置有M个磁极，所述M个磁极沿所述定子外圈的内周壁周向均匀分布；其中，所述M个磁极包括沿所述定子外圈的内周壁周向设置的M₁个磁极和沿所述定子外圈的的内周壁周向设置的M₂个磁极；M≥2,M₁≥1，M₂≥1；所述M₁个磁极和所述M₂个磁极分设在所述定子外圈的径向两侧；所述M₁个磁极中的每一个磁极均设置有第一绕组；所述M₂个磁极中的每一个磁极均设置有第二绕组；所述第一绕组线圈匝数N₁大于或小于所述第二绕组的线圈匝数N₂。本发明可以降低部分绕组电感值，提高了线圈的响应速度，降低部分绕组电阻值，减少发热量。

Description

一种磁悬浮轴承径向定子、磁悬浮轴承、安装方法及电机

技术领域

本发明涉及磁悬浮轴承技术领域，尤其涉及一种磁悬浮轴承径向定子、磁悬浮轴承、安装方法及电机。

背景技术

磁悬浮轴承具有无机械接触、不需润滑、临界转速高、使用寿命长及可靠性高等特点，被广泛应用于高速、超高速领域。

磁悬浮轴承通电后容易产生热量，轴承温度过高将会影响到轴承以及磁悬浮系统的稳定运行；另一方面，轴承线圈的响应速度也是磁悬浮轴承系统稳定运行的关键因素。

现有的磁悬浮径向轴承一般采用的是绕组对称的布置方式，其大致结构包含主轴、径向位移传感器、第一径向控制线圈、第一径向磁极、第一径向定子、第一转子。

转子套设于主轴上，径向定子对应周向套设于转子外圆，径向定子内圆上均布有六个径向磁极，每个径向磁极上布置等同的径向控制线圈，径向位移传感器布置于径向轴承侧面。

通常径向电磁线圈对转子提供的是吸力，这个吸力主要分为两个部分，一部分是偏置电磁力，用来平衡主轴的重力及主轴受到的偏心磁拉力等各种稳定作用力；另一部分是控制电磁力，用来平衡主轴在旋转时受到的气动力。主轴的重力是由径向轴承的上半部绕组提供的。当主轴发生径向位移时，传感器就将检测到的位移改变量转换成信号传递给系统，进而控制径向轴承的出力大小使主轴回到中心位置。

这种结构存在以下缺点：

径向轴承上下磁极绕组一致，主轴重力由上半部分绕组平衡，下半部分绕组存在部分线圈冗余，线圈电感大，响应速度慢，线圈发热量大。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种磁悬浮轴承径向定子、磁悬浮轴承、安装方法及电机，至少用于解决现有技术中存在的下半部分绕组存在部分线圈冗余，线圈电感大，响应速度慢，线圈发热量大等技术问题，具体地：

第一方面，本发明提供一种磁悬浮轴承径向定子，包括

定子铁芯，包括定子外圈，所述定子外圈的内周壁设置有M个磁极，所述M个磁极沿所述定子外圈的内周壁周向均匀分布；其中，

所述M个磁极包括沿所述定子外圈的内周壁周向设置的M₁个磁极和沿所述定子外圈的的内周壁周向设置的M₂个磁极；M≥2,M₁≥1，M₂≥1；

所述M₁个磁极和所述M₂个磁极分设在所述定子外圈的径向两侧；

所述M₁个磁极中的每一个磁极均设置有第一绕组；所述M₂个磁极中的每一个磁极均设置有第二绕组；

所述第一绕组线圈匝数N₁大于或小于所述第二绕组的线圈匝数N₂。

进一步可选地，所述磁极个数M₁＝M₂，且所述M₁个磁极和所述M₂个磁极关于所述定子外圈径向对称分布。

进一步可选地，所述磁极个数M＝M₁+M₂。

进一步可选地，在安装状态，

若所述第一绕组线圈匝数N₁大于所述第二绕组的线圈匝数N₂，所述M₁个磁极位于所述M₂个磁极上方，

若所述第一绕组线圈匝数N₁小于所述第二绕组线圈匝数N₂，所述M₂个磁极位于所述M₁个磁极上方。

进一步可选地，若所述第一绕组线圈匝数N₁大于所述第二绕组的线圈匝数N₂，存在如下关系：

若所述第一绕组线圈匝数N₁小于所述第二绕组线圈匝数N₂，存在如下关系：

a的取值范围为：0.1<a<10。

进一步可选地，所述径向定子上设置有指示标记，用于所述径向定子安装时指示所述磁极的上下位置。

第二方面，本发明提供一种磁悬浮轴承，包括

上述径向定子；

转子，所述径向定子套设在所述转子上。

进一步可选地，

在安装状态，

若所述第一绕组线圈匝数N₁大于所述第二绕组的线圈匝数N₂，所述M₁个磁极位于所述转子上方，所述M₁个磁极为上磁极，所述M₂个磁极为下磁极，

若所述第一绕组线圈匝数N₁小于所述第二绕组的线圈匝数N₂，所述M₂个磁极位于所述转子上方，所述M₂个磁极为上磁极，所述M₁个磁极为下磁极。

第三方面，本发明提供一种上述磁悬浮轴承的安装方法，包括：

确认所述上磁极和所述下磁极；

使所述上磁极位于所述下磁极的上侧进行安装。

第四方面，提供一种电机，包括上述磁悬浮轴承。

本发明通过设置线圈匝数不同的绕组，使定子铁芯的多个磁极上上形成不对称的绕线结构，从而降低部分绕组的电感值，提高线圈响应速度，降低部分绕组的电阻值，减少线圈发热量。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明实施例径向定子的结构示意图；

图2示出本发明实施例磁悬浮轴承的爆炸结构示意图；

图3示出本发明实施例磁悬浮轴承的截面示意图。

图中：

10、径向定子；11、定子外圈；12、上磁极；13、下磁极；14、上绕组；15、下绕组；20、转子。

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。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

还需要说明的是，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，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，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商品或者系统所固有的要素。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商品或者系统中还存在另外的相同要素。

本发明通过设置线圈匝数不同的绕组，使定子铁芯的多个磁极上上形成不对称的绕线结构，从而降低部分绕组的电感值，提高线圈响应速度，降低部分绕组的电阻值，减少线圈发热量，同时还能够削减部分绕组线圈匝数，降低生产成本。以下结合具体实施例对本发明进行详细介绍。

本发明提供一种磁悬浮轴承径向定子，包括定子铁芯，定子铁芯包括定子外圈，定子外圈的内周壁设置有M个磁极，M个磁极沿定子外圈的内周壁周向均匀分布；其中，M个磁极包括沿定子外圈的内周壁周向设置的M₁个磁极和沿定子外圈的的内周壁周向设置的M₂个磁极，M₁个磁极和M₂个磁极分别连续设置，即M个磁极包括连续设置的M₁个磁极和连续设置的M₂个磁极，其中M≥2,M₁≥1，M₂≥1，M₁个磁极和M₂个磁极分设在定子外圈的径向两侧。M₁个磁极中的每一个磁极均设置有第一绕组；M₂个磁极中的每一个磁极均设置有第二绕组，即M个磁极中的至少一个磁极上设置有第一绕组，至少一个磁极上设置有第二绕组。第一绕组线圈匝数N₁大于或小于第二绕组的线圈匝数N₂，即第一绕组和第二绕组的线圈匝数不同。

优选地，M₁＝M₂，即设置第一绕组的磁极数量和设置第二绕组的磁极的数量相同，进一步地，M₁个磁极和M₂个磁极分设在定子外圈的径向两侧，并关于定子外圈的径向对称分布。

优选地，在本实施例中，M＝M₁+M₂，即M个磁极中，一部分设置第一绕组另一部分设置第二绕组。

在磁悬浮轴承径向定子的安装状态，若第一绕组线圈匝数N₁大于第二绕组的线圈匝数N₂，M₁个磁极位于M₂个磁极上方；若第一绕组线圈匝数N₁小于第二绕组线圈匝数N₂，M₂个磁极位于M₁个磁极上方。也即，设置绕组线圈匝数较多的磁极位于上方，设置绕组线圈匝数较少的磁极位于下方，从而可以避免线圈冗余，减小线圈电感，提高响应速度，并减少线圈发热量，使磁悬浮轴承的性能更好。

如图1所示，在一个具体实施例中，M₁个磁极定义为上磁极12，M₂个磁极定义为下磁极13，在安装状态时，上磁极12位于下磁极13的上方，上磁极12和下磁极13均延定子外圈11径向延伸。优选地，上磁极12、下磁极13和径向定子外圈11构造为整体结构，例如，可以由硅钢片叠压形成。

优选地，上磁极12和下磁极13的数量相同，上磁极12和下磁极13关于定子外圈11的直径对称分布，在本实施中，上磁极12设置有三个，下磁极13设置有三个，任意两个相邻的磁极之间的间隔相同。

在本实施例中，将第一绕组定义为上绕组14，第二绕组定义为下绕组15，且上绕组14的线圈匝数大于下绕组15的线圈匝数。

上绕组14设置在上磁极12上，下绕组15设置在下磁极13上，上绕组14和下绕组15沿顺时针或逆时针绕置在磁极上。

优选地，上绕组14线圈匝数为N₁，下绕组15线圈匝数为N₂，其中，

a的取值范围为：0.1<a<10。或者，当上绕组14线圈匝数为N₂，下绕组15线圈匝数为N₁，其中，

a的取值范围为：0.1<a<10。

本发明还提供一种磁悬浮轴承，如图2、图3所示，包括上述磁悬浮轴承径向定子10，和转子20，磁悬浮轴承径向定子10套设在转子20上，转子20与磁悬浮轴承径向定子10的磁极端部之间形成一定间隙，上绕组14和下绕组15沿顺时针或逆时针绕置在磁极上，上磁极12位于转子20的上侧，下磁极13位于转子20的下侧。其中，上绕组14之间形成导通磁路，产生向上的合磁力，下绕组15之间形成导通磁路，产生向下的合磁力。

在磁悬浮轴承系统中，转子20运行时受力主要由自身重力、电机磁拉力、旋转离心力组成，本实施例磁悬浮轴承中，上绕组14需要平衡转子20重力、磁拉力和离心力，下绕组15需要平衡磁拉力和离心力。设转子20重力为F₁＝mg，磁拉力、离心力合力为F₂＝aF₁，a是转子重力比上转子磁拉力及离心力合力的系数，受电机尺寸及转速影响；电机尺寸不变，转速增大，a值增大；电机尺寸增大，转速不变，a值减小。则上绕组14需提供的力为F₁+F₂＝(a+1)mg，下绕组15需提供的力为F₂＝aF₁＝amg，根据电磁力计算公式，绕组数量的平方与电磁力成正比，所以上绕组14线圈匝数N₁与下绕组15线圈匝数N₂的关系为：

优选地，在本实施例中，磁悬浮轴承为主动式磁悬浮轴承，a的取值范围定为0.1<a<10，上绕组14线圈匝数和下绕组15线圈匝数的关系为：

进一步地，径向磁悬浮轴承槽满率允许的范围在0.5-0.8之间。

优选地，每个上绕组14和下绕组15均可独立进行控制，并根据转子20的状态对各绕组进行控制，例如，当转子20的位置居中，那么不同的绕组提供的力的大小是相同的；如果转子20往左上角偏，那么左上角的上绕组14出力减小，右下角的下绕组15出力增大，如果转子20往右上角偏，那么右上角的上绕组14出力减小，左下角的下绕组15出力增大，等等，以此来平衡转子20受力，使转子20在运行过程中保持与各磁极之间的气隙相同。

所有绕组通电后，上绕组14产生的部分电磁力被用于平衡转子20自身的重力；转子20旋转过程中可能受到的扰动力及转子20自身不平衡量产生的离心力，上绕组14产生的剩余电磁力和下绕组15产生的电磁力被用于平衡转子20此部分外力，从而使转子20达到一个稳定运行的状态。

优选地，为了方便安装以及使安装更加便捷，在磁悬浮轴承上可以设置指示标记，优选地，指示标记设置在定子外圈11的轴向端面上，进一步可以在两个端面上同时设置指示标记，以使磁悬浮轴承安装更加方便。例如，可以在定子外圈11上进行标记，在设置上磁极12的部分进行标记，例如可以标记“上”等字样，或者，标记箭头等符号等。

本发明还提供一种磁悬浮轴承的安装方法，用于上述磁悬浮轴承的安装，在安装时，首先确认上绕组14和下绕组15的位置，安装过程中，确保上绕组14位于上侧。

本发明还提供一种电机，包括上述磁悬浮轴承，并采用上述安装方法进行安装。优选地，本发明提供的电机适用于压缩机等设备，以提高整机的性能，降低能耗。

本发明通过设置不对称的绕组结构，即线圈匝数不同的上绕组和下绕组，从而可以避免线圈冗余，减小线圈电感，提高响应速度，并减少线圈发热量，使磁悬浮轴承的性能更好。

以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (10)

1.一种磁悬浮轴承径向定子，其特征在于：包括

定子铁芯，包括定子外圈，所述定子外圈的内周壁设置有M个磁极，所述M个磁极沿所述定子外圈的内周壁周向均匀分布；其中，

所述M个磁极包括沿所述定子外圈的内周壁周向设置的M₁个磁极和沿所述定子外圈的的内周壁周向设置的M₂个磁极；M≥2,M₁≥1，M₂≥1；

所述M₁个磁极和所述M₂个磁极分设在所述定子外圈的径向两侧；

所述M₁个磁极中的每一个磁极均设置有第一绕组；所述M₂个磁极中的每一个磁极均设置有第二绕组；

所述第一绕组线圈匝数N₁大于或小于所述第二绕组的线圈匝数N₂。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承径向定子，其特征在于：所述磁极个数M₁＝M₂，且所述M₁个磁极和所述M₂个磁极关于所述定子外圈径向对称分布。

3.根据权利要求2所述的磁悬浮轴承径向定子，其特征在于：所述磁极个数M＝M₁+M₂。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承径向定子，其特征在于：在安装状态，

若所述第一绕组线圈匝数N₁大于所述第二绕组的线圈匝数N₂，所述M₁个磁极位于所述M₂个磁极上方，

若所述第一绕组线圈匝数N₁小于所述第二绕组线圈匝数N₂，所述M₂个磁极位于所述M₁个磁极上方。

5.根据权利要求4所述的磁悬浮轴承径向定子，其特征在于：若所述第一绕组线圈匝数N₁大于所述第二绕组的线圈匝数N₂，存在如下关系：

若所述第一绕组线圈匝数N₁小于所述第二绕组线圈匝数N₂，存在如下关系：

a的取值范围为：0.1<a<10。

6.根据权利要求1-5任一项所述的磁悬浮轴承径向定子，其特征在于：所述径向定子上设置有指示标记，用于所述径向定子安装时指示所述磁极的上下位置。

7.一种磁悬浮轴承，其特征在于：包括

权利要求1-6任一项所述的磁悬浮轴承径向定子；

转子，所述磁悬浮轴承径向定子套设在所述转子上。

8.根据权利要求7所述的磁悬浮轴承，其特征在于：在安装状态，

若所述第一绕组线圈匝数N₁大于所述第二绕组的线圈匝数N₂，所述M₁个磁极位于所述转子上方，所述M₁个磁极为上磁极，所述M₂个磁极为下磁极，

若所述第一绕组线圈匝数N₁小于所述第二绕组的线圈匝数N₂，所述M₂个磁极位于所述转子上方，所述M₂个磁极为上磁极，所述M₁个磁极为下磁极。

9.一种权利要求8所述的磁悬浮轴承的安装方法，其特征在于：

包括：

确认所述上磁极和所述下磁极；

使所述上磁极位于所述下磁极的上侧进行安装。

10.一种电机，其特征在于：包括权利要求7或8任一项所述的磁悬浮轴承。

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