CN112003391B - 定子铁芯、磁悬浮轴承、电机 - Google Patents

定子铁芯、磁悬浮轴承、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、电机，其中一种定子铁芯，用于磁悬浮轴承中，包括环形轭部，所述环形轭部具有内圆周壁与外圆周壁，其中所述外圆周壁上具有多个朝向所述内圆周壁的轴心方向延伸的极柱，所述外圆周壁的轴线与所述内圆周壁轴线之间具有间距D，D≠0。根据本发明的一种定子铁芯、磁悬浮轴承、电机，定子铁芯为非中心对称结构，使定子铁芯在部分区域的磁路横截面积增大，这有利于提高磁悬浮轴承的出力。

Description

定子铁芯、磁悬浮轴承、电机
技术领域
本发明属于磁悬浮轴承技术领域，具体涉及一种定子铁芯、磁悬浮轴承、电机。
背景技术
现有技术中主动式径向磁悬浮轴承定子铁芯1’结构为上下、左右对称分布。一般情况下，主动式径向磁悬浮轴承有N个极(即N个齿和N个槽)，极数N为：N＝8，16，32……，径向绕组线圈2’绕在径向轴承定子铁芯1’各个极柱3’上均匀分布，线圈匝数相同。径向磁悬浮轴承中各个磁极通过线圈电流在各自由度上产生电磁力，其中产生的电磁力主要是为了克服转子4’重力和调整转子4’径向位移，径向磁悬浮轴承上半部分磁极出力大于下半部分磁极出力，多余电磁力会相互抵消，这样需要径向绕组线圈2’通过较大电流来产生较大单边磁力来克服转子重力，导致其体积和功耗较大；具体的，径向磁悬浮轴承克服重力主要为轴承上半部分电磁吸力，上半部分合力大小大于下半部分电磁力合力，在结构对称情况下需提高线圈匝数或电流大小来增大出力，这使磁悬浮轴承体积或功耗变大。
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、电机，定子铁芯为非中心对称结构，使定子铁芯在部分区域的磁路横截面积增大，这有利于提高磁悬浮轴承的出力。
为了解决上述问题，本发明提供一种定子铁芯，用于磁悬浮轴承中，包括环形轭部，所述环形轭部具有内圆周壁与外圆周壁，其中所述外圆周壁上具有多个朝向所述内圆周壁的轴心方向延伸的极柱，所述外圆周壁的轴线与所述内圆周壁轴线之间具有间距D，D≠0。
可选地，在所述环形轭部的任一径向面上投影，所述内圆周壁具有圆心O，所述外圆周壁具有圆心S，所述D为圆心O与圆心S的间距，所述定子铁芯关于直线OS对称。
可选地，经过所述圆心O且垂直于所述直线OS的直线为第一直线，所述第一直线将所述环形轭部分隔为第一轭部、第二轭部，所述第一轭部的面积A1大于所述第二轭部的面积A2。
可选地，1.2A2≤A1≤6A2。
可选地，在所述环形轭部的任一径向面上投影，所述外圆周壁的半径为R，所述内圆周壁的半径为r，
Figure BDA0002641878290000021
可选地，处于所述第一轭部上的极柱的周向宽度W1大于处于所述第二轭部上的极柱的周向宽度W2。
可选地，1.2W2≤W1≤6W2。
可选地，处于所述第一轭部上的极柱关于所述直线OS对称，所述直线OS与所述内圆周壁以及所述外圆周壁交点之间的距离为H1，所述H1以及所述极柱处于所述圆心O的同侧，W1＝H1；和/或，处于所述第二轭部上的极柱20关于所述直线OS对称，所述直线OS与所述内圆周壁以及所述外圆周壁交点之间的距离为H2，所述H2以及所述极柱处于所述圆心O的同侧，W2＝H2。
本发明还提供一种磁悬浮轴承，包括上述的定子铁芯。
本发明还提供一种电机，包括上述的磁悬浮轴承。
本发明提供的一种定子铁芯、磁悬浮轴承、电机，定子铁芯为非中心对称结构，磁路横截面积较大的区域对应的磁悬浮轴承的出力得到提高，与此同时，定子铁芯满足轴承出力时工作电流较小的要求，能大大提高磁悬浮轴承运行时的可靠稳定性，很大程度减小硅钢片的损耗、降低成本、减小轴承重量，磁悬浮轴承系统的可靠性也能够得到提升。
附图说明
图1为现有技术中的磁悬浮轴向轴承的结构示意图；
图2为本发明实施例的定子铁芯的结构示意图；
图3为本发明实施例的磁悬浮轴承的结构示意图。
附图标记表示为：
10、环形轭部；101、内圆周壁；102、外圆周壁；103、第一直线；104、第一轭部；105、第二轭部；20、极柱；30、绕组线圈；40、转子；1’、定子铁芯；2’、绕组线圈；3’、极柱；4’、转子。
具体实施方式
结合参见图1至图3所示，根据本发明的实施例，提供一种定子铁芯，用于径向磁悬浮轴承中，包括环形轭部10，所述环形轭部10具有内圆周壁101与外圆周壁102，其中所述外圆周壁102上具有多个朝向所述内圆周壁101的轴心方向延伸的极柱20，所述外圆周壁102的轴线与所述内圆周壁101轴线之间具有间距D，D≠0，也即所述外圆周壁102与所述内圆周壁101的轴线不重合而存在偏离距离，此时，将在客观上导致现有技术中的圆环形状的轭部的径向厚度存在差异，也即有的部位的环形轭部10的径向厚度厚一些，而有的部位的环形轭部10的径向厚度则薄一些，具体的，如图2所示出的具有两个极柱20的定子铁芯类似，其上部的轭部径向厚道要大于下部的轭部径向厚度，如此，定子铁芯的磁路横截面积在一个区域大于另一个区域，也即与现有技术中的对称结构的定子铁芯相比较，本发明的定子铁芯为非中心对称结构，磁路横截面积较大的区域对应的磁悬浮轴承的出力得到提高，与此同时，本发明的定子铁芯满足轴承出力时工作电流较小的要求，能大大提高磁悬浮轴承运行时的可靠稳定性，很大程度减小硅钢片的损耗、降低成本、减小轴承重量，磁悬浮轴承系统的可靠性也能够得到提升。
进一步地，在所述环形轭部10的任一径向面上投影，所述内圆周壁101具有圆心O，所述外圆周壁102具有圆心S，所述D为圆心O与圆心S的间距，所述定子铁芯关于直线OS对称，此时的定子铁芯为关于直线OS镜像对称结构，在实现磁悬浮轴承部分区域出力增大的前提下还能够简化磁悬浮轴承的控制难度。
进一步地，经过所述圆心O且垂直于所述直线OS的直线为第一直线103，所述第一直线103将所述环形轭部10分隔为第一轭部104、第二轭部105，所述第一轭部104的面积A1大于所述第二轭部105的面积A2。在所述环形轭部10的任一径向面上投影，所述外圆周壁102的半径为R，所述内圆周壁101的半径为r，以下结合理论基础寻求A1与A2之间的最优范围：
径向磁悬浮轴承产生的电磁力大小为
Figure BDA0002641878290000031
μ0为空气磁导率、N为线圈匝数、A为定子铁芯磁路横截面积、i为线圈电流、x为气隙长度，A取决于定子铁芯外圆环(也即环形轭部)和极柱的横截面积。线圈匝数一定时，电磁力与线圈电流、磁路横截面积成正比，与气隙的大小成反比。轴承电磁力主要用来克服重力和调整转子径向位移，令轴承竖直向上电磁力合力大小为F1、向下合力大小为F2，调整力大小为a倍重力，调整力主要为转子旋转过程中可能受到的扰动力及转子自身不平衡量产生的离心力，a取0.1～20，则
Figure BDA0002641878290000045
上、下磁路横截面积A1、A2与电磁力F1、F2关系为
Figure BDA0002641878290000041
则
Figure BDA0002641878290000042
其中，本发明技术如附图2及3所示，通过调整径向轴承定子铁芯中的环形轭部10和极柱20结构来改变磁路横截面积，从而改变轴承定子产生的电磁力。定子铁芯的环形轭部10具体见附图3，可通过改变环形轭部10的内圆周壁101及外圆周壁102的圆心距离D(0<D<R-r)来改变环形轭部10各个位置的宽度(定子铁芯外圆环上半部分宽度约为L＝R-r+D，下半部分宽度约为l＝R-r-D)，从而改变定子铁芯磁路横截面积，满足式(4)即可。
考虑轴承线圈绕线和出力等问题，调整力取0.2～5倍重力时(0.2≤a≤5)，轴承结构最优，性能最佳，定子铁芯外圆环上半部分面积为下半部分面积的1.2～6倍(1.2A2≤A1≤6A2)。
Figure BDA0002641878290000043
即
Figure BDA0002641878290000044
两圆心距离D在式(6)范围内轴承有最优结构。
各个位置的极柱20宽度与相对应的环形轭部10的宽度保持一致，性能最佳时，定子铁芯极柱上半部分宽度为下半部分的1.2～6倍。也即，处于所述第一轭部104上的极柱20的周向宽度W1大于处于所述第二轭部105上的极柱20的周向宽度W2，1.2W2≤W1≤6W2。
可选地，处于所述第一轭部104上的极柱20关于所述直线OS对称，所述直线OS与所述内圆周壁101以及所述外圆周壁102交点之间的距离为H1，所述H1以及所述极柱20处于所述圆心O的同侧，W1＝H1；和/或，处于所述第二轭部105上的极柱20关于所述直线OS对称，所述直线OS与所述内圆周壁101以及所述外圆周壁102交点之间的距离为H2，所述H2以及所述极柱20处于所述圆心O的同侧，W2＝H2。也即所述极柱20的宽度与其对应位置的轭部的径向厚度相同，以保证形成磁悬浮轴承的性能更佳。
如图3所示出，本发明还提供一种磁悬浮轴承，包括上述的定子铁芯、绕设于所述极柱20上的绕组线圈30、以及处于所述定子铁芯内孔中的转子40。
本发明还提供一种电机，包括上述的磁悬浮轴承。
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 (9)

1.一种定子铁芯，用于磁悬浮轴承中，其特征在于，包括环形轭部(10)，所述环形轭部(10)具有内圆周壁(101)与外圆周壁(102)，其中所述外圆周壁(102)上具有多个朝向所述内圆周壁(101)的轴心方向延伸的极柱(20)，所述外圆周壁(102)的轴线与所述内圆周壁(101)轴线之间具有间距D，D≠0；在所述环形轭部(10)的任一径向面上投影，所述外圆周壁(102)的半径为R，所述内圆周壁(101)的半径为r，
Figure FDA0003033301880000011
2.根据权利要求1所述的定子铁芯，其特征在于，在所述环形轭部(10)的任一径向面上投影，所述内圆周壁(101)具有圆心O，所述外圆周壁(102)具有圆心S，所述D为圆心O与圆心S的间距，所述定子铁芯关于直线OS对称。
3.根据权利要求2所述的定子铁芯，其特征在于，经过所述圆心O且垂直于所述直线OS的直线为第一直线(103)，所述第一直线(103)将所述环形轭部(10)分隔为第一轭部(104)、第二轭部(105)，所述第一轭部(104)的面积A1大于所述第二轭部(105)的面积A2。
4.根据权利要求3所述的定子铁芯，其特征在于，1.2A2≤A1≤6A2。
5.根据权利要求3至4中任一项所述的定子铁芯，其特征在于，处于所述第一轭部(104)上的极柱(20)的周向宽度W1大于处于所述第二轭部(105)上的极柱(20)的周向宽度W2。
6.根据权利要求5所述的定子铁芯，其特征在于，1.2W2≤W1≤6W2。
7.根据权利要求5所述的定子铁芯，其特征在于，处于所述第一轭部(104)上的极柱(20)关于所述直线OS对称，所述直线OS与所述内圆周壁(101)以及所述外圆周壁(102)交点之间的距离为H1，所述H1以及所述极柱(20)处于所述圆心O的同侧，W1＝H1；和/或，处于所述第二轭部(105)上的极柱(20)关于所述直线OS对称，所述直线OS与所述内圆周壁(101)以及所述外圆周壁(102)交点之间的距离为H2，所述H2以及所述极柱(20)处于所述圆心O的同侧，W2＝H2。
8.一种磁悬浮轴承，其特征在于，包括权利要求1至7中任一项所述的定子铁芯。
9.一种电机，其特征在于，包括权利要求8所述的磁悬浮轴承。
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