CN112065853A - 外绕组控制的内外双转子混合磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非机械接触磁轴承领域，公开了一种外绕组控制的内外双转子混合磁轴承，包括定子、外转子、内转子，定子包括从左到右依次排列的左侧导磁环、四个左外侧弧形铁芯、四个左内侧弧形铁芯、左侧控制圆环、定子永磁环、右侧控制圆环、四个右内侧弧形铁芯、四个右外侧弧形铁芯以及右侧导磁环；左、右侧控制圆环通过定子永磁环连接；左、右侧导磁环通过弧形铁芯与控制圆环连接；弧形铁芯上绕制控制绕组，外、内转子分别为外、内侧转子铁芯。与现有技术相比，本发明采用一个控制圆环分别实现内外转子稳定悬浮，满足一些特殊场合的应用需求，且控制绕组位于控制圆环外侧，磁极面积可设计到最大，增大了径向承载力与悬浮力密度。

Description

外绕组控制的内外双转子混合磁轴承

技术领域

本发明涉及非机械接触磁轴承技术领域，具体涉及一种外绕组控制的内外双转子混合磁轴承，可作为飞轮系统、机床电主轴、离心机等高速传动部件的无接触悬浮支承。

背景技术

磁轴承是利用定子和转子之间的电磁力将转子悬浮于空间，使定、转子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承。目前，磁轴承按照磁力提供的方式分为以下三种：（1）主动磁轴承，由偏置电流产生偏置磁场，控制电流产生的控制磁通与偏置磁通相互叠加，从而产生可控的悬浮力，该种磁轴承体积、重量和功耗都比较大；（2）被动磁轴承，悬浮力完全由永磁体提供，所需的控制器简单，悬浮功耗小，但是刚度和阻尼都较小，一般运用于仅在一个方向上支撑物体或者是减轻作用在传统轴承上的负荷；（3）混合磁轴承，是采用永磁材料替代主动磁轴承中的电磁铁来产生偏置磁场，控制电流仅提供平衡负载或干扰的控制磁通，大大降低了磁轴承的功率损耗，缩小了磁轴承的体积，减轻其重量，并提高了承载能力。

现有的混合磁轴承结构共性都是径向定子磁极绕制控制绕组产生径向控制磁通，径向控制磁通经过径向工作气隙，与相应的偏置磁通相互作用产生径向悬浮力。该结构的混合磁轴承轴径向控制绕组占用径向空间，径向磁极面积无法做到最大，径向承载力小，轴向长度较长、临界转速低。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种外绕组控制的内外双转子混合磁轴承，由定子永磁环提供静态偏置磁通，控制绕组通电产生的控制磁通调节相应的偏置磁通，径向磁极无绕组，均位于轴向方向，磁极面积可设计到最大，有效增大了绕组空间和径向承载力。

技术方案：本发明提供了一种外绕组控制的内外双转子混合磁轴承，包括定子、外转子和内转子，所述定子包括从左到右依次排列的左侧导磁环、四个呈圆周排列的左外侧弧形铁芯、四个呈圆周排列的左内侧弧形铁芯、左侧控制圆环、定子永磁环、右侧控制圆环、四个呈圆周排列的右内侧弧形铁芯、四个呈圆周排列的右外侧弧形铁芯以及右侧导磁环；所述左侧导磁环、右侧导磁环分别包括左外侧导磁环和左内侧导磁环、右外侧导磁环、右内侧导磁环；所述左侧控制圆环、右侧控制圆环分别由一个隔磁铝环分为左外侧控制圆环和左内侧控制圆环、右外侧控制圆环和右内侧控制圆环，所述左外侧控制圆环、右外侧控制圆环、左内侧控制圆环、右内侧控制圆环分别由四个隔磁铝块沿圆心至圆周方向均匀的分为四块；所述左侧控制圆环和右侧控制圆环通过定子永磁环连接；所述左外侧导磁环、右外侧导磁环、左内侧导磁环以及右内侧导磁环分别通过其对应的四个呈圆周排列的弧形铁芯与所述左外侧控制圆环、所述右外侧控制圆环、左内侧控制圆环以及右内侧控制圆环相连；每个弧形铁芯分别位于其对应的控制圆环上的两两隔磁铝块之间；所述外转子包括外侧转子铁芯，所述内转子包括内侧转子铁芯，所述外侧转子铁芯位于左外侧控制圆环、右外侧控制圆环外圆周，所述内侧转子铁芯位于所述左内侧控制圆环、右内侧控制圆环内圆周。

进一步地，每个弧形铁芯上均绕制集中式控制绕组，所述左外侧弧形铁芯上的绕组为左外侧控制绕组，所述左内侧弧形铁芯上的绕组为左内侧控制绕组，所述右外侧弧形铁芯上的绕组为右外侧控制绕组，所述右内侧弧形铁芯上的绕组为右内侧控制绕组，所述左外侧控制绕组位于左外侧控制圆环与左外侧导磁环之间；所述左内侧控制绕组位于左内侧控制圆环与左内侧导磁环之间；所述右外侧控制绕组位于右外侧控制圆环与右外侧导磁环之间；所述右内侧控制绕组位于右内侧控制圆环与右内侧导磁环之间。

进一步地，所述左外侧控制绕组和右外侧控制绕组、左内侧控制绕组和右内侧控制绕组分别反向串联或并联后，左外侧控制绕组和左内侧控制绕组同向串联或并联，右外侧控制绕组和右内侧控制绕组同向串联或并联，控制径向两自由度。

进一步地，所述外侧转子铁芯为倒“U”形环状铁芯，其与左外侧控制圆环、右外侧控制圆环位置相对，所述内侧转子铁芯为“H”形环状铁芯，其与所述左内侧控制圆环、右内侧控制圆环位置相对。

进一步地，所述外侧转子铁芯分别与所述左外侧控制圆环、右外侧控制圆环形成外侧气隙；所述内侧转子铁芯分别与所述左内侧控制圆环、右内侧控制圆环形成内侧气隙。

进一步地，所述左侧控制圆环、右侧控制圆环、外侧转子铁芯、内侧转子铁芯、左侧导磁环、右侧导磁环以及各弧形铁芯均由整块导磁材料制成；所述定子永磁环为稀土永磁材料制成。

有益效果：

本发明由定子永磁环提供静态偏置磁通，控制绕组通电产生的控制磁通调节相应的偏置磁通；该结构的混合磁轴承径向磁极无绕组，均位于轴向方向的控制圆环的外侧，磁极面积可设计到最大，有效增大了绕组空间和径向承载力，具有结构紧凑、功耗低、装配方便的优点。

附图说明

图1为本发明一种外绕组控制的内外双转子混合磁轴承剖分与悬浮磁通图；

图2为本发明一种外绕组控制的内外双转子混合磁轴承左侧径向悬浮磁通图；

图3为本发明一种外绕组控制的内外双转子混合磁轴承右侧径向悬浮磁通图；

图4为本发明一种外绕组控制的内外双转子混合磁轴承无左侧控制圆环的左侧径向悬浮磁通图；

图5为本发明一种外绕组控制的内外双转子混合磁轴承无右侧控制圆环的右侧径向悬浮磁通图。

其中，1-外侧转子铁芯，2-内侧转子铁芯，3-定子永磁环，4-左外侧控制圆环，5-左内侧控制圆环，6-右外侧控制圆环，7-右内侧控制圆环，8-左外侧导磁环，9-左内侧导磁环，10-右外侧导磁环，11-右内侧导磁环，12-左外侧控制绕组，13-左内侧控制绕组，14-右外侧控制绕组，15-右内侧控制绕组，16-隔磁铝环A，17-隔磁铝环B，18-外侧气隙，19-内侧气隙，20-左隔磁铝块，21-右隔磁铝块，22-左外侧弧形铁芯，23-左内侧弧形铁芯，24-右外侧弧形铁芯，25-右内侧弧形铁芯，26-静态偏置磁通一，27-静态偏置磁通二，28-外径向悬浮控制磁通，29-内径向悬浮控制磁通。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

具体实施方式如图1-5所示，本发明公开了一种外绕组控制的内外双转子混合磁轴承，包括定子、内转子和外转子，定子包括从左到右依次排列的左侧导磁环、四个呈圆周排列的左外侧弧形铁芯22、四个呈圆周排列的左内侧弧形铁芯23、左侧控制圆环、定子永磁环3、右侧控制圆环、四个呈圆周排列的右内侧弧形铁芯25、四个呈圆周排列的右外侧弧形铁芯24以及右侧导磁环。左侧导磁环、右侧导磁环分别包括左外侧导磁环8和左内侧导磁环9、右外侧导磁环10、右内侧导磁环11，参见附图1。左侧控制圆环、右侧控制圆环分别由对应的隔磁铝环分为左外侧控制圆环4和左内侧控制圆环5、右外侧控制圆环6和右内侧控制圆环7，参见附图1和附图2，左侧控制圆环被左隔磁铝环16分为左外侧控制圆环4和左内侧控制圆环5，右侧控制圆环被右隔磁铝环17分为右外侧控制圆环6和右内侧控制圆环7。

左外侧控制圆环4、右外侧控制圆环6、左内侧控制圆环5、右内侧控制圆环7分别由四个隔磁铝块,沿圆心至圆周方向均匀的分为四块，而且位置一一对应。参见附图2与附图3，左外侧控制圆环4、左内侧控制圆环5分别被左隔磁铝块20分为4块，右外侧控制圆环6、右内侧控制圆环7分别被右隔磁铝块21分为4块。

左侧控制圆环和右侧控制圆环通过定子永磁环3连接，定子永磁环3的外径大于左外侧控制圆环4、右外侧控制圆环6的内径，定子永磁环3的内径小于左内侧控制圆环5、右内侧控制圆环7的外径，这样定子永磁环3将左外侧控制圆环4、右外侧控制圆环6、左内侧控制圆环5、右内侧控制圆环7 四个控制圆环固定住。左外侧导磁环8通过4个左外侧弧形铁芯22与左外侧控制圆环4相连，右外侧导磁环10通过4个右外侧弧形铁芯24与右外侧控制圆环6相连，左内侧导磁环9通过4个左内侧弧形铁芯23与左内侧控制圆环5，右内侧导磁环11通过4个右内侧弧形铁芯25与右内侧控制圆环7相连。

参见附图4与附图5，每个弧形铁芯分别位于其对应的控制圆环上的两两隔磁铝块之间，每个弧形铁芯上均绕制集中式控制绕组，左外侧弧形铁芯22上绕制左外侧控制绕组12，左内侧弧形铁芯23上绕制左内侧控制绕组13，右外侧弧形铁芯24上绕制右外侧控制绕组14，右内侧弧形铁芯25上绕制右内侧控制绕组15。

左外侧控制绕组12、右外侧控制绕组14和左内侧控制绕组13和右内侧控制绕组15用于悬浮控制，左外侧弧形铁芯22和右外侧弧形铁芯24上相对的两极绕组、左内侧弧形铁芯23和右内侧弧形铁芯25上相对的两极绕组分别反向串联或并联后，左外侧弧形铁芯22和左内侧弧形铁芯23、右外侧弧形铁芯24和右内侧弧形铁芯25同位置的绕组再同向串联或并联，控制径向两自由度。即左外侧控制绕组12与右外侧控制绕组14分别反向串联或并联、左内侧控制绕组13与右内侧控制绕组15分别反向串联或并联后，左外侧控制绕组12与左内侧控制绕组13再同向串联或并联、右外侧控制绕组14和右内侧控制绕组15再同向串联或并联，控制径向两自由度。

外转子包括外侧转子铁芯1，内转子包括内侧转子铁芯2，外侧转子铁芯1为倒“U”形环状铁芯，其与左外侧控制圆环4、右外侧控制圆环6位置相对，内侧转子铁芯2为“H”形环状铁芯，其与左内侧控制圆环5、右内侧控制圆环7位置相对。外侧转子铁芯1位于左外侧控制圆环4、右外侧控制圆环6外圆周，其分别与左外侧控制圆环4、右外侧控制圆环6位置相对且形成外侧气隙18，内侧转子铁芯2位于左内侧控制圆环5、右内侧控制圆环7内圆周，其分别与左内侧控制圆环5、右内侧控制圆环6位置相对，且形成内侧气隙19。

左侧控制圆环、右侧控制圆环、外侧转子铁芯1、内侧转子铁芯2、左侧导磁环、右侧导磁环以及各个弧形铁芯均由整块导磁材料制成；定子永磁环3为稀土永磁材料制成。

为了便于描述磁通方向，将各个被分为4块的控制圆环作如下标记：4个左外侧控制圆环4、左内侧控制圆环5、右外侧控制圆环6、右内侧控制圆环7分别记为：左外侧控制圆环4a、左外侧控制圆环4b、左外侧控制圆环4c、左外侧控制圆环4d；左内侧控制圆环5a、左内侧控制圆环5b、左内侧控制圆环5c、左内侧控制圆环5d；右外侧控制圆环6a、右外侧控制圆环6b、右外侧控制圆环6c、右外侧控制圆环6d；右内侧控制圆环7a、右内侧控制圆环7b、右内侧控制圆环7c、右内侧控制圆环7d，在图中标注参见附图4与附图5。各弧形铁芯分别标记为：左外侧弧形铁芯22a、左外侧弧形铁芯22b、左外侧弧形铁芯22c、左外侧弧形铁芯22d；左内侧弧形铁芯23a、左内侧弧形铁芯23b、左内侧弧形铁芯23c、左内侧弧形铁芯23d；右外侧弧形铁芯24a、右外侧弧形铁芯24b、右外侧弧形铁芯24c、右外侧弧形铁芯24d；右内侧弧形铁芯25a、右内侧弧形铁芯25b、右内侧弧形铁芯25c、右内侧弧形铁芯25d。

定子永磁环3提供静态偏置磁通一26与静态偏置磁通一27，静态偏置磁通一26的磁路为：磁通从定子永磁环3的N极出发，通过右外侧控制圆环6a，外侧气隙18、外侧转子铁芯1、外侧气隙18、与右外侧控制圆环6a位置对应的左外侧控制圆环4a，回到定子永磁环3的S极。静态偏置磁通二27的磁路为：磁通从定子永磁环3的N极出发，通过右内侧控制圆环7a、内侧气隙19、内侧转子铁芯2、内侧气隙19、与右内侧控制圆环7a位置对应的左内侧控制圆环5a，回到定子永磁环3的S极。

左外侧控制绕组12、右外侧控制绕组14通电产生的外径向悬浮控制磁通28，其磁路为：左外侧控制圆环4b、对应左外侧控制圆环4b的左外侧弧形铁芯22b、左外侧导磁环8、对应左外侧控制圆环4a上的左外侧弧形铁芯22a、左外侧控制圆环4a、外侧气隙18、外侧转子铁芯1、外侧气隙18、左外侧控制圆环4b形成闭合回路。

左内侧控制绕组13与右内侧控制绕组15通电产生的内径向悬浮控制磁通29，其磁路为：左内侧控制圆环5a、对应左内侧控制圆环5a上的左内侧弧形铁芯23a、左内侧导磁环9、左内侧控制圆环5b上的左内侧弧形铁芯23b、左内侧控制圆环5b、内侧气隙19、内侧转子铁芯2、内侧气隙19、左内侧控制圆环5a形成闭合回路。

悬浮原理：径向由静态偏置磁通一26、静态偏置磁通一27与外径向悬浮控制磁通28、内径向悬浮控制磁通29相互作用，使得与转子径向偏心方向相同一侧气隙磁场叠加减弱，而相反方向气隙磁场叠加增强，在转子上产生与转子偏移方向相反的力，将转子拉回径向平衡位置。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种外绕组控制的内外双转子混合磁轴承，包括定子、外转子和内转子，其特征在于，所述定子包括从左到右依次排列的左侧导磁环、四个呈圆周排列的左外侧弧形铁芯（22）、四个呈圆周排列的左内侧弧形铁芯（23）、左侧控制圆环、定子永磁环（3）、右侧控制圆环、四个呈圆周排列的右内侧弧形铁芯（25）、四个呈圆周排列的右外侧弧形铁芯（24）以及右侧导磁环；所述左侧导磁环、右侧导磁环分别包括左外侧导磁环（8）和左内侧导磁环（9）、右外侧导磁环（10）、右内侧导磁环（11）；所述左侧控制圆环、右侧控制圆环分别由一个隔磁铝环分为左外侧控制圆环（4）和左内侧控制圆环（5）、右外侧控制圆环（6）和右内侧控制圆环（7），所述左外侧控制圆环（4）、右外侧控制圆环（6）、左内侧控制圆环（5）、右内侧控制圆环（7）分别由四个隔磁铝块沿圆心至圆周方向均匀的分为四块；所述左侧控制圆环和右侧控制圆环通过定子永磁环（3）连接；所述左外侧导磁环（8）、右外侧导磁环（10）、左内侧导磁环（9）以及右内侧导磁环（11）分别通过其对应的四个呈圆周排列的弧形铁芯与所述左外侧控制圆环（4）、所述右外侧控制圆环（6）、左内侧控制圆环（5）以及右内侧控制圆环（7）相连；每个弧形铁芯分别位于其对应的控制圆环上的两两隔磁铝块之间；所述外转子包括外侧转子铁芯（1），所述内转子包括内侧转子铁芯（2），所述外侧转子铁芯（1）位于左外侧控制圆环（4）、右外侧控制圆环（6）外圆周，所述内侧转子铁芯（2）位于所述左内侧控制圆环（5）、右内侧控制圆环（7）内圆周。

2.根据权利要求1所述的一种外绕组控制的内外双转子混合磁轴承，其特征在于，每个弧形铁芯上均绕制集中式控制绕组，所述左外侧弧形铁芯（22）上的绕组为左外侧控制绕组（12），所述左内侧弧形铁芯（23）上的绕组为左内侧控制绕组（13），所述右外侧弧形铁芯（24）上的绕组为右外侧控制绕组（14），所述右内侧弧形铁芯（25）上的绕组为右内侧控制绕组（15），所述左外侧控制绕组（12）位于左外侧控制圆环（4）与左外侧导磁环（8）之间；所述左内侧控制绕组（13）位于左内侧控制圆环（5）与左内侧导磁环（9）之间；所述右外侧控制绕组（14）位于右外侧控制圆环（6）与右外侧导磁环（10）之间；所述右内侧控制绕组（15）位于右内侧控制圆环（7）与右内侧导磁环（11）之间。

3.根据权利要求2所述的一种外绕组控制的内外双转子混合磁轴承，其特征在于，所述左外侧控制绕组（12）和右外侧控制绕组（14）、左内侧控制绕组（13）和右内侧控制绕组（15）分别反向串联或并联后，左外侧控制绕组（12）和左内侧控制绕组（13）同向串联或并联，右外侧控制绕组（14）和右内侧控制绕组（15）同向串联或并联，控制径向两自由度。

4.根据权利要求1所述的一种外绕组控制的内外双转子混合磁轴承，其特征在于，所述外侧转子铁芯（1）为倒“U”形环状铁芯，其与左外侧控制圆环（4）、右外侧控制圆环（6）位置相对，所述内侧转子铁芯（2）为“H”形环状铁芯，其与所述左内侧控制圆环（5）、右内侧控制圆环（7）位置相对。

5.根据权利要求4所述的一种外绕组控制的内外双转子混合磁轴承，其特征在于，所述外侧转子铁芯（1）分别与所述左外侧控制圆环（4）、右外侧控制圆环（6）形成外侧气隙（18）；所述内侧转子铁芯（2）分别与所述左内侧控制圆环（5）、右内侧控制圆环（7）形成内侧气隙（19）。

6.根据权利要求1至5任一所述的一种外绕组控制的内外双转子混合磁轴承，其特征在于，所述左侧控制圆环、右侧控制圆环、外侧转子铁芯（1）、内侧转子铁芯（2）、左侧导磁环、右侧导磁环以及各弧形铁芯均由整块导磁材料制成；所述定子永磁环（3）为稀土永磁材料制成。

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