CN112065854A - 一种新结构的组合式三自由度混合磁轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及磁悬浮轴承制造领域，公开了一种新结构的组合式三自由度混合磁轴承，包括左、右定子和转子，左、右定子包括左、右轴向定子，左、右永磁体，左、右径向定子；左右定子分别由四个隔磁块沿圆心至圆周均匀分为四块，左右定子通过位于左右径向定子之间的四个径向控制铁心相连接；左右轴向定子的内侧分别设置有四个轴向控制铁心，同一侧的四个轴向控制铁心通过导磁环连接。转子包括左右转子与转轴，左右转子和径向定子之间存在径向气隙，与左右轴向定子之间存在左右轴向气隙。本发明左侧和右侧偏置磁通、轴向控制磁通无耦合，当轴向偏心较大时，能够正常工作，且径向控制绕组在径向铁心一侧，可产生更大的径向悬浮力，结构紧凑、机械强度高。

Description

一种新结构的组合式三自由度混合磁轴承
技术领域
本发明涉及磁悬浮轴承制造技术领域，具体涉及一种新结构的组合式三自由度混合磁轴承。
背景技术
径向-轴向三自由度混合磁轴承集成了径向两自由度和轴向单自由度悬浮功能与一体，具有无摩擦、磨损、无需润滑和密封的优点，由其支承的高速电机系统更易于实现更高转速和更大功率运行，在航空航天、涡轮分子泵、飞轮储能、密封泵、高速电主轴等领域具有广阔的应用前景。
传统的径向-轴向三自由度混合磁轴承的常采用整块永磁体提供偏置磁通，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，而轴向控制绕组绕制在轴向控制铁心内侧，轴向和径向控制磁通与相应的偏置磁通相互作用产生径向悬浮力。这些三自由度混合磁轴承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。此外，两侧轴向气隙由一个永磁体提供偏置磁通，当转子轴向偏心较大时，会导致一侧气隙磁通很大，另一侧气隙磁通极小，这种情况下，轴向悬浮困难，并且轴向控制磁通经过的磁路较长，漏磁大，效率低，功耗大。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种新结构的组合式三自由度混合磁轴承，由左右八块径向磁化的定子永磁体提供静态偏置磁通，径向控制绕组位于两个径向定子之间，左侧和右侧偏置磁通无耦合，该结构的三自由度混合磁轴承当轴向偏心较大时，能够正常工作，且径向悬浮力大。
技术方案：本发明提供了一种新结构的组合式三自由度混合磁轴承，包括定子和转子，所述定子包括左定子、右定子，所述左定子包括左轴向定子、左永磁体以及左径向定子；所述右定子包括右轴向定子、右永磁体以及右径向定子；左轴向定子、左径向定子分别被四块左隔磁块沿圆心至圆周方向分为四块且位置一一对应；所述右轴向定子、右永磁体、右径向定子分别由四块右隔磁块沿圆心至圆周方向分为四块且位置一一对应；所述左永磁体、右永磁体分别包括4块弧形永磁体，左侧的4块弧形永磁体分别与被分为4块的左轴向定子、左径向定子的位置一一对应，右侧的4块弧形永磁体分别与被分为4块的右轴向定子、右径向定子的位置一一对应；左、右定子通过位于左、右径向定子之间的四个径向控制铁心相连接，所述四个径向控制铁心与被分为四块的左径向定子和右径向定子一一对应；左、右轴向定子相对的内侧分别设置有与分别被分为四块的左、右轴向定子一一对应的四个左、右轴向控制铁心，位于同一侧的四个轴向控制铁心均通过一个导磁环连接；所述转子包括与左、右径向定子径向位置相对设置的左、右转子和贯穿于左、右转子的转轴。
进一步地，所述左、右转子与所述左、右径向定子之间形成左、右径向气隙，与左、右轴向定子之间形成左、右轴向气隙。
进一步地，左侧的4块弧形永磁体磁化方向交替设置，右侧的4块弧形永磁体磁化方向交替设置，且左、右两侧对应位置的弧形永磁体的磁化方向相反。
进一步地，四个径向控制铁心上均绕制径向控制绕组。
进一步地，四个径向控制铁心中相对的两个径向控制铁心上绕制径向控制绕组反向串联。
进一步地，所述左、右轴向控制铁心上均绕制轴向控制绕组。
进一步地，所述左轴向控制铁心上一组相对的两个轴向控制绕组顺时针绕制，另一组相对的两个轴向控制绕组逆时针绕制；所述右轴向控制铁心上与左轴向控制铁心对应的轴向控制绕组的绕制方法与左轴向控制铁心上的轴向控制绕组绕法相同，所有的轴向控制绕组串联后，由一个线性开关功放驱动。
进一步地，所述左轴向定子、左径向定子、右轴向定子、右径向定子、径向控制铁心、轴向控制铁心以及导磁环均由整块导磁材料制成；所述左永磁体、右永磁体为稀土永磁材料制成。
有益效果：
本发明由左右八块径向磁化的定子永磁体提供静态偏置磁通，径向控制绕组通电产生的径向控制磁通和轴向绕组通电产生的轴向控制磁通调节相应的气隙磁通，产生径向和轴向悬浮力。其有益效果包括：1.左侧和右侧轴向偏置磁通互相独立，当轴向偏心较大时，能够高效实现转子轴向悬浮；2. 径向定子上无绕组，机械强度高，径向悬浮力大；3.轴向控制磁路短，漏磁小，效率高，功耗低。
附图说明
图1为本发明组合式三自由度混合磁轴承结构图；
图2为本发明组合式三自由度混合磁轴承正视磁通图；
图3为本发明组合式三自由度混合磁轴承左侧视图；
图4为本发明组合式三自由度混合磁轴承右侧视图；
图5为本发明组合式三自由度混合磁轴承左导磁环示意图；
图6为本发明组合式三自由度混合磁轴承右导磁环示意图；
图7为本发明组合式三自由度混合磁轴承左侧径向定子与偏置磁路示意图；
图8为本发明组合式三自由度混合磁轴承右侧结径向定子与偏置磁路示意图；
图9为本发明组合式三自由度混合磁轴承径向绕组结构示意图；
图10为本发明组合式三自由度混合磁轴承左侧轴向绕组示意图；
图11为本发明组合式三自由度混合磁轴承右侧轴向绕组示意图。
其中，1-定子，2-转子，3-左定子，4-右定子，5-左轴向定子，6-左永磁体，7-左径向定子，8-右轴向定子，9-右永磁体，10-右径向定子，11-左隔磁块，12-右隔磁块，13-径向控制铁心，14-径向控制绕组，15-左轴向控制铁心，16-右轴向控制铁心，17-左轴向控制绕组，18-右轴向控制绕组，19-左导磁环，20-右导磁环，21-左转子，22-右转子，23-转轴，24-左径向气隙，25-右径向气隙，26-左轴向气隙，27-右轴向气隙，28-静态偏置磁通一，29-静态偏置磁通二，30-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1-11所示，本发明公开了一种新结构的组合式三自由度混合磁轴承，包括定子1和转子2，定子1包括左定子3、右定子4，参见附图1，左定子3包括左轴向定子5、左永磁体6以及左径向定子7，右定子4包括右轴向定子8、右永磁体9以及右径向定子10。左轴向定子5、左径向定子7分别被四块左隔磁块11沿圆心至圆周方向分为四块且位置一一对应；右轴向定子8、右径向定子10分别由四块右隔磁块12沿圆心至圆周方向分为四块且位置一一对应，参见附图7与附图8，为了便于描述，本实施方式中做如下标记，四块左隔磁块11分别记为左隔磁块11a、左隔磁块11b、左隔磁块11c、左隔磁块11d；四块右隔磁块12分别记为右隔磁块12a、右隔磁块12b、右隔磁块12c、右隔磁块12d；左轴向定子5被分为的四块分别记为左轴向定子5a、左轴向定子5b、左轴向定子5c、左轴向定子5d；左径向定子7被分为的四块分别记为左径向定子7a、左径向定子7b、左径向定子7c、左径向定子7d；右轴向定子8被分为的四块分别记为右轴向定子8a、右轴向定子8b、右轴向定子8c、右轴向定子8d；右径向定子10被分为的四块分别记为右径向定子10a、右径向定子10b、右径向定子10c、右径向定子10d。
左永磁体6、右永磁体9分别包括4块弧形永磁体，左侧的四块弧形永磁体分别记为左永磁体6a、左永磁体6b、左永磁体6c、左永磁体6d，右侧的四块弧形永磁体分记为右永磁体9a、右永磁体9b、右永磁体9c、右永磁体9d。
左侧的4块弧形永磁体分别与被分为4块的左轴向定子5、左径向定子7的位置一一对应，右侧的4块弧形永磁体分别与被分为4块的右轴向定子8、右径向定子10的位置一一对应。参见附图7与附图8所示。即左永磁体6a与左轴向定子5a、左径向定子7b位置对应，以此类推，此处不再赘述。并且永磁体位于轴向定子与径向定子之间，例如，左永磁体6a位于左轴向定子5a、左径向定子7b之间，以此类推。
左定子3和右定子4通过位于左径向定子7、右径向定子10之间的四个径向控制铁心13相连接，本实施方式中，为了便于描述，四个径向控制铁心13分别记为径向控制铁心13a、径向控制铁心13b、径向控制铁心13c、径向控制铁心13d。四个径向控制铁心与被分为四块的左径向定子7和右径向定子10一一对应，即左径向定子7a通过径向控制铁心13a与右径向定子10a相连，左径向定子7b通过径向控制铁心13b与右径向定子10b相连，左径向定子7c通过径向控制铁心13c与右径向定子10c相连，左径向定子7d通过径向控制铁心13d与右径向定子10d相连。四个径向控制铁心：径向控制铁心13a、径向控制铁心13b、径向控制铁心13c、径向控制铁心13d上均绕制径向控制绕组14，为了便于描述，绕制于四个径向控制铁心上的径向控制绕组分别记为径向控制绕组14a、径向控制绕组14b、径向控制绕组14c、径向控制绕组14d。
左轴向定子5和右轴向定子8相对的内侧分别设置有与分别被分为四块的左轴向定子5、右轴向定子8一一对应的四个轴向控制铁心，分别记为左轴向控制铁心15和右轴向控制铁心16，左轴向控制铁心15和右轴向控制铁心16上均绕制轴向控制绕组，分别记为左轴向控制绕组17、右轴向控制绕组18。参见附图10与附图11，为了便于描述，4个左轴向控制铁心分别记为左轴向控制铁心15a、左轴向控制铁心15b、左轴向控制铁心15c、左轴向控制铁心15d，4个右轴向控制铁心分别记为右轴向控制铁心16a、右轴向控制铁心16b、右轴向控制铁心16c、右轴向控制铁心16d。左轴向控制铁心15a设置于左轴向定子5a的内侧，左轴向控制铁心15b设置于左轴向定子5b的内侧，以此类推。在左轴向控制铁心15a、左轴向控制铁心15b、左轴向控制铁心15c、左轴向控制铁心15d、右轴向控制铁心16a、右轴向控制铁心16b、右轴向控制铁心16c、右轴向控制铁心16d上均绕制轴向控制绕组，为了便于在附图中进行标注，8个轴向控制绕组分别记为：左轴向控制绕组17a、左轴向控制绕组17b、左轴向控制绕组17c、左轴向控制绕组17d、右轴向控制绕组18a、右轴向控制绕组18b、右轴向控制绕组18c、右轴向控制绕组18d。
位于左侧的四个左轴向控制铁心（左轴向控制铁心15a、左轴向控制铁心15b、左轴向控制铁心15c、左轴向控制铁心15d）通过一个左导磁环19连接。位于右侧的四个右轴向控制铁心（右轴向控制铁心16a、右轴向控制铁心16b、右轴向控制铁心16c、右轴向控制铁心16d）通过一个右导磁环20连接。
转子2包括与左径向定子7、右径向定子10相对应设置的左转子21、右转子22和贯穿于左转子21、右转子22的转轴23，左转子21与右转子22设置于左径向定子7、右径向定子10内且左转子21与左径向定子7在径向位置相对，右转子22与右径向定子10在径向位置相对。
左转子21与左径向定子7之间形成左径向气隙24，右转子22与右径向定子10之间形成右径向气隙25，左转子21与左轴向定子5之间形成左轴向气隙26，右转子22与右轴向定子8之间形成右轴向气隙27。
左轴向定子5、左径向定子7、右轴向定子8、右径向定子10、径向控制铁心13、左、右轴向控制铁心15、16以及左导磁环19、右导磁环20均由整块导磁材料制成。左永磁体6、右永磁体9为稀土永磁材料制成。
左侧的四个弧形永磁体（左永磁体6a、左永磁体6b、左永磁体6c、左永磁体6d）磁化方向交替设置，右侧的四个弧形永磁体（右永磁体9a、右永磁体9b、右永磁体9c、右永磁体9d）磁化方向交替设置，且左、右两侧对应位置的弧形永磁体的磁化方向相反，即左永磁体6a与右永磁体9a的磁化方向是相反的。
四个径向控制铁心（径向控制铁心13a、径向控制铁心13b、径向控制铁心13c、径向控制铁心13d）上相对的两个径向控制绕组反向串联。即径向控制绕组14a与径向控制绕组14c反向串联，径向控制绕组14b和径向控制绕组14d反向串联。
左轴向定子5和右轴向定子8上一组相对的轴向控制绕组同向绕制，左轴向定子5和右轴向定子8上另一组相对的轴向控制绕组同向绕制，且两组绕向相反。即可以描述为：左轴向控制绕组17a、左轴向控制绕组17c与右轴向控制绕组18a、右轴向控制绕组18c同向绕制，左轴向控制绕组17b、左轴向控制绕组17d右轴向控制绕组18b、右轴向控制绕组18d同向绕制，而且左轴向控制绕组17a、左轴向控制绕组17c、右轴向控制绕组18a、右轴向控制绕组18c的绕向与左轴向控制绕组17b、左轴向控制绕组17d、右轴向控制绕组18b、右轴向控制绕组18d的绕向相反，然后八个轴向控制绕组串联后由一个开关功放驱动。还可以描述为：左轴向控制绕组17a、左轴向控制绕组17c与右轴向控制绕组18a、右轴向控制绕组18c均顺时针绕制，左轴向控制绕组17b、左轴向控制绕组17d右轴向控制绕组18b、右轴向控制绕组18d均逆时针绕制，之后8个轴向控制绕组串联后由一个开关功放驱动。
左永磁体6、右永磁体9提供静态偏置磁通一28、静态偏置磁通二29，静态偏置磁通一28的磁路参见附图2、附图3与附图4，其磁路为：磁通从左永磁体6的N极出发，通过左径向定子、左径向气隙、左转子21、左轴向气隙26、左轴向定子5，回到左永磁体6的S极。静态偏置磁通二29的磁路为：磁通从右永磁环9的N极出发，通过右径向定子10、右径向气隙25、右转子22、右轴向气隙27、右轴向定子8，回到右永磁环9的S极。
径向控制绕组14（径向控制绕组14a、径向控制绕组14b、径向控制绕组14c、径向控制绕组14d）通电产生的径向悬浮控制磁通30，其磁路为：左径向定子7、左径向气隙24、左转子21、右转子22、右径向气隙25、右径向定子10、左径向定子7形成闭合路径。
左轴向控制铁心15、右轴向控制铁心16上的左轴向控制绕组、右轴向控制绕组（左轴向控制绕组17a、左轴向控制绕组17b、左轴向控制绕组17c、左轴向控制绕组17d、右轴向控制绕组18a、右轴向控制绕组18b、右轴向控制绕组18c、右轴向控制绕组18d）通电产生轴向悬浮控制磁通，其磁路为：左轴向定子5a和左轴向定子5c、左轴向气隙26、左转子21、左轴向定子5b和左轴向定子5d、左导磁环19形成闭合路径；右轴向定子8a、右轴向定子8c、右轴向气隙27、右转子铁心22、右轴向定子8b和右轴向定子8d、右导磁环20形成闭合路径。
悬浮原理：径向由静态偏置磁通一28、静态偏置磁通二29与径向悬浮控制磁通30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；轴向悬浮原理是：轴向偏置磁通与轴向控制磁通相互作用产生轴向悬浮力使得转子稳定悬浮。
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 (8)

1.一种新结构的组合式三自由度混合磁轴承，包括定子（1）和转子（2），其特征在于，所述定子（1）包括左定子（3）、右定子（4），所述左定子（3）包括左轴向定子（5）、左永磁体（6）以及左径向定子（7）；所述右定子（4）包括右轴向定子（8）、右永磁体（9）以及右径向定子（10）；左轴向定子（5）、左径向定子（7）分别被四块左隔磁块（11）沿圆心至圆周方向分为四块且位置一一对应；所述右轴向定子（8）、右径向定子（10）分别由四块右隔磁块（12）沿圆心至圆周方向分为四块且位置一一对应；所述左永磁体（6）、右永磁体（9）分别包括4块弧形永磁体，左侧的4块弧形永磁体分别与被分为4块的左轴向定子（5）、左径向定子（7）的位置一一对应，右侧的4块弧形永磁体分别与被分为4块的右轴向定子（8）、右径向定子（10）的位置一一对应；左、右定子（3、4）通过位于左、右径向定子（7、10）之间的四个径向控制铁心（13）相连接，所述四个径向控制铁心（13）与被分为四块的左、右径向定子（7、10）一一对应；左、右轴向定子（5、8）相对的内侧分别设置有与分别被分为四块的左、右轴向定子（5、8）一一对应的四个左、右轴向控制铁心（15、16），位于同一侧的四个轴向控制铁心均通过一个导磁环连接；所述转子（2）包括与左、右径向定子（7、10）径向位置相对设置的左、右转子（21、22）和贯穿于左、右转子（21、22）的转轴（23）。
2.根据权利要求1所述的新结构的组合式三自由度混合磁轴承，其特征在于，所述左、右转子（21、22）与所述左、右径向定子（7、10）之间形成左、右径向气隙（24、25），与左、右轴向定子（5、8）之间形成左、右轴向气隙（26、27）。
3.根据权利要求1所述的新结构的组合式三自由度混合磁轴承，其特征在于，左侧的4块弧形永磁体磁化方向交替设置，右侧的4块弧形永磁体磁化方向交替设置，且左、右两侧对应位置的弧形永磁体的磁化方向相反。
4.根据权利要求1所述的新结构的组合式三自由度混合磁轴承，其特征在于，四个径向控制铁心上均绕制径向控制绕组。
5.根据权利要求4所述的新结构的组合式三自由度混合磁轴承，其特征在于，四个径向控制铁心中相对的两个径向控制铁心上绕制径向控制绕组反向串联。
6.根据权利要求1所述的新结构的组合式三自由度混合磁轴承，其特征在于，所述左、右轴向控制铁心（15、16）上均绕制轴向控制绕组。
7.根据权利要求6所述的新结构的组合式三自由度混合磁轴承，其特征在于，所述左轴向控制铁心（15）上一组相对的两个轴向控制绕组顺时针绕制，另一组相对的两个轴向控制绕组逆时针绕制；所述右轴向控制铁心（16）上与左轴向控制铁心（15）对应的轴向控制绕组的绕制方法与左轴向控制铁心（15）上的轴向控制绕组绕法相同，所有的轴向控制绕组串联后，由一个线性开关功放驱动。
8.根据权利要求1至7任一所述的新结构的组合式三自由度混合磁轴承，其特征在于，所述左轴向定子（5）、左径向定子（7）、右轴向定子（8）、右径向定子（10）、径向控制铁心、轴向控制铁心以及导磁环均由整块导磁材料制成；所述左永磁体（6）、右永磁体（9）为稀土永磁材料制成。
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Application publication date: 20201211

Assignee: HUAI'AN FEMCO STEEL TECHNOLOGY CO.,LTD.

Assignor: HUAIYIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980045340

Denomination of invention: A New Structure of Combined Three Degrees of Freedom Hybrid Magnetic Bearing

Granted publication date: 20230630

License type: Common License

Record date: 20231102

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20240325

Address after: 230000 Room 203, building 2, phase I, e-commerce Park, Jinggang Road, Shushan Economic Development Zone, Hefei City, Anhui Province

Patentee after: Hefei Jiuzhou Longteng scientific and technological achievement transformation Co.,Ltd.

Country or region after: China

Address before: 223005 Jiangsu Huaian economic and Technological Development Zone, 1 East Road.

Patentee before: HUAIYIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Country or region before: China

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