CN112065855B - 外绕组控制的四极双定子混合磁轴承 - Google Patents

外绕组控制的四极双定子混合磁轴承 Download PDF

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Abstract

本发明涉及非机械接触磁轴承技术领域，公开一种外绕组控制的四极双定子混合磁轴承，包括定子和转子。定子是由从左到右依次排列的左侧导磁桥、左侧绕组铁心、左侧内外定子铁心、内外永磁体、右侧内外定子铁心、右侧绕组铁心、右侧导磁桥。所述左侧和右侧内外定子铁心分别被四个隔磁块分为四个定子铁心，左侧和右侧相对位置的两个内外定子铁心通过绕组铁心与扇形导磁桥连接，在绕组铁心上绕制控制绕组；转子包括转子铁心，其剖面为双“H”形圆环结构，定子、转子铁心位置相对。本发明混合磁轴承控制绕组位于定子铁心外侧，有效增大了绕组空间和径向承载力，此外还可以在转子外侧和内侧同时产生悬浮力，进一步增大了径向承载力与悬浮力密度大。

Description

外绕组控制的四极双定子混合磁轴承
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四极双定子混合磁轴承，可作为飞轮系统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单定子、单转子结构，绕组绕制在径向磁极上，只在转子一面上产生悬浮力，且绕组和铁心共用径向空间，悬浮力密度不高。
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四极双定子混合磁轴承，磁极和绕组不在同一空间，且在转子内外两侧都产生悬浮力，有效增大了径向承载力与悬浮力密度大。
技术方案：本发明提供了一种外绕组控制的四极双定子混合磁轴承，包括定子和转子，所述定子包括从左到右依次排列的4个扇形的左侧导磁桥、4个呈圆环形排列的弧形左侧外绕组铁心、4个呈圆环形排列的弧形左侧内绕组铁心、左侧外定子铁心、左侧内定子铁心、内永磁体、外永磁体、右侧外定子铁心、右侧内定子铁心、4个呈圆环形排列的弧形右侧外绕组铁心、4个呈圆环形排列的弧形右侧内绕组铁心和4个扇形的右侧导磁桥；所述左侧外定子铁心、左侧内定子铁心、右侧外定子铁心、右侧内定子铁心分别被4个隔磁块沿圆心至圆周方向均匀分为4块控制铁心且位置一一对应；每个绕组铁心分别位于其对应的定子铁心的两两隔磁块之间，4个扇形的左侧导磁桥与4个扇形的右侧导磁桥分别与被分为4块的各定子铁心位置一一对应；各所述左侧导磁桥分别通过对应的左侧外绕组铁心、左侧内绕组铁心与所述左侧外定子铁心、左侧内定子铁心相连；各所述右侧导磁桥分别通过对应的右侧外绕组铁心、右侧内绕组铁心与右侧外定子铁心、右侧内定子铁心相连；所述转子包括转子铁心，其位于左侧外定子铁心、右侧外定子铁心和左侧内定子铁心、右侧内定子铁心之间。
进一步地，所述转子铁心剖面为双“H”形，其与左侧外定子铁心、左侧内定子铁心、右侧外定子铁心、右侧内定子铁心位置相对，且分别与左、右侧外定子铁心，左、右侧内定子铁心之间形成外、内气隙。
进一步地，在各所述左侧外绕组铁心、左侧内绕组铁心、右侧外绕组铁心、右侧内绕组铁心上均绕制控制绕组。
进一步地，各所述左侧外绕组铁心上的控制绕组记为左侧外控制绕组4a、左侧外控制绕组4b、左侧外控制绕组4c、左侧外控制绕组4d，所述左侧外控制绕组4a与左侧外控制绕组4c相对；各所述左侧内绕组铁心上的控制绕组记为左侧内控制绕组5a、左侧内控制绕组5b、左侧内控制绕组5c、左侧内控制绕组5d，所述左侧内控制绕组5a与左侧内控制绕组5c相对；各所述右侧外绕组铁心控制绕组记为右侧外控制绕组14a、右侧外控制绕组14b、右侧外控制绕组14c、右侧外控制绕组14d，所述右侧外控制绕组14a与右侧外控制绕组14c相对；各所述右侧内绕组铁心上的控制绕组记为右侧内控制绕组15a、右侧内控制绕组15b、右侧内控制绕组15c、右侧内控制绕组15d，所述右侧内控制绕组15a与右侧内控制绕组15c相对；所述左侧外控制绕组4a、左侧内控制绕组5c、右侧外控制绕组14a、右侧内控制绕组15c绕向相同，左侧外控制绕组4c、左侧内控制绕组5a、右侧外控制绕组14c、右侧内控制绕组15a绕线相同，且其两组绕组绕向相反，串联为Y方向控制绕组；左侧外控制绕组4b、左侧内控制绕组5d、右侧外控制绕组14b、右侧内控制绕组15d绕向相同，左侧外控制绕组4b、左侧内控制绕组5b、右侧外控制绕组14d、右侧内控制绕组15b绕线相同，且其两组绕组绕向相反，串联为X方向控制绕组。
进一步地，所述左侧外绕组铁心、右侧外绕组铁心的内径大于等于左侧外定子铁心、右侧外定子铁心的内径，所述左侧内绕组铁心、右侧内绕组铁心的外径小于等于左侧内定子铁心、右侧内定子铁心的外径。
进一步地，所述外永磁体的外径与所述左、右侧外径向定子铁心的外径相同。
进一步地，所述左侧导磁桥、右侧导磁桥、左侧外定子铁心、左侧内定子铁心、右侧外定子铁心、右侧内定子铁心、转子铁心均由整块导磁材料制成；所述内、外永磁体为稀土永磁材料制成。
有益效果：
本发明提出一种外绕组控制的四极双定子混合磁轴承，由两个定子永磁环提供静态偏置磁通，内、外定子共同控制转子，在转子内侧和外侧产生悬浮力，且控制绕组设置在磁极外侧，可以获得较大的磁极与绕组布置空间，有效增大了径向承载力和悬浮力密度大。
附图说明
图1为本发明一种外绕组控制的四极双定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四极双定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四极双定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四极双定子混合磁轴承无导磁桥左侧径向结构图。
图5为本发明一种外绕组控制的四极双定子混合磁轴承无导磁桥右侧径向结构图。
其中，1-左侧导磁桥，2-左侧外绕组铁心，3-左侧内绕组铁心，4-左侧外控制绕组，5-左侧内控制绕组，6-左侧外定子铁心，7-左侧内定子铁心，8-内永磁体，9-外永磁体，10-右侧外定子铁心，11-右侧内定子铁心，12-右侧外绕组铁心，13-右侧内绕组铁心，14-右侧外控制绕组，15-右侧内控制绕组，16-右侧导磁桥，17-左外隔磁块，18-左内隔磁块，19-右外隔磁块，20-右内隔磁块，21-转子铁心，22-内气隙，23-外气隙，24-静态偏置磁通一，25-静态偏置磁通二，26-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四极双定子混合磁轴承，包括定子和转子。所述定子包括从左到右依次排列的4个扇形左侧导磁桥1、4个呈圆环形排列的弧形左侧外绕组铁心2、4个呈圆环形排列的弧形左侧内绕组铁心3、左侧外定子铁心6、左侧内定子铁心7、内永磁体8、外永磁体9、右侧外定子铁心10、右侧内定子铁心11、4个呈圆环形排列的弧形右侧外绕组铁心12、4个呈圆环形排列的弧形右侧内绕组铁心13和4个扇形右侧导磁桥16。
4个扇形左侧导磁桥1和4个扇形右侧导磁桥16分别形成一个圆环形。左侧外定子铁心6、左侧内定子铁心7、右侧外定子铁心10、右侧内定子铁心11分别被4个隔磁块沿圆心至圆周方向均匀分为4块定子铁心且位置一一对应，参见附图2、3、4、5。左侧外定子铁心6被4个左外隔磁块17分为4个弧形结构的定子铁心，左侧内定子铁心7被4个左内隔磁块18均匀的分为4块定子铁心，右侧外定子铁心10被4个右外隔磁块19分为4块定子铁心，右侧内定子铁心11被4个右内隔磁块20分为4块定子铁心，为了便于描述，作如下标记：4个左外隔磁块17、4个左内隔磁块18、4个右外隔磁块19、4个右内隔磁块20分别记为左外隔磁块17a、左外隔磁块17b、左外隔磁块17c、左外隔磁块17d；左内隔磁块18a、左内隔磁块18b、左内隔磁块18c、左内隔磁块18d；右外隔磁块19a、右外隔磁块19b、右外隔磁块19c、右外隔磁块19d；右内隔磁块20a、右内隔磁块20b、右内隔磁块20c、右内隔磁块20d。左侧外定子铁心6、左侧内定子铁心7、右侧外定子铁心10、右侧内定子铁心11被分为的4块定子铁心分别记为左侧外定子铁心6a、左侧外定子铁心6b、左侧外定子铁心6c、左侧外定子铁心6d；左侧内定子铁心7a、左侧内定子铁心7b、左侧内定子铁心7c、左侧内定子铁心7d；右侧外定子铁心10a、右侧外定子铁心10b、右侧外定子铁心10c、右侧外定子铁心10d；右侧内定子铁心11a、右侧内定子铁心11b、右侧内定子铁心11c、右侧内定子铁心11d。左侧外定子铁心6、左侧内定子铁心7、右侧外定子铁心10、右侧内定子铁心11对应的a、b、c、d位置一一对应。
每个绕组铁心分别位于其对应的定子铁心的两两隔磁块之间，4个左侧外绕组铁心2分别记为左侧外绕组铁心2a、左侧外绕组铁心2b、左侧外绕组铁心2c、左侧外绕组铁心2d，以此类推，左侧内绕组铁心3、右侧外绕组铁心12、右侧内绕组铁心13均作相同的标记。左侧外绕组铁心2a位于左外隔磁块17a、左外隔磁块17b之间，其他位置依次类推，详细参见附图4与附图5。
4个扇形的左侧导磁桥1与4个扇形的右侧导磁桥16分别与被分为4块的各定子铁心位置一一对应，为了便于描述，记4个扇形的左侧导磁桥1分别为左侧导磁桥1a、左侧导磁桥1b、左侧导磁桥1c、左侧导磁桥1d；4个扇形的右侧导磁桥16分别为右侧导磁桥16a、右侧导磁桥16b、右侧导磁桥16c、右侧导磁桥16d。左侧导磁桥1a、右侧导磁桥16a位置对应且与左侧外定子铁心6a、左侧内定子铁心7a、右侧外定子铁心10a、右侧内定子铁心11a位置对应。
各左侧导磁桥1分别通过对应的左侧外绕组铁心2、左侧内绕组铁心3与左侧外定子铁心6、左侧内定子铁心7相连，各右侧导磁桥16分别通过对应的右侧外绕组铁心12、右侧内绕组铁心13与右侧外定子铁心10、右侧内定子铁心11相连。所以，左侧导磁桥1连接左侧外定子铁心6、左侧内定子铁心7，右侧导磁桥16连接右侧外绕组铁心12、右侧内绕组铁心13。左侧外绕组铁心2、右侧外绕组铁心12的内径大于等于左侧外定子铁心6、右侧外定子铁心10的内径，左侧内绕组铁心3、右侧内绕组铁心13的外径小于等于左侧内定子铁心7、右侧内定子铁心11的外径。
转子包括转子铁心21，其位于左侧外定子铁心6、右侧外定子铁心10和左侧内定子铁心7、右侧内定子铁心11之间。转子铁心21剖面为双“H”形，其与左侧外定子铁心6、左侧内定子铁心7、右侧外定子铁心10、右侧内定子铁心11位置相对，且分别与左侧外定子铁心6、右侧外定子铁心10，左侧内定子铁心7、右侧内定子铁心11之间形成外气隙23、内气隙22。
外永磁体9提供静态偏置磁通一24，静态偏置磁通一24的磁路为：磁通从外永磁体9的N极出发，通过左侧外定子铁心6上的一个左侧外定子铁心6a、左侧外定子铁心6b、左侧外定子铁心6c、左侧外定子铁心6d、外气隙23、转子铁心21、外气隙23、与左侧外定子铁心6a位置对应的右侧外定子铁心10a、右侧外定子铁心10b、右侧外定子铁心10c、右侧外定子铁心10d回到外永磁体9的S极。
内永磁体8提供静态偏置磁通二25，静态偏置磁通二25的磁路为：磁通从内永磁体8的N极出发，通过左侧内定子铁心7上的一个左侧内定子铁心7a、左侧内定子铁心7b、左侧内定子铁心7c、左侧内定子铁心7d，内气隙22、转子铁心21、内气隙22、与左侧内定子铁心7位置对应的右侧内定子铁心11a、右侧内定子铁心11b、右侧内定子铁心11c、右侧内定子铁心11d回到内永磁体8的S极。
在各左侧外绕组铁心2、左侧内绕组铁心3、右侧外绕组铁心12、右侧内绕组铁心13上均绕制控制绕组。左侧外绕组铁心2、左侧内绕组铁心3、右侧外绕组铁心12、右侧内绕组铁心13上的控制绕组分别为左侧外控制绕组4、左侧内控制绕组5、右侧外控制绕组14、右侧内控制绕组15。
各左侧外绕组铁心2上的控制绕组左侧外控制绕组4分别记为左侧外控制绕组4a、左侧外控制绕组4b、左侧外控制绕组4c、左侧外控制绕组4d，所述左侧外控制绕组4a与左侧外控制绕组4c相对。各左侧内绕组铁心3上的控制绕组左侧内控制绕组5分别记为左侧内控制绕组5a、左侧内控制绕组5b、左侧内控制绕组5c、左侧内控制绕组5d，左侧内控制绕组5a与左侧内控制绕组5c相对。各右侧外绕组铁心12控制绕组右侧外控制绕组14分别记为右侧外控制绕组14a、右侧外控制绕组14b、右侧外控制绕组14c、右侧外控制绕组14d，右侧外控制绕组14a与右侧外控制绕组14c相对。各右侧内绕组铁心13上的控制绕组右侧内控制绕组15分别记为右侧内控制绕组15a、右侧内控制绕组15b、右侧内控制绕组15c、右侧内控制绕组15d，右侧内控制绕组15a与右侧内控制绕组15c相对。左侧外控制绕组4a、左侧内控制绕组5c、右侧外控制绕组14a、右侧内控制绕组15c绕向相同，左侧外控制绕组4c、左侧内控制绕组5a、右侧外控制绕组14c、右侧内控制绕组15a绕线相同，且其两组绕组绕向相反，串联为Y方向控制绕组。左侧外控制绕组4b、左侧内控制绕组5d、右侧外控制绕组14b、右侧内控制绕组15d绕向相同，左侧外控制绕组4b、左侧内控制绕组5b、右侧外控制绕组14d、右侧内控制绕组15b绕线相同，且其两组绕组绕向相反，串联为X方向控制绕组。
左侧外控制绕组4、左侧内控制绕组5、右侧外控制绕组14、右侧内控制绕组15通电产生所需的两自由度径向悬浮控制磁通26，以图1中在转子上产生向上的悬浮力为例来说明控制磁路，Y方向和X方向悬浮控制磁通分为四个独立部分，Y方向控制磁通磁路为：左侧外绕组铁心2a、左侧外定子铁心6a、外气隙23、转子铁心21、内气隙22、左侧内定子铁心7a、左侧内绕组铁心3a、左侧导磁桥1a形成闭合路径；左侧外绕组铁心2c、左侧导磁桥1c、左侧内绕组铁心3c、左侧内定子铁心7c、内气隙22、转子铁心21、外气隙23、左侧外定子铁心6c形成闭合路径；右侧外绕组铁心12c、右侧外定子铁心10a、外气隙23、转子铁心21、内气隙22、右侧内定子铁心13c形成闭合路径；右侧导磁桥16a、右侧内绕组铁心13a、右侧内定子铁心11a、内气隙22、转子铁心21、外气隙23、右侧外定子铁心10a、右侧内绕组铁心12a形成闭合路径；X方向悬浮控制磁通路径可以类似得出。
悬浮原理：图1所示的是转子偏心方向线下，产生向上的悬浮力为例说明。静态偏置磁通一24、静态偏置磁通二25与径向悬浮控制磁通26相互作用，上部的外侧气隙磁场叠加增强，下部外侧气隙磁场叠加减弱，同时，上部内侧气隙磁场叠加减弱，下部内侧气隙磁场叠加增强，在转子内表面和转子外表面均产生指向向上方向的悬浮力。同理，可以分析产生X方向悬浮力的情况。
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 (7)

1.一种外绕组控制的四极双定子混合磁轴承，包括定子和转子，其特征在于，所述定子包括从左到右依次排列的4个扇形的左侧导磁桥（1）、4个呈圆环形排列的左侧外绕组铁心（2）、4个呈圆环形排列的左侧内绕组铁心（3）、左侧外定子铁心（6）、左侧内定子铁心（7）、内永磁体（8）、外永磁体（9）、右侧外定子铁心（10）、右侧内定子铁心（11）、4个呈圆环形排列的右侧外绕组铁心（12）、4个呈圆环形排列的右侧内绕组铁心（13）和4个扇形的右侧导磁桥（16）；所述左侧外定子铁心（6）、左侧内定子铁心（7）、右侧外定子铁心（10）、右侧内定子铁心（11）分别被4个隔磁块沿圆心至圆周方向均匀分为4块定子铁心且位置一一对应；每个绕组铁心分别位于其对应的定子铁心的两两隔磁块之间，4个扇形的左侧导磁桥（1）与4个扇形的右侧导磁桥（16）分别与被分为4块的各定子铁心位置一一对应；各所述左侧导磁桥（1）分别通过对应的左侧外绕组铁心（2）、左侧内绕组铁心（3）与所述左侧外定子铁心（6）、左侧内定子铁心（7）相连；各所述右侧导磁桥（16）分别通过对应的右侧外绕组铁心（12）、右侧内绕组铁心（13）与右侧外定子铁心（10）、右侧内定子铁心（11）相连；所述转子包括转子铁心（21），其位于左侧外定子铁心（6）、右侧外定子铁心（10）和左侧内定子铁心（7）、右侧内定子铁心（11）之间。
2.根据权利要求1所述的外绕组控制的四极双定子混合磁轴承，其特征在于，所述转子铁心（21）剖面为双“H”形，其与左侧外定子铁心（6）、左侧内定子铁心（7）、右侧外定子铁心（10）、右侧内定子铁心（11）位置相对，且分别与左、右侧外定子铁心（6、10），左、右侧内定子铁心（7、11）之间形成外、内气隙（23、22）。
3.根据权利要求1所述的外绕组控制的四极双定子混合磁轴承，其特征在于，在各所述左侧外绕组铁心（2）、左侧内绕组铁心（3）、右侧外绕组铁心（12）、右侧内绕组铁心（13）上均绕制控制绕组。
4.根据权利要求3所述的外绕组控制的四极双定子混合磁轴承，其特征在于，各所述左侧外绕组铁心（2）上的控制绕组记为左侧外控制绕组4a、左侧外控制绕组4b、左侧外控制绕组4c、左侧外控制绕组4d，所述左侧外控制绕组4a与左侧外控制绕组4c相对；各所述左侧内绕组铁心（3）上的控制绕组记为左侧内控制绕组5a、左侧内控制绕组5b、左侧内控制绕组5c、左侧内控制绕组5d，所述左侧内控制绕组5a与左侧内控制绕组5c相对；各所述右侧外绕组铁心（12）控制绕组记为右侧外控制绕组14a、右侧外控制绕组14b、右侧外控制绕组14c、右侧外控制绕组14d，所述右侧外控制绕组14a与右侧外控制绕组14c相对；各所述右侧内绕组铁心（13）上的控制绕组记为右侧内控制绕组15a、右侧内控制绕组15b、右侧内控制绕组15c、右侧内控制绕组15d，所述右侧内控制绕组15a与右侧内控制绕组15c相对；所述左侧外控制绕组4a、左侧内控制绕组5c、右侧外控制绕组14a、右侧内控制绕组15c绕向相同，左侧外控制绕组4c、左侧内控制绕组5a、右侧外控制绕组14c、右侧内控制绕组15a绕线相同，且其两组绕组绕向相反，串联为Y方向控制绕组；左侧外控制绕组4b、左侧内控制绕组5d、右侧外控制绕组14b、右侧内控制绕组15d绕向相同，左侧外控制绕组4b、左侧内控制绕组5b、右侧外控制绕组14d、右侧内控制绕组15b绕线相同，且其两组绕组绕向相反，串联为X方向控制绕组。
5.根据权利要求1所述的外绕组控制的四极双定子混合磁轴承，其特征在于，所述左侧外绕组铁心（2）、右侧外绕组铁心（12）的内径大于等于左侧外定子铁心（6）、右侧外定子铁心（10）的内径，所述左侧内绕组铁心（3）、右侧内绕组铁心（13）的外径小于等于左侧内定子铁心（7）、右侧内定子铁心（11）的外径。
6.根据权利要求1至5任一所述的外绕组控制的四极双定子混合磁轴承，其特征在于，所述外永磁体（9）的外径与所述左、右侧外定子铁心（6、10）的外径相同。
7.根据权利要求1至5任一所述的外绕组控制的四极双定子混合磁轴承，其特征在于，所述左侧导磁桥（1）、右侧导磁桥（16）、左侧外定子铁心（6）、左侧内定子铁心（7）、右侧外定子铁心（10）、右侧内定子铁心（11）、转子铁心（21）均由整块导磁材料制成；所述内、外永磁体（8、9）为稀土永磁材料制成。
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