CN113048148A - 磁轴承及应用其的旋转机构 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种磁轴承及应用其的旋转机构，该磁轴承包括磁转子组件及与磁转子组件配合的磁定子组件；磁转子组件包括转子轴与套设于转子轴上的推力盘；磁定子组件包括轴承定子、永磁环、导磁环以及线圈绕组；轴承定子包括有中心通道、沿周向设置的线圈环槽以及连接中心通道与线圈环槽的开口槽，推力盘位于中心通道中且部分嵌入开口槽中，导磁环位于中心通道中且与推力盘以及轴承定子间隔设置，永磁环设置于轴承定子与导磁环的间隔中，线圈绕组设置于线圈环槽内。通过上述方式，本申请可以减少转子轴的轴向长度，进而提高转子轴的临界速度。

Description

磁轴承及应用其的旋转机构

技术领域

本申请涉及磁轴承领域，特别涉及一种磁轴承及应用其的旋转机构。

背景技术

磁悬浮轴承是利用精确控制的电磁力将转子稳定悬浮，使定转子之间没有机械接触的一种高性能轴承。由于定、转子之间不存在机械上的接触，所以磁悬浮轴承的转子可达到很高的运转转速。同时，由于电磁力可以通过专门的控制系统精确调节，因此刚度和阻尼可调。磁悬浮轴承具有能耗低、寿命长、无润滑、无污染等优点，特别适合高速、真空和超洁净等特殊的应用场合。

现有技术中，通过沿轴承轴向设置两个磁导体，并在两个磁导体之间设置永磁体，在磁导体内设置有线圈绕组，通过永磁体与线圈绕组配合提供轴向磁通回路从而实现对内部转子的控制，但是由于磁通回路是轴向设置的，因此，内部转子需要作为磁导磁参与该磁通回路，这样会增加整个转子的轴向长度，进而减少转子的临界转速。

发明内容

本申请主要提供一种磁轴承及应用其的旋转机构，以解决现有技术由于转子的轴向长度较大导致转子临界速度较低的问题。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种磁轴承，所述磁轴承包括磁转子组件及与所述磁转子组件配合的磁定子组件；所述磁转子组件包括转子轴与套设于所述转子轴上的推力盘；所述磁定子组件包括轴承定子、永磁环、导磁环以及线圈绕组；其中，所述轴承定子包括有中心通道、沿周向设置的线圈环槽以及连接所述中心通道与所述线圈环槽的开口槽，所述推力盘位于所述中心通道中且部分嵌入所述开口槽中，所述导磁环位于所述中心通道中且与所述推力盘以及轴承定子间隔设置，所述永磁环设置于所述轴承定子与所述导磁环的间隔中，所述线圈绕组设置于所述线圈环槽内；其中，所述永磁环用于生成永磁磁通回路，所述永磁磁通回路从所述永磁环出发并依次穿过导磁环、推力盘以及轴承定子回到所述永磁环，或所述永磁磁通回路从所述永磁环出发并依次穿过及轴承定子、推力盘、导磁环回到所述永磁环；所述线圈绕组用于在施加电流后生成电磁磁通回路，所述电磁磁通回路在所述轴承定子上且绕所述线圈环槽传输；所述永磁磁通回路与所述电磁磁通回路配合在所述推力盘沿轴线方向的两侧形成磁通密度偏差，进而对所述转子轴进行控制。

根据本申请提供的一实施方式，所述线圈绕组在所述线圈环槽内的槽满率大于或等于50％，小于或等于70％。

根据本申请提供的一实施方式，所述线圈绕组在所述线圈环槽内的槽满率60％。

根据本申请提供的一实施方式，位于所述开口槽内的推力盘与所述开口槽的槽侧壁的气隙为0.5mm。

根据本申请提供的一实施方式，所述轴承定子、永磁环、线圈绕组、导磁环、转子轴以及推力盘的轴线均位于同一直线上。

根据本申请提供的一实施方式，所述永磁环的径向宽度等于轴承定子与所述导磁环的间隔宽度。

根据本申请提供的一实施方式，所述永磁环设置于所述轴承定子与所述导磁环的间隔中远离所述推力盘的一端。

根据本申请提供的一实施方式，所述永磁环、轴承定子以及导磁环垂直于轴线的外表面平齐。

根据本申请提供的一实施方式，所述转子轴为磁导体或磁绝缘体。

解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种旋转机构，所述旋转机构包括上述中任一项所述的磁轴承。

本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请通过将轴承定子、永磁环以及导磁环沿着径向进行设置，可以有效的减少磁轴承的轴向距离，且进一步的，由于永磁环与线圈绕组的磁通回路均是沿径向方向，因此转子轴无需作为导磁体参与永磁环与线圈绕组的磁通回路，可以有效的减少转子轴在轴向上的长度，进而可以提高转子轴的临界速度，且由于磁通回路均沿着径向进行传输，转子轴可以为磁绝缘体，进而减少成本。且进一步的，导磁环位于永磁环产生磁通回路上，因此导磁环可以提供一定的基础轴向磁力，进而可以作为轴向的重力卸载和重力抵消，进而减少对轴向控制力的需求，减少轴向控制的难度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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，其中：

图1是本申请提供的磁轴承第一实施方式的结构示意图；

图2是图1所示磁轴承中永磁环提供的永磁磁通回路的示意图；

图3是图1所示磁轴承中线圈绕组提供的第一方向电流的电磁磁通回路的示意图；

图4是图1所示磁轴承中线圈绕组提供的第二方向电流的电磁磁通回路的示意图；

图5是图1所示磁轴承中永磁环提供的永磁磁通与线圈绕组提供的第一方向电流磁通混合后的磁通回路；

图6是图1所示磁轴承中永磁环提供的永磁磁通与线圈绕组提供的第二方向电流磁通混合后的磁通回路。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

需要说明，若本申请实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

请参阅图1-图6，本申请提供一种磁轴承10，该磁轴承10包括有磁转子组件100及与磁转子组件100配合的磁定子组件200。

如图1所示，磁转子组件100包括转子轴110与套设于转子轴上的推力盘120。推力盘120可以是具有一定轴向厚度的圆环，且与转子轴110同轴设置。具体的，推力盘120具体可以是磁导体。

继续参照图1，磁定子组件200包括轴承定子210、永磁环220、导磁环230以及线圈绕组240。

其中，轴承定子210包括有中心通道211、沿周向设置的线圈环槽212以及连接中心通道211与线圈环槽212的开口槽213。具体地，轴承定子210也可以是具有一定轴向厚度的圆环，整个轴承定子210的内部围合形成一个中心通道211，进一步的，轴承定子210中沿着轴承定子210的周向开设有线圈环槽212，且线圈环槽212具体可以是方形环槽，这里不做具体限定。进一步的，线圈环槽212与中心通道211之间开设有开口槽213，且开口槽213沿轴线方向的长度小于线圈环槽212沿轴线方向的长度。可选地，开口槽213位于线圈环槽212沿轴线方向的中间区域。在本申请的具体实施例中，轴承定子210也可以是为磁导体。

如图1所示，推力盘120位于中心通道211中且部分嵌入开口槽213中，即推力盘120的主体部分位于轴承定子210的中心通道211中，推力盘120的部分则嵌入到开口槽213中。

导磁环230位于中心通道211中且与推力盘120以及轴承定子210间隔设置，具体地，导磁环230也可以是具有一定轴向厚度的圆环。且整体均位于中心通道211中并位于推力盘120沿轴线方向的一侧。导磁环230具体也可以是个磁导体。

永磁环220设置于轴承定子210与导磁环230的间隔中，线圈绕组240设置于线圈环槽212内。具体地，线圈绕组240也为环形结构，且设置于线圈环槽212内，使得线圈绕组240整体绕推力盘120设置。

在具体实施例中，永磁环220用于生成永磁磁通回路，永磁磁通回路从永磁环220出发并依次穿过导磁环230、推力盘120以及轴承定子210回到永磁环220，或永磁磁通回路从永磁环220出发并依次穿过及轴承定子210、推力盘120以及导磁环230回到永磁环220。且永磁磁通回路的方向和永磁环220的N极与S极的设置方向有关，此处不对永磁磁通回路的具体方向限定。

线圈绕组240用于在施加电流后生成电磁磁通回路，电磁磁通回路在轴承定子210上且绕线圈环槽212传输。电磁磁通回路的方向和电流方向相关，此处不做限定。

永磁磁通回路与电磁磁通回路配合在推力盘120沿轴线方向的两侧形成磁通密度偏差，进而对转子轴110进行控制。具体地，永磁磁通回路的磁通密度与电磁磁通回路的磁通密度会在推力盘120沿轴线方向的一侧叠加或削弱，在推力盘120沿轴线方向的另一侧削弱或叠加，从而使得在推力盘120沿轴线方向的两侧形成磁通密度偏差，进而对转子轴110进行控制。

如图2所示，图2为永磁环220提供的永磁磁通回路的示意图，永磁环220沿着径向充磁从而形成一路永磁磁通回路。具体地，永磁磁通回路的磁力线从永磁环220的N级出发，随后进入到轴承定子210中并进行分流形成两股磁力线，随后在推力盘120与轴承定子210的连接位置进行合流形成一股磁力线，并依次径向通过推力盘120与轴向通过导磁环230并返回到永磁环220的S级。

在具体实施例中，由于永磁环220产生的永磁磁通回路为径向磁路，因此转子轴110可以为磁导体或磁绝缘体。可选的，由于永磁环220产生的永磁磁通回路无需通过转子轴110，则转子轴110可以为磁绝缘体，进而减少成本。

具体的，转子轴110可以通过不导磁材料所制备而成，如非金属材料，或者如铜等铁钴镍及其合金以外的金属及合金。因此，使得整个转子轴110的材料具有更多的选择性，进而可以提供转子轴110的强度或者其他性能。

如图3和图4所示，图3和图4为线圈绕组240提供的电磁磁通回路示意图，线圈绕组240对应沿着径向充磁从而形成一条电磁磁通回路。具体地，通过对线圈绕组240施加第一方向的电流及与第一方向相反的第二方向的电流会形成不同的电磁磁通回路。如图3所示，通过对线圈绕组240施加第一方向的电流时，线圈绕组240沿着径向充磁从而形成第一方向电流的电磁磁通回路，由于永磁环220对线圈绕组240产生的磁力绝缘，因此，线圈绕组240生成的磁通只在轴承定子210上进行传输，具体在轴承定子210上沿着轴向的截面方向形成第一方向电流的电磁磁通回路，具体为逆时针回路。相应的，如图4所示，通过对线圈绕组240施加第二方向的电流时，线圈绕组240沿着径向充磁从而形成第二方向电流的电磁磁通回路，并在轴承定子210上沿着轴向的截面方向形成第二方向电流的电磁磁通回路，具体为顺时针回路。

在一具体场景中，当永磁环220生成永磁磁通回路与线圈绕组240在第一方向的电流下产生的电磁磁通回路共同作用时，推力盘120在靠近永磁环220的一侧磁通密度有所削弱，推力盘120在背离永磁环220一侧的磁通密度有所叠加，从而使得推力盘120背离永磁环220一侧的磁通密度大于靠近永磁环220一侧的磁通密度，则对推力盘120的控制力朝向推力盘120背离永磁环220一侧。

在另一具体场景中，当永磁环220生成永磁磁通回路与线圈绕组240在第二方向的电流下产生的电磁磁通回路共同作用时，推力盘120在靠近永磁环220的一侧磁通密度有所叠加，推力盘120在背离永磁环220一侧的磁通密度有所削弱，从而使得推力盘120背离永磁环220一侧的磁通密度小于靠近永磁环220一侧的磁通密度，则对推力盘120的控制力朝向靠近永磁环220一侧。

在一具体场景中，当永磁环220生成的永磁磁通回路与线圈绕组240所生成的电磁磁通回路的磁通密度相同时，如图5为永磁环220提供的永磁磁通与线圈绕组240在第一方向的电流下提供的第一方向电流磁通的混合后磁通回路示意图。如图6为永磁环220提供的永磁磁通与线圈绕组240在第二方向的电流下提供的第二方向电流磁通的混合后磁通回路示意图。

具体地，通过控制推力盘120在背离永磁环220一侧的磁通密度与靠近永磁环220一侧的磁通密度之间的磁通密度偏差，从而可以实现对磁转子组件100的悬浮控制。

在具体实施例中，永磁环220与线圈绕组240所产生的磁通回路的磁通密度均可以处于同一范围值中，具体可以为0.6-0.8T。

且上述实施例中，通过将轴承定子210、永磁环220以及导磁环230沿着径向进行设置，可以有效的减少磁轴承10的轴向距离，且进一步的，由于永磁环220与线圈绕组240的磁通回路均是沿径向方向，因此转子轴110无需作为导磁体参与永磁环220与线圈绕组240的磁通回路，可以有效的减少转子轴110在轴向上的长度，进而可以提高转子轴110的临界速度，且由于磁通回路均沿着径向进行传输，转子轴110可以为磁绝缘体，进而减少成本。且进一步的，导磁环230位于永磁环220产生磁通回路上，因此导磁环230可以提供一定的基础轴向磁力，进而可以作为轴向的重力卸载和重力抵消，进而减少对轴向控制力的需求，减少轴向控制的难度。

在具体实施例中，线圈绕组240在线圈环槽212内的槽满率大于或等于50％，小于或等于70％。可选的，线圈绕组240在线圈环槽212内的槽满率60％。

在具体实施例中，线圈绕组240与线圈环槽212的槽内壁的气隙为2-4mm，可选为3mm。

在具体实施例中，位于开口槽213内的推力盘120与开口槽213的槽侧壁的气隙为0.5mm。具体与开口槽213的两端的气隙均为0.5mm。

在具体实施例中，推力盘120与永磁环220的气隙大于或等于0.4mm，小于或等于0.6mm，可选为0.5mm，通过设置较小的气隙，以防止磁通密度通过气隙时衰减，且发明人发现将推力盘120与永磁环220之间的气隙设置为0.5mm时，一方面可以留有足够的余量以便于推力盘120沿轴向进行运动，另一方面可以减少磁通通过气隙时的衰减程度。

在具体实施例中，轴承定子210、永磁环220、线圈绕组240、导磁环230、转子轴110以及推力盘120的轴线均位于同一直线上。即轴承定子210、永磁环220、线圈绕组240、导磁环230、转子轴110以及推力盘120同轴设置。

在具体实施例中，永磁环220的径向宽度等于轴承定子210与导磁环230的间隔宽度。即具体地，永磁环220在径向方向抵接于轴承定子210与导磁环230，进而减少与轴承定子210与导磁环230的气隙，以防止永磁环220所产生的磁通回路的磁通密度衰减。

在具体实施例中，永磁环220设置于轴承定子210与导磁环230的间隔中远离推力盘120的一端。具体地，永磁环220、轴承定子210以及导磁环230垂直于轴线的外表面平齐。即永磁环220与导磁环230位于整个磁轴承10沿轴线的端部，且与轴承定子210的外表面平齐。

需要知道的是，上述图2-图6所示的磁通回路均只为一种示意，在具体场景中，永磁环220具体的磁通回路方向具体和永磁环220的N极与S极的位置有关，相应的线圈绕组240具体的磁通回路方向具体也和电流方向有关，所以上述图2-图6并非对本申请的一个限定，而仅仅是一种示意。

本申请还提供一种旋转机构，该旋转机构包括上述任一实施例中所述的磁轴承10。

综上所述，本申请提供一种磁轴承及应用其的旋转机构，通过将轴承定子210、永磁环220以及导磁环230沿着径向进行设置，可以有效的减少磁轴承10的轴向距离，且进一步的，由于永磁环220与线圈绕组240的磁通回路均是沿径向方向，因此转子轴110无需作为导磁体参与永磁环220与线圈绕组240的磁通回路，可以有效的减少转子轴110在轴向上的长度，进而可以提高转子轴110的临界速度，且由于磁通回路均沿着径向进行传输，转子轴110可以为磁绝缘体，进而减少成本。且进一步的，导磁环230位于永磁环220产生磁通回路上，因此导磁环230可以提供一定的基础轴向磁力，进而可以作为轴向的重力卸载和重力抵消，进而减少对轴向控制力的需求，减少轴向控制的难度。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种磁轴承，其特征在于，所述磁轴承包括磁转子组件及与所述磁转子组件配合的磁定子组件；

所述磁转子组件包括转子轴与套设于所述转子轴上的推力盘；

所述磁定子组件包括轴承定子、永磁环、导磁环以及线圈绕组；

其中，所述轴承定子包括有中心通道、沿周向设置的线圈环槽以及连接所述中心通道与所述线圈环槽的开口槽，所述推力盘位于所述中心通道中且部分嵌入所述开口槽中，所述导磁环位于所述中心通道中且与所述推力盘以及轴承定子间隔设置，所述永磁环设置于所述轴承定子与所述导磁环的间隔中，所述线圈绕组设置于所述线圈环槽内；

其中，所述永磁环用于生成永磁磁通回路，所述永磁磁通回路从所述永磁环出发并依次穿过导磁环、推力盘以及轴承定子回到所述永磁环，或所述永磁磁通回路从所述永磁环出发并依次穿过及轴承定子、推力盘、导磁环回到所述永磁环；

所述线圈绕组用于在施加电流后生成电磁磁通回路，所述电磁磁通回路在所述轴承定子上且绕所述线圈环槽传输；

所述永磁磁通回路与所述电磁磁通回路配合在所述推力盘沿轴线方向的两侧形成磁通密度偏差，进而对所述转子轴进行控制。

2.根据权利要求1所述的磁轴承，其特征在于，所述线圈绕组在所述线圈环槽内的槽满率大于或等于50％，小于或等于70％。

3.根据权利要求2所述的磁轴承，其特征在于，所述线圈绕组在所述线圈环槽内的槽满率60％。

4.根据权利要求1所述的磁轴承，其特征在于，位于所述开口槽内的推力盘与所述开口槽的槽侧壁的气隙为0.5mm。

5.根据权利要求1所述的磁轴承，其特征在于，所述轴承定子、永磁环、线圈绕组、导磁环、转子轴以及推力盘的轴线均位于同一直线上。

6.根据权利要求1所述的磁轴承，其特征在于，所述永磁环的径向宽度等于轴承定子与所述导磁环的间隔宽度。

7.根据权利要求1所述的磁轴承，其特征在于，所述永磁环设置于所述轴承定子与所述导磁环的间隔中远离所述推力盘的一端。

8.根据权利要求1所述的磁轴承，其特征在于，所述永磁环、轴承定子以及导磁环垂直于轴线的外表面平齐。

9.根据权利要求1所述的磁轴承，其特征在于，所述转子轴为磁导体或磁绝缘体。

10.一种旋转机构，其特征在于，所述旋转机构包括权利要求1-9中任一项所述的磁轴承。

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