CN113833759B - 非对称结构永磁径向磁轴承 - Google Patents

非对称结构永磁径向磁轴承 Download PDF

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Abstract

非对称结构永磁径向磁轴承，解决了现有被动磁悬浮轴承在对称位置无法产生一个较大悬浮力的问题，属于磁悬浮轴承技术领域。本发明包括定子和转子；转子由一个环形永磁体构成，定子包括上、下弧形永磁体，上、下弧形永磁体分别布置在环形永磁体的上、下方，上、下弧形永磁体同圆心且与圆心等间距布置形成定子永磁体；环形永磁体外径小于定子永磁体内径；定子永磁体和环形永磁体的充磁方式相同，上弧形永磁体与环形永磁体之间为相吸力，下弧形永磁体的充磁方向与环形永磁体之间为相斥力。本发明环形永磁体在旋转过程中，同时受到上弧形永磁体向上的吸引力作用以及下弧形永磁体向上的斥力作用，故可以产生一个较大的悬浮力。

Description

非对称结构永磁径向磁轴承
技术领域
本发明属于磁悬浮轴承技术领域。
背景技术
磁悬浮轴承利用磁力将转子悬浮于空中，使得转子与定子之间没有机械接触，因此具有无磨损、噪声小、寿命长等显著优势，用于高速、真空、超净等特殊环境，目前已在高速电机、透平机、膨胀机、压缩机等领域实现了应用。
根据磁悬浮轴承的工作原理，可以分为主动和被动两种类型。主动磁悬浮轴承利用电磁力实现悬浮，具有悬浮力可控和系统稳定等特点。被动磁悬浮轴承利用永磁体之间的相互作用力实现悬浮，具有无损耗和结构简单等特点，但不能自稳定。
传统被动磁悬浮轴承一般采用对称结构，定子和转子均为永磁环，根据实际需求采用轴向或径向布置，如采用径向布置时，转子外经小于定子内径，二者同心放置。由于采用对称结构，当二者同心时，不产生相互作用力，一旦转子发生偏心时，才产生相互作用力。对于一些大型重载应用领域，该种被动磁悬浮轴承在对称位置无法产生一个较大的悬浮力，导致与之匹配的主动磁轴承需要产生额外的主动控制力进行补偿，因此使得损耗与发热较为严重，限制了被动磁轴承在大型重载磁悬浮领域的应用。
发明内容
针对现有被动磁悬浮轴承在对称位置无法产生一个较大悬浮力的问题，本发明提供一种大承载力非对称结构永磁径向磁轴承。
本发明的一种大承载力非对称结构永磁径向磁轴承，包括定子和转子；转子由一个环形永磁体构成，定子包括上、下弧形永磁体，上、下弧形永磁体分别布置在环形永磁体的上、下方，上、下弧形永磁体同圆心且与圆心等间距布置形成定子永磁体；环形永磁体外径小于定子永磁体内径；
定子永磁体和环形永磁体的充磁方式相同，上弧形永磁体与环形永磁体之间为相吸力，下弧形永磁体的充磁方向与环形永磁体之间为相斥力。
本发明中定子永磁体和环形永磁体的充磁方式可以为沿定子径向充磁；
上弧形永磁体沿定子径向由内向外充磁或沿定子径向由外向内充磁。
本发明中定子永磁体和环形永磁体的充磁方式也可以为沿定子轴向充磁；
上弧形永磁体沿定子轴向向里充磁，或沿定子轴向向外充磁。
本发明中上、下弧形永磁体均为圆心角为180度的弧形永磁体。也可以为圆心角小于180度的弧形永磁体。
本发明中，可根据需求任意设置定子永磁体和环形永磁体的轴向长度。
本发明的有益效果，与传统对称结构永磁磁轴承相比，本发明能够提供较大的静态承载力，在大型重载磁悬浮系统中具有显著优势；定转子永磁体的轴向尺寸可以根据需要任意调节，以产生不同等级的径向承载力与轴向恢复力。
附图说明
图1-图4为大承载力非对称结构永磁径向磁轴承采用径向充磁的四个实施例；
图5-图8为大承载力非对称结构永磁径向磁轴承采用轴向充磁的四个实施例；
图9-图11为图1至图4磁轴承侧视图的三个实施例。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施方式的大承载力非对称结构永磁径向磁轴承，包括定子和转子；转子由一个环形永磁体构成，定子包括上、下弧形永磁体，上、下弧形永磁体分别布置在环形永磁体的上、下方，上、下弧形永磁体同圆心且与圆心等间距布置形成定子永磁体；环形永磁体外径小于定子永磁体内径；
定子永磁体和环形永磁体的充磁方式相同，上弧形永磁体与环形永磁体之间为相吸力，下弧形永磁体的充磁方向与环形永磁体之间为相斥力。
实际使用时，环形永磁体与电机等旋转装置的转子固定，定子永磁体与电机等旋转装置的定子固定。由于环形永磁体与上弧形永磁体相互吸引，同时与下弧形永磁体相互排斥，故可以产生一个较大的悬浮力，用于对电机等旋转装置的转子及负载进行被动支撑，结合其它主动控制轴承，可实现大载荷低功耗磁悬浮支撑系统。与传统对称结构永磁磁轴承相比，能够提供较大的静态承载力，在大型重载磁悬浮系统中具有显著优势。
实施例1、本实施例的大承载力非对称结构永磁径向磁轴承，如图1所示，包括定子和转子；定子包括上、下两个180度半弧形永磁体，二者同圆心布置且圆心等间距拼接成一个整环的定子永磁体。上弧形永磁体11沿径向由内向外充磁，内侧为S极，外侧为N极。下弧形永磁体12沿径向由外向内充磁，内侧为N极，外侧为S极。
转子包括一个环形永磁体21，环形永磁体21外经小于定子弧形永磁体内径，环形永磁体沿径向由内向外充磁，内侧为S极，外侧为N极。
实施例2、本实施例的大承载力非对称结构永磁径向磁轴承，如图2所示，包括定子和转子；定子包括上、下两个180度半弧形永磁体，二者同圆心布置且与圆心等间距拼接成一个整环的定子永磁体。上弧形永磁体11沿径向由外向内充磁，内侧为N极，外侧为S极。下弧形永磁体12沿径向由内向外充磁，内侧为S极，外侧为N极。
转子由一个环形永磁体21构成，环形永磁体21外经小于两个弧形永磁体内径，环形永磁体21沿径向由外向内充磁，内侧为N极，外侧为S极。
实施例3、本实施例的大承载力非对称结构永磁径向磁轴承，如图3所示，包括定子和转子；定子由上、下两个小于180度的弧形永磁体构成，二者等间距同圆心布置。定子上弧形永磁体沿径向由内向外充磁，内侧为S极，外侧为N极。定子下弧形永磁体沿径向由外向内充磁，内侧为N极，外侧为S极。
转子由一个环形永磁体构成，环形永磁体外经小于定子弧形永磁体内径，环形永磁体沿径向由内向外充磁，内侧为S极，外侧为N极。
实施例4、本实施例的大承载力非对称结构永磁径向磁轴承，如图4所示，包括定子和转子；定子由上、下两个小于180度的弧形永磁体构成，二者等间距同圆心布置。定子上弧形永磁体沿径向由外向内充磁，内侧为N极，外侧为S极。定子下弧形永磁体沿径向由内向外充磁，内侧为S极，外侧为N极。
转子由一个环形永磁体构成，环形永磁体外经小于定子弧形永磁体内径，环形永磁体沿径向由外向内充磁，内侧为N极，外侧为S极。
实施例5、本实施例的大承载力非对称结构永磁径向磁轴承，如图5所示，包括定子和转子；定子由上、下两个180度半弧形永磁体构成，二者同圆心布置且拼接成一个整环结构。定子上弧形永磁体沿轴向向里充磁(垂直纸面)，里侧为N极，外侧为S极。定子下弧形永磁体沿轴向向外充磁，里侧为S极，外侧为N极。
转子由一个环形永磁体构成，环形永磁体外经小于定子弧形永磁体内径，环形永磁体沿轴向向外充磁，里侧为S极，外侧为N极。
实施例6、本实施例的大承载力非对称结构永磁径向磁轴承，如图6所示，包括定子和转子；定子由上、下两个180度半弧形永磁体构成，二者同圆心布置且拼接成一个整环结构。定子上弧形永磁体沿轴向向外充磁(垂直纸面)，里侧为S极，外侧为N极。定子下弧形永磁体沿轴向向里充磁，里侧为N极，外侧为S极。
转子由一个环形永磁体构成，环形永磁体外经小于定子弧形永磁体内径，环形永磁体沿轴向向里充磁，里侧为N极，外侧为S极。
实施例7、本实施例的大承载力非对称结构永磁径向磁轴承，如图7所示，包括定子和转子；定子由上、下两个小于180度的弧形永磁体构成，二者等间距同圆心布置。定子上弧形永磁体沿轴向向里充磁(垂直纸面)，里侧为N极，外侧为S极。定子下弧形永磁体沿轴向向外充磁，里侧为S极，外侧为N极。
转子由一个环形永磁体构成，环形永磁体外经小于定子弧形永磁体内径，环形永磁体沿轴向向外充磁，里侧为S极，外侧为N极。
实施例8、本实施例的大承载力非对称结构永磁径向磁轴承，如图8所示，包括定子和转子；
定子由上、下两个小于180度的弧形永磁体构成，二者等间距同圆心布置。定子上弧形永磁体沿轴向向外充磁(垂直纸面)，里侧为S极，外侧为N极。定子下弧形永磁体沿轴向向里充磁，里侧为N极，外侧为S极。
转子由一个环形永磁体构成，环形永磁体外经小于定子弧形永磁体内径，环形永磁体沿轴向向里充磁，里侧为N极，外侧为S极。
本实施方式中实施例1至实施例8中，转轴22设置环形永磁体21中，环形永磁体21与电机等旋转装置的转子固定，定子永磁体与电机等旋转装置的定子固定。环形永磁体21在旋转过程中，同时受到上弧形永磁体11向上的吸引力作用以及下弧形永磁体22向上的斥力作用，故可以产生一个较大的悬浮力，用于对电机等旋转装置的转子及负载进行被动支撑，结合其它主动控制轴承，可实现大载荷低功耗磁悬浮支撑系统。
在实际应用时，本实施例的径向磁轴承与其他轴向磁轴承配合，形成磁悬浮支撑，工作时，可能会对本实施例的径向磁轴承产生轴向力，使定子永磁体与环形永磁体产生错位，进而影响本实施例1至8磁轴承的悬浮力大小，为恢复工作时产生的轴向力，不影响磁悬浮轴承的悬浮效果，本实施方式给出了实施例9和实施例10；
实施例9、本实施例的大承载力非对称结构永磁径向磁轴承，在实施例1至实施例8的基础上，定子永磁体与环形永磁体的轴向长度相同，如图9所示，轴向长度设置取决于承载力及轴向寄生力的特性需求。因定子永磁体的长度与环形永磁体的轴向长度相同，当定子永磁体与环形永磁体产生错位，定子永磁体与环形永磁体耦合面积减小，悬浮力减小，但上、下定子永磁体与环形永磁体各自产生的轴向寄生力可以相互抵消，故可通过改变定转子轴向错位位移来改变该轴承的悬浮力大小，且轴向寄生力始终保持较低的水平
实施例10、本实施例的大承载力非对称结构永磁径向磁轴承，在实施例1至实施例8的基础上，上、下弧形永磁体的轴向长度相同，与环形永磁体的轴向长度不同，如图10和图11所示，轴向长度设置取决于承载力及轴向寄生力的特性需求。
因定子永磁体的长度与环形永磁体的轴向长度不同，当定子永磁体与环形永磁体产生错位，定子永磁体与环形永磁体耦合面积改变不大，环形永磁体21受到上弧形永磁体11向上的吸引力以及下弧形永磁体22向上的斥力改变不大，减少轴向力对磁悬浮轴承的悬浮效果的影响。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (5)

1.非对称结构永磁径向磁轴承，其特征在于，包括定子和转子；转子由一个环形永磁体构成，定子包括上、下弧形永磁体，上、下弧形永磁体分别布置在环形永磁体的上、下方，上、下弧形永磁体同圆心且与圆心等间距布置形成定子永磁体；环形永磁体外径小于定子永磁体内径；
定子永磁体和环形永磁体的充磁方式相同，上弧形永磁体与环形永磁体之间为相吸力，下弧形永磁体的充磁方向与环形永磁体之间为相斥力；
上、下弧形永磁体均为圆心角小于180度的弧形永磁体。
2.根据权利要求1所述的非对称结构永磁径向磁轴承，其特征在于，定子永磁体和环形永磁体的充磁方式为沿定子径向充磁；
上弧形永磁体沿定子径向由内向外充磁或沿定子径向由外向内充磁。
3.根据权利要求1所述的非对称结构永磁径向磁轴承，其特征在于，定子永磁体和环形永磁体的充磁方式为沿定子轴向充磁；
上弧形永磁体沿定子轴向向里充磁，或沿定子轴向向外充磁。
4.根据权利要求1所述的非对称结构永磁径向磁轴承，其特征在于，环形永磁体与定子永磁体的轴向长度相同。
5.根据权利要求1所述的非对称结构永磁径向磁轴承，其特征在于，环形永磁体与定子永磁体的轴向长度不同。
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