CN113833760B - 大承载力混合充磁式永磁磁轴承 - Google Patents

大承载力混合充磁式永磁磁轴承 Download PDF

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Abstract

一种大承载力混合充磁式永磁磁轴承，属于磁悬浮轴承技术领域。本发明为解决现有被动磁悬浮轴承在定子与转子同心时无法产生相互作用力因此无法满足使用要求的问题。其转子由环形永磁体构成；一号定子和二号定子处于转子的外围并对称设置于转子沿垂直于轴向的中心截面的两侧；每个定子的上弧形永磁体分段和下弧形永磁体分段在转子的上下两侧对称设置；转子沿径向充磁；定子沿轴向充磁，两个定子的充磁方向相反，并且每个定子的上弧形永磁体分段和下弧形永磁体分段的充磁方向相反；所述转子和定子的充磁方向相互配合使得两个上弧形永磁体分段对转子产生吸力，两个下弧形永磁体分段对转子产生斥力。本发明能够提供较大的静态承载力。

Description

大承载力混合充磁式永磁磁轴承
技术领域
本发明涉及大承载力混合充磁式永磁磁轴承，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，具有无磨损、噪声小、寿命长等显著优势，可用于高速、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，可将其分为主动和被动两种类型。其中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，其定子和转子均为永磁环，两个永磁环根据实际需求采用轴向或径向布置；在采用径向布置时，转子外径小于定子内径，二者同心放置。这种形式的被动磁悬浮轴承由于采用了对称结构，在二者同心时，不产生相互作用力；只有在转子发生偏心时，才产生相互作用力。而在一些大型重载应用领域，由于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，会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，因此使得系统的损耗与发热较为严重，这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的定子和转子均为永磁环，其定子与转子之间整体形成相吸或相斥的力来实现磁悬浮，而在二者同心时无法产生相互作用力因此无法满足使用要求的问题，本发明提供一种大承载力混合充磁式永磁磁轴承。
本发明的一种大承载力混合充磁式永磁磁轴承，为内转子外定子结构，转子与定子之间具有气隙，
所述转子由环形永磁体构成；
所述定子包括结构相同的一号定子和二号定子；一号定子和二号定子处于转子的外围并对称设置于转子沿垂直于轴向的中心截面的两侧；
所述一号定子包括一号上弧形永磁体分段和一号下弧形永磁体分段；二号定子包括二号上弧形永磁体分段和二号下弧形永磁体分段；每个定子的上弧形永磁体分段和下弧形永磁体分段在转子的上下两侧对称设置；
转子沿径向充磁；定子沿轴向充磁，两个定子的充磁方向相反，并且每个定子的上弧形永磁体分段和下弧形永磁体分段的充磁方向相反；
所述转子和定子的充磁方向相互配合使得两个上弧形永磁体分段对转子产生吸力，两个下弧形永磁体分段对转子产生斥力。
根据本发明的大承载力混合充磁式永磁磁轴承，一号上弧形永磁体分段和二号上弧形永磁体分段的S极相对；
转子的内环为S极，外环为N极。
根据本发明的大承载力混合充磁式永磁磁轴承，一号上弧形永磁体分段和二号上弧形永磁体分段的N极相对；
转子的内环为N极，外环为S极。
根据本发明的大承载力混合充磁式永磁磁轴承，一号定子和二号定子沿轴向具有间隙。
根据本发明的大承载力混合充磁式永磁磁轴承，一号定子和二号定子沿轴向连接在一起。
根据本发明的大承载力混合充磁式永磁磁轴承，所述弧形永磁体分段的弧度小于180度。
本发明的有益效果：本发明所述磁轴承由定子和转子两部分构成。通过合理布置定转子永磁体的充磁方向，使得转子径向充磁环形永磁体与定子上弧形永磁体相互吸引，与定子下弧形永磁体相互排斥，故可以产生一个较大的悬浮力，实现对电机等旋转装置的转子及负载进行被动支撑；与主动控制轴承相配合，可实现大载荷低功耗磁悬浮支撑系统。
本发明所述磁轴承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。
附图说明
图1是本发明所述大承载力混合充磁式永磁磁轴承的整体结构示意图；
图2是具体实施例一中转子与定子的充磁方向示意图；
图3是具体实施例二中转子与定子的充磁方向示意图；
图4是具体实施例三中转子与定子的充磁方向示意图；
图5是具体实施例四中转子与定子的充磁方向示意图。
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它实施例，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。
具体实施方式一、结合图1至图5所示，本发明提供了一种大承载力混合充磁式永磁磁轴承，为内转子外定子结构，转子1与定子2之间具有气隙，
所述转子1由环形永磁体构成；
所述定子2包括结构相同的一号定子2-1和二号定子2-2；一号定子2-1和二号定子2-2处于转子1的外围并对称设置于转子沿垂直于轴向的中心截面的两侧；
所述一号定子2-1包括一号上弧形永磁体分段和一号下弧形永磁体分段；二号定子2-2包括二号上弧形永磁体分段和二号下弧形永磁体分段；每个定子的上弧形永磁体分段和下弧形永磁体分段在转子的上下两侧对称设置；
转子1沿径向充磁；定子2沿轴向充磁，两个定子的充磁方向相反，并且每个定子的上弧形永磁体分段和下弧形永磁体分段的充磁方向相反；
所述转子1和定子2的充磁方向相互配合使得两个上弧形永磁体分段对转子1产生吸力，两个下弧形永磁体分段对转子1产生斥力。
本实施方式以两段弧形永磁体分段替换现有磁轴承的一个整环式定子，一号定子2-1和二号定子2-2轴向之间可以根据需要设置间隙或者连接为一体。每个定子分为上弧形永磁体分段和下弧形永磁体分段后，可以使一个定子的两个分段具有相反的充磁方向，从而形成转子与上方永磁体相吸并与下方永磁体相斥的状态，形成对重载荷的向上支撑力。
本实施方式的磁路设置方式在磁轴承内部实现了重力补偿，可在转子与定子对心的状态下同样产生较大的重力补偿力，从而抵消转子本身的重力，形成对转子竖直向上的支撑力。可实现对上吨级重载荷的支撑。
本实施方式中，转子的外径小于定子的内径。在实际使用时，将转子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。
具体实施例一：
结合图1和图2所示，一号上弧形永磁体分段和二号上弧形永磁体分段的S极相对；
转子由一个环形永磁体构成，转子环形永磁体沿径向由内向外充磁，转子1的内环为S极，外环为N极。
进一步，本实施例中，可以选择一号定子2-1和二号定子2-2沿轴向具有间隙。
结合图2所示，一号上弧形永磁体分段和二号上弧形永磁体分段充磁方向均为由内向外充磁，按背靠背布置，S极正对。一号下弧形永磁体分段和二号下弧形永磁体分段充磁方向均为由外向内充磁，按面对面布置，N极正对。一号上弧形永磁体分段和一号下弧形永磁体分段轴向位置相同；二号上弧形永磁体分段和二号下弧形永磁体分段轴向位置相同。一号上弧形永磁体分段和二号上弧形永磁体分段在轴向上关于转子永磁体对称布置；一号下弧形永磁体分段和二号下弧形永磁体分段在轴向上关于转子永磁体对称布置。
具体实施例二：
结合图1和图3所示，一号上弧形永磁体分段和二号上弧形永磁体分段的N极相对；
转子由一个环形永磁体构成，转子环形永磁体沿径向由外向内充磁，转子1的内环为N极，外环为S极。
进一步，本实施例中，可以选择一号定子2-1和二号定子2-2沿轴向具有间隙。
结合图3所示，一号上弧形永磁体分段和二号上弧形永磁体分段充磁方向均为由外向内充磁，按面对面布置，N极正对。一号下弧形永磁体分段和二号下弧形永磁体分段充磁方向均为由内向外充磁，按背靠背布置，S极正对。一号上弧形永磁体分段和一号下弧形永磁体分段轴向位置相同；二号上弧形永磁体分段和二号下弧形永磁体分段轴向位置相同。一号上弧形永磁体分段和二号上弧形永磁体分段在轴向上关于转子永磁体对称布置；一号下弧形永磁体分段和二号下弧形永磁体分段在轴向上关于转子永磁体对称布置。
将一号定子2-1和二号定子2-2分开设置，便于灵活调整悬浮力的大小，即通过改变间隙大小来改变悬浮力；此外，在一号定子2-1和二号定子2-2之间的轴向间隙中，可以增加径向充磁的弧形永磁体或导磁材料，进一步提高悬浮力等级。
具体实施例三：
结合图1和图4所示，一号上弧形永磁体分段和二号上弧形永磁体分段的S极相对；
转子1的内环为S极，外环为N极。
进一步，本实施例中，可以选择一号定子2-1和二号定子2-2沿轴向连接在一起。
具体实施例四：
结合图1和图5所示，一号上弧形永磁体分段和二号上弧形永磁体分段的N极相对；
转子1的内环为N极，外环为S极。
进一步，本实施例中，可以选择一号定子2-1和二号定子2-2沿轴向连接在一起。
将一号定子2-1和二号定子2-2连接在一起，适用于对磁悬浮轴承的轴向尺寸要求较为严格的场合，这种设置具有最小的轴向长度。
再进一步，结合图1所示，本发明中所述弧形永磁体分段的弧度小于180度。
本发明中，定转子永磁体的轴向尺寸、两个定子之间的间隙以及定子的弧形永磁体分段的圆周角度均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，以及不同的悬浮力及刚度特性。
工作原理：转子永磁体在旋转过程中，同时受到定子上弧形永磁体向上的吸力作用以及定子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，用于对电机等旋转装置的转子及负载进行被动支撑，再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。
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它所述实施例中。

Claims (3)

1.一种大承载力混合充磁式永磁磁轴承，为内转子外定子结构，转子(1)与定子(2)之间具有气隙，其特征在于，
所述转子(1)由环形永磁体构成；
所述定子(2)包括结构相同的一号定子(2-1)和二号定子(2-2)；一号定子(2-1)和二号定子(2-2)处于转子(1)的外围并对称设置于转子沿垂直于轴向的中心截面的两侧；
所述一号定子(2-1)包括一号上弧形永磁体分段和一号下弧形永磁体分段；二号定子(2-2)包括二号上弧形永磁体分段和二号下弧形永磁体分段；每个定子的上弧形永磁体分段和下弧形永磁体分段在转子的上下两侧对称设置；
转子(1)沿径向充磁；定子(2)沿轴向充磁，两个定子的充磁方向相反，并且每个定子的上弧形永磁体分段和下弧形永磁体分段的充磁方向相反；
所述转子(1)和定子(2)的充磁方向相互配合使得两个上弧形永磁体分段对转子(1)产生吸力，两个下弧形永磁体分段对转子(1)产生斥力；
一号定子(2-1)和二号定子(2-2)沿轴向具有间隙；
一号定子(2-1)和二号定子(2-2)之间的轴向间隙中，设置径向充磁的弧形永磁体或导磁材料；
一号定子(2-1)的一号上弧形永磁体分段和一号下弧形永磁体分段以及二号定子(2-2)的二号上弧形永磁体分段和二号下弧形永磁体分段的弧度均小于180度。
2.根据权利要求1所述的大承载力混合充磁式永磁磁轴承，其特征在于，
一号上弧形永磁体分段和二号上弧形永磁体分段的S极相对；
转子(1)的内环为S极，外环为N极。
3.根据权利要求1所述的大承载力混合充磁式永磁磁轴承，其特征在于，
一号上弧形永磁体分段和二号上弧形永磁体分段的N极相对；
转子(1)的内环为N极，外环为S极。
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