CN114857170A - 磁悬浮轴承的轴向磁轴承结构 - Google Patents

磁悬浮轴承的轴向磁轴承结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了磁悬浮轴承的轴向磁轴承结构，属于磁悬浮轴承技术领域。包括转子组件和定子组件，对于电励磁磁阻式轴向磁轴承结构，转子组件包括转轴及套装在转轴上的转子轭；定子组件包括定子磁极、定子励磁线圈以及隔磁环。定子磁极和转子轭对应位置均开有相同数量相同结构的齿，并错开一定位置。在定子磁极中插入永磁体可以构成混合励磁磁阻式轴向磁轴承结构。合并中间两个齿型结构且取消掉隔磁环，整个圆筒分成四个定子磁极，可以构成轴径向磁轴承。本发明取消了传统轴向磁轴承的推力盘结构，有效解决了装配与不易动平衡校准的问题，轴向推力也与齿数成近似的正比关系，具有较好的承载能力。合理选择齿间偏移位置，可以得到较好的位移刚度性能。

Description

磁悬浮轴承的轴向磁轴承结构
技术领域
本发明属于磁悬浮轴承技术领域，更具体地，涉及磁悬浮轴承的轴向磁轴承结构。
背景技术
磁悬浮轴承技术是利用定、转子之间的电磁力，将转子悬浮于空间中，从而避免定转子之间的机械接触，是一种高性能的新型轴承。由于定转子之间没有机械摩擦，轴承转子可以承受很高的转速，具有寿命长、能耗低、无润滑、无污染等优点，在高速、真空及超洁净等特殊的应用场合具有无可替代的优势。
传统的轴向磁轴承，利用推力盘结构与电励磁产生的磁场之间的电磁力来提供轴向承载力，然而该结构中推力盘的存在使得轴向磁轴承轴向长度过大，存在安装困难、拆卸不方便、动平衡校验不准等问题，限制了其发展与应用。而现有的一些采用气隙磁导变化来解决该问题的磁轴承结构，其轴向最大承载力较小，且具有较大的负位移刚度，控制性能较差。
在中国专利CN103939465B公开的一种单自由度轴向磁轴承中，通过轴向移动时，励磁电流的改变，使得转子轭两端磁通变化，实现轴向悬浮力的改变，从而实现轴向平稳控制。该专利取消了推力盘结构，解决了部分推力盘引入的工程加工问题，但是该结构仅仅依靠转子轭两端的磁通变化来产生电磁力，磁极有效的接触面积不大，轴向承载力较小、易造成一边极身过饱和，同时发生偏移时偏移处的气隙磁导变小，电磁力变大，具有较差的位移刚度。此外，该结构仅仅在转子轭的两端受力，易产生波动，受力不均匀。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供磁悬浮轴承的轴向磁轴承结构，旨在取消推力盘结构，同时发生轴向偏移时，气隙不发生变化，使得轴向磁轴承的加工工艺变得简单，解决了动平衡难以校准、加工成本较高、不便于集成到系统中的问题。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种磁悬浮轴承的轴向磁轴承结构，所述轴向励磁结构为电励磁磁阻式轴向磁轴承，包括转子组件和定子组件，所述转子组件包括转轴1及套装在转轴1上的转子轭2；所述定子组件包括四个定子磁极301、302、303、304、被定子磁极301、302、303、304包围空间内的两个定子励磁线圈401、402，以及隔磁环5。隔磁环5顶部与定子磁极301、302、303、304顶部对齐，底部与定子磁极301、302、303、304齿底部对齐。定子磁极301、302、303、304最底端和转子轭2的最顶部之间留有工作气隙。定子磁极301、302、303、304和转子轭2上均开有小齿。
作为本发明的一种优选方案，所述的定子磁极301、302、303、304和转子轭2上所开齿的数量和齿形结构相同，且齿宽齿距比在0.2-0.8之间，齿距气隙比在10-100之间，每极下的齿数N≥2。定子磁极301、302、303、304上的齿和转子轭2上的齿之间错开一定的距离。
作为本发明的一种优选方案，所述的定子励磁线圈401、402采用环形结构，转子轭2、定子磁极301、302、303、304和隔磁环5均采用圆筒结构。定子磁极301、302、303、304和转子轭2采用铁磁材料，隔磁环5采用非铁磁材料。
本发明第二方面提供一种磁悬浮轴承的轴向磁轴承结构，所述磁轴承结构为混合励磁磁阻式轴向磁轴承，包括转子组件和定子组件，所述转子组件包括转轴8及套装在转轴8上的转子轭901、902、903；所述定子组件包括两个定子磁极1001、1002、定子磁极1001、1002包围空间内的定子励磁线圈1101、1102以及永磁体12。定子磁极1001、1002最底端和转子轭901、902、903的最顶部之间留有工作气隙。定子磁极1001、1002和转子轭901、902上均开有小齿。永磁体12内嵌在定子中，底部与定子磁极1001、1002齿底部对齐。
作为本发明的一种优选方案，所述的定子磁极1001、1002和转子轭901、902上所开齿的数量和齿形结构相同，且齿宽齿距比在0.2-0.8之间，齿距气隙比在10-100之间，每极下的齿数N≥2。定子磁极1001、1002上的齿和转子轭901、902上的齿之间错开一定的距离。
作为本发明的一种优选方案，所述的定子励磁线圈1101、1102采用环形结构，转子轭901、902、903和定子磁极1001、1002均采用圆筒结构。定子磁极1001、1002和转子轭901、902、903采用铁磁材料，永磁体12采用径向充磁方式。
本发明第三方面提供一种磁悬浮轴承的轴向磁轴承结构，所述磁轴承结构为轴径向复合电励磁磁轴承，包括转子组件和定子组件，所述转子组件包括转轴15及套装在转轴15上的转子轭1601、1602、1603；所述定子组件包括两个轴向磁轴承的定子磁极1701、1702、被定子磁极1701、1702包围空间内的两个定子励磁线圈2001、2002、四个径向磁轴承的定子磁极18以及四个缠绕在径向磁轴承的定子磁极18上的励磁线圈19，轴向磁轴承的定子磁极1701、1702和四个径向磁轴承的定子磁极18最底端和转子轭1601、1602、1603的最顶部之间留有工作气隙。轴向磁轴承的定子磁极1701、1702和转子轭1601、1602上均开有小齿。
作为本发明的一种优选方案，所述的轴向磁轴承的定子磁极1701、1702和转子轭1601、1602上所开齿的数量和齿形结构相同，且齿宽齿距比在0.2-0.8之间，齿距气隙比在10-100之间，每极下的齿数N≥2。轴向磁轴承的定子磁极1701、1702和转子轭1601、1602上的齿之间错开一定的距离。
作为本发明的一种优选方案，所述的轴向磁轴承定子励磁线圈2001、2002采用环形结构，径向磁轴承定子励磁线圈19缠绕在磁极上，转子轭1601、1602、1603、定子磁极1701、1702均采用圆筒结构。定子磁极1701、1702和转子轭1601、1602、1603采用铁磁材料。。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供的磁悬浮轴承的轴向磁轴承结构，将传统的推力盘结构通过定转子上开齿来替代，实现了定转子间没有重合部分，使得轴向磁轴承的加工简便，提高了动平衡校验的准确性，也使得磁轴承整体的轴向长度减小。励磁一定的情况下，轴向承载力与齿数近似成线性关系，通过齿数的调整，能够灵活的调整轴向承载力。同时，定转子齿错开合理的角度时，可以得到正的位移刚度。
2、本发明提供的磁悬浮轴承的轴向磁轴承结构，可采用混合励磁方式，使得轴向磁轴承所需的绕组数减小，从而减小整体的体积，同时也可以大大减小发热，提高整体的效率。
3、本发明提供的磁悬浮轴承的轴向磁轴承结构，可集成为轴径向复合电励磁磁轴承，轴向磁轴承能够为径向磁轴承提供偏置磁场，大大减小了径向磁轴承所需的绕组数，同时，复合后的磁轴承既能够提供径向承载力，也能够提供轴向承载力，具有良好的控制性能。
附图说明
图1为本发明电励磁磁阻式轴向磁轴承的结构示意图；
图2为本发明电励磁磁阻式轴向磁轴承的磁路示意图；
图3为本发明混合励磁磁阻式轴向磁轴承的结构示意图；
图4为本发明混合励磁磁阻式轴向磁轴承的磁路示意图；
图5为本发明轴径向复合电励磁磁轴承的结构示意图；
图6为本发明轴径向复合电励磁磁轴承的磁路示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1、8、15-转轴；2、901、902、903、1601、1602、1603-转子轭；301、302、303、304、1001、1002、1701、1702、18-定子磁极；401、402、1101、1102、2001、2002、19-定子励磁线圈；5-隔磁环；12-永磁体；6、7、13、14、21、22-磁通路径。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
实施例一
如图1所示，本发明提供的电励磁磁阻式轴向磁轴承，包括转子组件和定子组件，所述转子组件包括转轴(1)及套装在转轴(1)上的转子轭(2)；所述定子组件包括四个定子磁极(301、302、303、304)、被定子磁极(301、302、303、304)包围空间内的两个定子励磁线圈(401、402)，以及隔磁环(5)。隔磁环(5)顶部与定子磁极(301、302、303、304)顶部对齐，底部与定子磁极(301、302、303、304)齿底部对齐。定子磁极(301、302、303、304)最底端和转子轭(2)的最顶部之间留有工作气隙。定子磁极(301、302、303、304)和转子轭(2)上均开有小齿。
电励磁磁阻式轴向磁轴承的工作原理，在两个定子励磁线圈中(4-1、4-2)通入大小相同为i0，方向相反的直流电，其磁通形成的闭合磁路如图2中6，7所示，6的主磁通路径为：定子磁极304→定子磁极303→转子轭2。7的主磁通为定子磁极302→定子磁极301→转子轭2→定子磁极302。定子磁极(301、302)在气隙磁场的作用下产生轴向向左的电磁力，定子磁极(303、304)在气隙磁场的作用下产生轴向向右的电磁力，当轴向不发生偏移时，两个励磁线圈中的电流相同，轴向合力为零，稳定在平衡位置。当轴向发生偏移时，以轴向向右发生位移为例，此时使得定子励磁线圈401中的电流为i0+Δi，定子励磁线圈402中的电流为i0-Δi，从而产生向左的差分电磁力，将轴向磁轴承拉回平衡位置。
实施例二
如图3所示，本发明提供的混合励磁磁阻式轴向磁轴承，包括转子组件和定子组件，所述转子组件包括转轴(8)及套装在转轴(8)上的转子轭(901、902、903)；所述定子组件包括两个定子磁极(1001、1002)、被定子磁极(1001、1002)包围空间内的定子励磁线圈(1101、1102)以及永磁体(12)。定子磁极(1001、1002)最底端和转子轭(901、902、903)的最顶部之间留有工作气隙。定子磁极(1001、1002)和转子轭(901、902)上均开有小齿。永磁体(12)内嵌在定子中，底部与定子磁极(1001、1002)齿底部对齐。
混合励磁磁阻式轴向磁轴承的工作原理，用永磁体(12)提供偏置磁场，等效的NS极如图4中所示，磁通形成的闭合磁路如图4中13、14所示，13的主磁通由定子励磁线圈(1101、1102)通入同方向相同电流产生，主磁通方向为：定子磁极1002→定子磁极1001→转子轭901→转子轭902→定子磁极1002，14的主磁通由径向充磁的永磁体12产生，主磁通方向为：永磁体12→定子磁极(1001、1002)→转子轭(901、902)→转子轭(903)→永磁体12。当轴向磁轴承处于平衡位置时，定子励磁线圈(1101、1102)不通电。当轴向发生偏移时，以轴向向右发生位移为例，此时使得定子励磁线圈(1101、1102)中的电流均为Δi，电流方向取能产生和定子磁极(1001)中磁场方向一致的磁场的方向，此时定子磁极(1001)中的磁场为永磁体偏置磁场和励磁磁场之和，定子磁极(1102)中的磁场为永磁体偏置磁场和励磁磁场之差，从而产生向左的差分电磁力，将轴向磁轴承拉回平衡位置。
实施例三
如图5所示，本发明提供的轴径向复合电励磁磁轴承，包括转子组件和定子组件，所述转子组件包括转轴(15)及套装在转轴(15)上的转子轭(1601、1602、1603)；所述定子组件包括两个轴向磁轴承的定子磁极(1701、1702)、被定子磁极(1701、1702)包围空间内的两个定子励磁线圈(2001、2002)、四个径向磁轴承的定子磁极(18)以及四个缠绕在径向磁轴承的定子磁极(18)上的励磁线圈(19)，轴向磁轴承的定子磁极(1701、1702)和四个径向磁轴承的定子磁极(18)最底端和转子轭(1601、1602、1603)的最顶部之间留有工作气隙。轴向磁轴承的定子磁极(1701、1702)和转子轭(1601、1602)上均开有小齿。
轴径向复合电励磁磁轴承的工作原理，磁通形成的闭合磁路如图6中21、22所示，21的主磁通由两个定子励磁线圈(2001、2002)通入相反电流产生，主磁通方向为：定子磁极(1701、1702)→转子轭(1601、1602)→定子磁极(1701、1702)，22的主磁通由定子磁极(18)上的励磁线圈(19)通入电流产生，以通入正向电流为例，主磁通方向为：定子磁极(1701、1702)→转子轭(1603)→转轴(15)→转子轭(1601、1602)→定子磁极(1701、1702)。定子励磁线圈(2001、2002)中的电流之和为定值，使得中间的四个径向磁轴承的定子磁极中有不随两个定子励磁线圈(2001、2002)通入电流i0变化而变化的偏置磁场，此时四个缠绕在径向磁轴承的定子磁极上的励磁线圈(19)中不通电流。当发生轴向偏移而径向处于平衡时，当轴向发生偏移时，以轴向向右发生位移为例，此时使得定子励磁线圈2002中的电流为Δi，电流方向取能产生和永磁体产生磁场方向一致的磁场的方向，定子励磁线圈2001中的电流为Δi，电流方向取能产生和永磁体产生磁场方向相反的磁场的方向，从而产生向左的差分电磁力，将轴向磁轴承拉回平衡位置。四个缠绕在径向磁轴承的定子磁极上的励磁线圈(19)中不通电流。当发生径向偏移而轴向处于平衡时的时候，以在径向某个磁极中心线位置发生偏移为例，此时需要该方向的定子磁极励磁线圈(19)中加电流Δic，电流方向取能产生和偏置磁场方向相反的磁场的方向以减小吸力，而该磁极正对的磁极加电流Δic，电流方向取能产生和偏置磁场方向相同的磁场的方向，以增大吸力，从而产生差分电磁力，将径向磁轴承拉回平衡位置，轴向磁轴承的两个定子励磁线圈(2001、2002)中的电流不需要调整。当径向、轴向同时发生偏移时，先调整四个定子磁极励磁线圈(19)中的电流大小，消除磁轴承径向上的偏移，随后，控制两个定子励磁线圈(2001、2002)的电流大小，进一步消除磁轴承轴向上的偏移，最终使得轴径向复合电励磁磁轴承处于平衡位置。
以上所述实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种磁悬浮轴承的轴向磁轴承结构，所述轴向磁轴承结构为电励磁磁阻式轴向磁轴承，包括转子组件和定子组件，其特征在于，所述转子组件包括转轴(1)及套装在转轴(1)上的转子轭(2)；所述定子组件包括四个定子磁极(301、302、303、304)、定子磁极(301、302、303、304)包围空间内的两个定子励磁线圈(401、402)以及隔磁环(5)；隔磁环(5)顶部与定子磁极(301、302、303、304)顶部对齐，底部与定子磁极(301、302、303、304)齿底部对齐；定子磁极(301、302、303、304)最底端和转子轭(2)的最顶部之间留有工作气隙；定子磁极(301、302、303、304)和转子轭(2)上均开有小齿。
2.根据权利要求1所述的轴向磁轴承结构，其特征在于，定子磁极(301、302、303、304)和转子轭(2)上所开齿的数量和齿形结构相同，且齿宽齿距比为0.2～0.8，齿距气隙比为10～100，每极下的齿数N≥2；定子磁极(301、302、303、304)上的齿和转子轭(2)上的齿之间错开预设距离。
3.根据权利要求1所述的轴向磁轴承结构，其特征在于，定子励磁线圈(401、402)采用环形结构，转子轭(2)、定子磁极(301、302、303、304)和隔磁环(5)均采用圆筒结构；定子磁极(301、302、303、304)和转子轭(2)采用铁磁材料，隔磁环(5)采用非铁磁材料。
4.一种磁悬浮轴承的轴向磁轴承结构，所述轴向磁轴承结构为混合励磁磁阻式轴向磁轴承，包括转子组件和定子组件，其特征在于，所述转子组件包括转轴(8)及套装在转轴(8)上的转子轭(901、902、903)；所述定子组件包括两个定子磁极(1001、1002)、定子磁极(1001、1002)包围空间内的定子励磁线圈(1101、1102)以及永磁体(12)；定子磁极(1001、1002)最底端和转子轭(901、902)的最顶部之间留有工作气隙；定子磁极(1001、1002)和转子轭(901、902)上均开有小齿；永磁体(12)内嵌在定子中，底部与定子磁极(1001、1002)齿底部对齐。
5.根据权利要求4所述的轴向磁轴承结构，其特征在于，定子磁极(1001、1002)和转子轭(901、902)上所开齿的数量和齿形结构相同，且齿宽齿距比为0.2～0.8，齿距气隙比为10～100，每极下的齿数N≥2；定子磁极(1001、1002)上的齿和转子轭(901、902)上的齿之间错开预设距离。
6.根据权利要求4所述的轴向磁轴承结构，其特征在于，定子励磁线圈(1101、1102)采用环形结构，转子轭(901、902、903)和定子磁极(1001、1002)均采用圆筒结构；定子磁极(1001、1002)和转子轭(901、902、903)采用铁磁材料，永磁体(12)采用径向充磁方式。
7.一种磁悬浮轴承的轴向磁轴承结构，所述轴向磁轴承结构为轴径向复合电励磁磁轴承，包括转子组件和定子组件，其特征在于，所述转子组件包括转轴(15)及套装在转轴(15)上的转子轭(1601、1602、1603)；所述定子组件包括两个轴向磁轴承的定子磁极(1701、1702)、定子磁极(1701、1702)包围空间内的两个定子励磁线圈(2001、2002)、四个径向磁轴承的定子磁极(18)以及四个缠绕在径向磁轴承的定子磁极(18)上的励磁线圈(19)；轴向磁轴承的定子磁极(1701、1702)和四个径向磁轴承的定子磁极(18)最底端和转子轭(1601、1602、1603)的最顶部之间留有工作气隙；轴向磁轴承的定子磁极(1701、1702)和转子轭(1601、1602、1603)上均开有小齿。
8.根据权利要求7所述的轴向磁轴承结构，其特征在于，轴向磁轴承的定子磁极(1701、1702)和转子轭(1601、1602)上所开齿的数量和齿形结构相同，且齿宽齿距比为0.2～0.8，齿距气隙比为10～100，每极下的齿数N≥2；轴向磁轴承的定子磁极(1701、1702)和转子轭(1601、1602)上的齿之间错开预设距离。
9.根据权利要求7所述的轴向磁轴承结构，其特征在于，轴向磁轴承定子励磁线圈(2001、2002)采用环形结构，径向磁轴承定子励磁线圈(19)缠绕在磁极上，转子轭(1601、1602、1603)、定子磁极(1701、1702)均采用圆筒结构；定子磁极(1701、1702)和转子轭(1601、1602、1603)采用铁磁材料。
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