CN116241564B - 一种八极异极型直流混合磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种八极异极型直流混合磁轴承，包括定子组件和同轴设置在定子组件内的转子组件，转子组件包括转轴和设置同轴设置在转轴外的转子铁芯；定子组件包括定子铁芯、外定子悬浮极、内定子悬浮极、辅助磁极、永磁体和分别绕在外定子悬浮极和内定子悬浮极上的线圈，内外定子悬浮极各有四个及内定子悬浮极包含四个铁芯，内外定子悬浮极均匀间隔分布在定子铁芯内表面，外定子悬浮极和内定子悬浮极交错间隔分布；外定子悬浮极内圈对应设有四个辅助磁极，外定子悬浮极与辅助磁极之间间隔有第一气隙；辅助磁极与相邻的两个内定子悬浮极之间嵌有永磁体，相邻的两块永磁体的磁极相反；内定子悬浮极、辅助磁极、永磁体与转子铁芯之间间隔有第二气隙。

Description

一种八极异极型直流混合磁轴承

技术领域

本发明涉及磁悬浮轴承技术领域，特别涉及一种直流混合磁轴承。

背景技术

磁轴承是一种可以实现定转子之间无机械摩擦的轴承，永磁偏置的磁悬浮轴承利用永磁体产生的磁场代替主动磁轴承中偏置电流产生的磁场，具有功耗低、体积小、效率高等优点，在储能飞轮、风力发电、涡轮分子泵、高速鼓风机以及压缩机等众多工业场合有广阔的应用前景。

磁轴承大致可以分为两大类：同极性磁轴承和异极性磁轴承。其中，同极型磁轴承最为常见，控制相对简单，且能够减小转子的磁滞损耗，目前在工业上得到了广泛的应用。但该类磁轴承轴向长度较长，影响转子临界转速的提高，且永磁磁通从轴向通过定子、转子叠片，磁路漏磁系数大；而异极型磁轴承既有主动磁轴承漏磁较小的优点，又有永磁偏置磁轴承功耗低的优点，且无需增大转子的轴向长度，但是该结构混合磁轴承永磁体占用定子径向控制，导致悬浮极面积较小，该结构的混合磁轴承悬浮力较小。

公告号为CN112815005B专利公开了一种六极异极型交流交流混合磁轴承的设计方法，其中公开的六极异极型交流交流混合磁轴承在x、y方向的电磁力存在耦合，不仅悬浮力小，而且有上述异极型磁轴承共有的轴向长度长、漏磁大的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种八极异极型直流混合磁轴承及其设计方法，消除x、y方向上的电磁力耦合，缩短磁轴承轴向长度，提高转子临界速度，降低功耗。

本发明通过以下技术方案实现：

一种八极异极型直流混合磁轴承，包括定子组件和同轴设置在定子组件内的转子组件，所述转子组件包括转轴和同轴设置在转轴外的转子铁芯；所述定子组件包括定子铁芯、外定子悬浮极、内定子悬浮极、辅助磁极、永磁体和分别绕在外定子悬浮极和内定子悬浮极上的若干组线圈，所述外定子悬浮极有四个，外定子悬浮极均匀间隔分布在定子铁芯内表面，所述内定子悬浮极有四个，内定子悬浮极均匀间隔分布在定子铁芯内表面，外定子悬浮极和内定子悬浮极交错间隔分布；外定子悬浮极内圈对应设有四个辅助磁极，外定子悬浮极与辅助磁极之间间隔有第一气隙；辅助磁极与相邻的两个内定子悬浮极之间嵌有永磁体，每相邻的两块永磁体的磁极相反；内定子悬浮极、辅助磁极、永磁体与转子铁芯之间间隔有第二气隙。

进一步的：定子铁芯、外定子悬浮极、内定子悬浮极由硅钢片叠压成型。

进一步的：辅助磁极由硅钢片叠压成型。

进一步的：永磁体材料为钕铁硼材料。

本发明还提供一种八极异极型直流混合磁轴承的设计方法，包括以下步骤：步骤一：进行磁路分析，构建磁路模型，内定子悬浮极为A～D，外定子悬浮极为a～d，8个永磁体为Y1～Y8；内定子悬浮极A～D与外定子悬浮极a～d分别绕制线圈W1～W8，所述线圈W1、W8、W4、W5串联为X相，W2、W3、W6、W7串联为Y相，W1、W8；W4、W5；W2、W3；W6、W7两者匝数之和为N＝N₁+N_2；

步骤二：设计第二气隙(7)的偏置磁密为B₀＝B_s/2，其中B_s为饱和磁感应强度；

步骤三：设计第一气隙和第二气隙的气隙长度g₁和g₂：第一气隙和第二气隙中的气隙磁通由两个永磁体磁动势产生，因此(g₁/μ₀S₁)×(S₁×B₀/4)＝(2g₂/μ₀S₂)×(S₂×B₀/4)

由此得出

g₁＝2g₂；

步骤四：设计外定子悬浮极和内定子悬浮极的悬浮极面积S₁、S₂：由

g₁S₂＝2g₂S₁

可得：

S₂＝S₁＝S；

步骤五：确定面积S：

由产生+Y和+X方向最大悬浮力相等

进一步推导：/>

步骤六：设计内定子悬浮极和外定子悬浮极上线圈的匝数：

由

得

步骤七：确定永磁体参数：所述永磁体材料采用钕铁硼材料，永磁材料总磁动势：

其中H_c，l_p分别为矫顽力和永磁体厚度；

其中l_w为磁极弧长，h_p为永磁体高度。

进一步的：步骤一中，W1、W8；W4、W5；W2、W3；W6、W7上的线圈绕组既可以全部绕制在一个极上，也可以在两个极上自由分配。

本发明和现有技术相比有以下优点：

一、本发明由永磁体作用提供静态偏置磁通，径向控制绕组通电产生的径向控制磁通调节相应的偏置磁通；该结构八极异极型直流混合磁轴承体积小，承载力大；

二、引入第二气隙，永磁体占用内定子空间极小，使该结构与同等参数下的普通八极异极型直流混合磁轴承的悬浮力大；

三、本发明的x和y方向独立控制，悬浮力在x-y方向无耦合；

四、本发明具有安匝数小，磁路短，漏磁小、功耗低的优点。

附图说明

图1为一种八极异极型直流混合磁轴承左视图；

图2为一种八极异极型直流混合磁轴承永磁磁通和控制磁通回路图；

图3为一种八极异极型直流混合磁轴承控制磁通等效磁路图；

图4为一种八极异极型直流混合磁轴承等效偏置磁通磁路图。

图中：

1、定子铁芯；2、辅助磁极；3、外定子悬浮极；4、内定子悬浮极；5、第一气隙；6、永磁体；7、第二气隙；8、转子铁芯；9、转轴；10、第一偏置磁通；11、第二偏置磁通；12、X向悬浮磁通；13、Y向悬浮磁通。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明通过以下技术方案实现：

一种八极异极型直流混合磁轴承，包括定子组件和同轴设置在定子组件内的转子组件，所述转子组件包括转轴9和同轴设置在转轴9外的转子铁芯8；所述定子组件包括定子铁芯1、外定子悬浮极3、内定子悬浮极4、辅助磁极2、永磁体6和分别绕在外定子悬浮极3和内定子悬浮极4上的若干组线圈，所述外定子悬浮极3有四个，外定子悬浮极3均匀间隔分布在定子铁芯1内表面，所述内定子悬浮极4有四个，内定子悬浮极4均匀间隔分布在定子铁芯1内表面，外定子悬浮极3和内定子悬浮极4交错间隔分布；外定子悬浮极3内圈对应设有四个辅助磁极2，外定子悬浮极3与辅助磁极2之间间隔有第一气隙5；辅助磁极2与相邻的两个内定子悬浮极4之间嵌有永磁体6，每相邻的两块永磁体6的磁极相反；内定子悬浮极4、辅助磁极2、永磁体6与转子铁芯8之间间隔有第二气隙7。定子铁芯1、外定子悬浮极3、内定子悬浮极4由硅钢片叠压成型。辅助磁极2由硅钢片叠压成型。所述第二气隙7均小于1mm，且第一气隙5大于1mm。永磁体6材料为钕铁硼材料。

本发明还提供一种八极异极型直流混合磁轴承的设计方法，包括以下步骤：

步骤一：进行磁路分析，构建磁路模型，内定子悬浮极4为A～D，外定子悬浮极3为a～d，8个永磁体6为Y1～Y8；内定子悬浮极4A～D与外定子悬浮极3a～d分别绕制线圈W1～W8，所述线圈W1、W8、W4、W5串联为X相，W2、W3、W6、W7串联为Y相，W1、W8；W4、W5；W2、W3；W6、W7两者匝数之和为N＝N₁+N₂，W1、W8；W4、W5；W2、W3；W6、W7上的线圈绕组既可以全部绕制在一个极上，也可以在两个极上自由分配；

步骤二：设计第二气隙(7)的偏置磁密为B₀＝B_s/2，其中B_s为饱和磁感应强度；

步骤三：设计第一气隙5和第二气隙7的气隙长度g₁和g₂：第一气隙5和第二气隙7中的气隙磁通由两个永磁体6磁动势产生，因此(g₁/μ₀S₁)×(S₁×B₀/4)＝(2g₂/μ₀S₂)×(S₂×B₀/4)

由此得出

g₁＝2g₂；

步骤四：设计外定子悬浮极3和内定子悬浮极4的悬浮极面积S₁、S₂：由

g₁S₂＝2g₂S₁

可得：

S₂＝S₁＝S；

步骤五：确定面积S：

由产生+Y和+X方向最大悬浮力相等

进一步推导：/>

步骤六：设计内定子悬浮极4和外定子悬浮极3上线圈的匝数：

由

得

步骤七：确定永磁体6参数：所述永磁体6材料采用钕铁硼材料，永磁材料总磁动势：

F_c＝H_cl_p×10^-2

其中H_c，l_p分别为矫顽力和永磁体厚度；

其中l_w为磁极弧长，h_p为永磁体高度。

悬浮原理是：

假设转子受到某一方向上的扰动，偏置磁通产生的合力会指向该偏心方向。此时通过控制电流产生X和Y方向悬浮磁通12和13，并与永磁体为第一气隙和第二气隙提供的第一偏置磁通10和第二偏置磁通11相互作用，使得与转子铁芯8偏心方向相同一侧气隙磁场叠加减弱，而相反方向气隙磁场叠加增强，在转子铁芯8上产生与转子铁芯8偏移方向相反的力，将转子铁芯8拉回径向平衡位置。假设转子铁芯8受到x负方向的扰动力，电涡流位移传感器检测到转子偏移参考位置的位移变化量，控制器将转子铁芯8位移信号变成控制信号，电压-电流功率放大器又将控制信号变成控制电流，电磁磁通的变化，使得转子铁芯8回到原来的平衡位置。

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 (5)

1.一种八极异极型直流混合磁轴承的设计方法，包括定子组件和同轴设置在定子组件内的转子组件，其特征在于：所述转子组件包括转轴(9)和同轴设置在转轴(9)外的转子铁芯(8)；所述定子组件包括定子铁芯(1)、外定子悬浮极(3)、内定子悬浮极(4)、辅助磁极(2)、永磁体(6)和分别绕在外定子悬浮极(3)和内定子悬浮极(4)上的若干组线圈，所述外定子悬浮极(3)有四个，外定子悬浮极(3)均匀间隔分布在定子铁芯(1)内表面，所述内定子悬浮极(4)有四个，内定子悬浮极(4)均匀间隔分布在定子铁芯(1)内表面，外定子悬浮极(3)和内定子悬浮极(4)交错间隔分布；外定子悬浮极(3)内圈对应设有四个辅助磁极(2)，外定子悬浮极(3)与辅助磁极(2)之间间隔有第一气隙(5)；辅助磁极(2)与相邻的两个内定子悬浮极(4)之间嵌有永磁体(6)，每相邻的两块永磁体(6)的磁极相反；内定子悬浮极(4)、辅助磁极(2)、永磁体(6)与转子铁芯(8)之间间隔有第二气隙(7)；

步骤一：进行磁路分析，构建磁路模型，内定子悬浮极(4)为A～D，外定子悬浮极(3)为a～d，8个永磁体(6)为Y1～Y8；内定子悬浮极(4)A～D与外定子悬浮极(3)a～d分别绕制线圈W1～W8，所述线圈W1、W8、W4、W5串联为X相，W2、W3、W6、W7串联为Y相，W1、W8；W4、W5；W2、W3；W6、W7两者匝数之和为N＝N₁+N_2；

步骤二：设计第二气隙(7)的偏置磁密为B₀＝B_s/2，其中B_s为饱和磁感应强度；

步骤三：设计第一气隙(5)和第二气隙(7)的气隙长度g₁和g₂：第一气隙(5)和第二气隙(7)中的气隙磁通由两个永磁体(6)磁动势产生，因此

(g₁/μ₀S₁)×(S₁×B₀/4)＝(2g₂/μ₀S₂)×(S₂×B₀/4)

由此得出

g₁＝2g₂；

步骤四：设计外定子悬浮极(3)和内定子悬浮极(4)的悬浮极面积S₁、S₂：由g₁S₂＝2g₂S₁

可得：

S₂＝S₁＝S；

步骤五：确定面积S：

由产生+Y和+X方向最大悬浮力相等

进一步推导：/>

步骤六：设计内定子悬浮极(4)和外定子悬浮极(3)上线圈的匝数：

由

得

步骤七：确定永磁体(6)参数：所述永磁体(6)材料采用钕铁硼材料，永磁材料总磁动势：

F_c＝H_cl_p×10^-2

其中H_c，l_p分别为矫顽力和永磁体厚度；

其中l_w为磁极弧长，h_p为永磁体高度。

2.根据权利要求1所述的一种八极异极型直流混合磁轴承的设计方法，其特征在于：定子铁芯(1)、外定子悬浮极(3)、内定子悬浮极(4)由硅钢片叠压成型。

3.根据权利要求1所述的一种八极异极型直流混合磁轴承的设计方法，其特征在于：辅助磁极由硅钢片叠压成型。

4.根据权利要求1所述的一种八极异极型直流混合磁轴承的设计方法，其特征在于：永磁体(6)材料为钕铁硼材料。

5.根据权利要求1所述的一种八极异极型直流混合磁轴承的设计方法，其特征在于：步骤一中，W1、W8；W4、W5；W2、W3；W6、W7上的线圈绕组既可以全部绕制在一个极上，也可以在两个极上自由分配。