CN116412212A - 永磁偏置轴向磁悬浮轴承及磁悬浮旋转机械 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁偏置轴向磁悬浮轴承及磁悬浮旋转机械，该永磁偏置轴向磁悬浮轴承包括主轴、定子组件、转子盘和控制单元；定子组件包括沿上下依次堆叠的端部导磁板、永磁体以及内嵌有控制线圈的定子铁芯，端部导磁板、永磁体、定子铁芯以及主轴同轴布置；转子盘与定子组件同轴安装并位于定子组件的内部，转子盘和端部导磁板的下端面之间留有端部气隙，转子盘的底端插入定子铁芯内并与定子铁芯的上下端面之间均形成上气隙和下气隙；控制单元用于驱动控制线圈产生控制电流。本申请采用永磁体既提供偏置磁场，又提供电磁力卸载工作磁场，并采用电磁线圈为该悬浮轴承提供悬浮控制磁场，可实现转子的轴向悬浮主动控制和轴向偏置荷载的被动卸载。

Description

永磁偏置轴向磁悬浮轴承及磁悬浮旋转机械

技术领域

本申请属于磁悬浮技术领域，尤其涉及一种永磁偏置轴向磁悬浮轴承及磁悬浮旋转机械。

背景技术

在工业应用磁悬浮泵、风机、主轴和储能飞轮等大多数磁悬浮旋转机械中，受进出口压力、加工面反作用力、转子重力等影响，磁轴承支承系统需要提供一个常值的轴向力以卸载转子承受的轴向偏置荷载，以控制转子轴向悬浮。现有的轴向电磁或永磁偏置磁悬浮轴承一般通过控制线圈，产生一个与轴承荷载成比例的控制电流以提供轴向电磁力，卸载转子轴向常值荷载。然而，这将增大磁悬浮轴承的功耗。有一些磁悬浮轴承采用非对称结构或非对称气隙，在无需耗电的情况下，产生轴向被动电磁力以实现偏置荷载的卸载，以降低磁悬浮轴承的功耗，但这将使磁轴承的电磁力非线性度提高，使系统易饱和，控制裕度降低，使系统可靠性降低。

发明内容

本申请实施例提供一种永磁偏置轴向磁悬浮轴承及磁悬浮旋转机械，以解决现有轴向永磁偏置轴向磁悬浮轴承功耗高、不能高效提供轴向偏置荷载卸载能力的技术问题。

第一方面，本申请实施例提供一种永磁偏置轴向磁悬浮轴承，所述永磁偏置轴向磁悬浮轴承包括：

主轴；

定子组件，包括沿上下依次堆叠的端部导磁板、永磁体以及内嵌有控制线圈的定子铁芯，所述端部导磁板、所述永磁体、所述定子铁芯以及所述主轴同轴布置；

转子盘，与所述定子组件同轴安装并位于所述定子组件的内部，所述转子盘和所述端部导磁板的下端面之间留有端部气隙，所述转子盘的底端插入所述定子铁芯内并与所述定子铁芯的上下端面之间均形成上气隙和下气隙；和

控制单元，用于驱动所述控制线圈产生控制电流。

可选的，所述定子铁芯包括第一磁极板、第二磁极板以及连接所述第一磁极板和所述第二磁极板的外轭，所述第一磁极板、所述第二磁极板以及所述外轭围合成供所述控制线圈嵌置的容置槽，所述容置槽的开口朝内设置。

可选的，所述转子盘包括圆柱形推力盘和台阶段，所述台阶段位于所述圆柱形推力盘的底部并沿径向向外延伸，所述台阶段的端部插入所述容置槽内，且台阶段的上端面和下端面分别和所述第一磁极板和所述第二磁极板之间形成所述上气隙和所述下气隙。

可选的，所述第一磁极板和所述第二磁极板均为圆环形结构，所述第一磁极板和所述第二磁极板的磁场方向均沿径向且方向相反。

可选的，所述定子铁芯和所述转子盘均为一体加工成型结构或者分体式安装结构。

可选的，所述永磁体为一体环形结构的永磁环或者为沿周向均匀分布的永磁磁瓦。

可选的，所述永磁偏置轴向磁悬浮轴承还包括位移传感器，所述位移传感器用于检测所述转子盘轴向产生的偏移量并发送偏差信号，所述控制单元和所述位移传感器通讯连接并被配置为：

接收所述位移传感器发送的所述偏差信号；

根据所述偏差信号，驱动所述控制线圈产生与所述转子盘的偏移量相对应的控制电流。

可选的，所述转子盘由碳钢、电工纯铁、铁氧体或非晶合金中的一种或两种及以上的导磁材料构成。

可选的，所述控制线圈为采用漆包线圈环向缠绕的多匝线圈。

第二方面，本申请实施例还提供一种磁悬浮旋转机械，所述磁悬浮旋转机械包括如上所述的永磁偏置轴向磁悬浮轴承。

本申请实施例提供的永磁偏置轴向磁悬浮轴承通过将转子盘与定子组件同轴安装并位于定子组件的内部，且转子盘和端部导磁板的下端面之间留有端部气隙，转子盘的底端插入定子铁芯内并与定子铁芯的上下端面之间均形成上气隙和下气隙。本申请通过承集一个永磁偏置混合式轴向磁悬浮轴承与一个被动轴向磁悬浮轴承于一体，采用永磁体既为永磁偏置轴向混合磁悬浮轴承提供偏置磁场，又为轴向被动磁悬浮轴承提供电磁力卸载工作磁场，采用电磁线圈为永磁偏置轴向混合磁悬浮轴承提供悬浮控制磁场，可实现转子的轴向悬浮主动控制和轴向偏置荷载的被动卸载。

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的介绍。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，对本领域技术人员来说，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。

为了更完整地理解本申请及其有益效果，下面将结合附图来进行说明。其中，在下面的描述中相同的附图标号表示相同部分。

图1为本申请实施例提供的永磁偏置轴向磁悬浮轴承的结构示意图；

图2为图1中A-A部位的剖视示意图；

图3为本申请实施例提供的永磁偏置轴向磁悬浮轴承的工作原理示意图。

附图标记说明：

10、定子组件；11、端部导磁板；12、永磁体；13、定子铁芯；131、第一磁极板；132、第二磁极板；133、外轭；134、容置槽；14、控制线圈；20、转子盘；21、端部气隙；22、上气隙；23、下气隙；24、圆柱形推力盘；25、台阶段；30、位移传感器；40、主轴；50、偏置磁场；60、悬浮控制磁场；70、漏磁场。

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，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作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。

磁悬浮轴承利用电磁场产生的磁力控制物体位置以实现物体支承。因其定转子无需接触，磁悬浮轴承具有无磨损、寿命长、损耗低、峰值转速高和无需润滑等优点，在国防、工业控制、航空航天等领域获得广泛应用。磁悬浮轴承通常可分为轴向磁悬浮轴承和径向磁悬浮轴承，轴向磁悬浮轴承通常用于无接触约束旋转物体沿转轴方向的平动自由度，是磁悬浮放置设备中不可或缺的关键部件。现有的轴向磁悬浮轴承通常为电磁铁推力盘式结构，这类轴承通常在控制线圈14中通常值电流来产生一个偏置磁场50，以避免磁性材料磁滞效应等对磁轴承的动态性能的限制，并提高轴承的刚度。然而，线圈的流过常值电流会产生损耗，显著增加磁轴承的耗电，产生过多热量，恶化磁轴承的工作环境。为避免这一问题，还有一些现有技术采用永磁体12为轴向磁悬浮轴承提供偏置电磁场，由此降低现有轴向磁悬浮轴承的功耗。然而，这类永磁偏置的磁悬浮轴承一般结构比较复杂，且电磁承载力或刚度较低，制造难度大，且不能提供偏置荷载高效的卸载。

为了解决现有轴向永磁偏置轴向磁悬浮轴承功耗高、不能高效提供轴向偏置荷载卸载能力的技术问题，本申请实施例提供一种永磁偏置轴向磁悬浮轴承及磁悬浮旋转机械，其中，磁悬浮旋转机械可以为磁悬浮泵、风机、主轴40和储能飞轮等，以提供低功率、高效率、结构简单的磁悬浮支撑。以下将结合附图对其进行说明。

如图1和图2所示，本申请的永磁偏置轴向磁悬浮轴承包括主轴40、定子组件10、转子盘20和控制单元；定子组件10包括沿上下依次堆叠的端部导磁板11、永磁体12以及内嵌有控制线圈14的定子铁芯13，端部导磁板11、永磁体12、定子铁芯13以及主轴40同轴布置；其中，转子盘20与定子组件10同轴安装并位于定子组件10的内部，转子盘20和端部导磁板11的下端面之间留有端部气隙21，转子盘20的底端插入定子铁芯13内并与定子铁芯13的上下端面之间均形成上气隙22和下气隙23；控制单元用于驱动控制线圈14产生控制电流。

本申请的磁悬浮轴承集一个永磁偏置混合式轴向磁悬浮轴承与一个被动轴向磁悬浮轴承于一体，采用永磁体12既为永磁偏置轴向混合磁悬浮轴承提供偏置磁场50，又为轴向被动磁悬浮轴承提供电磁力卸载工作磁场，采用电磁线圈为永磁偏置轴向混合磁悬浮轴承提供悬浮控制磁场60，可实现转子的轴向悬浮主动控制和轴向偏置荷载的被动卸载。与常规的电磁铁推力盘式轴向磁悬浮轴承承载数百牛轴向力实现轴向悬浮控制，一般需要耗电数十到数百瓦相比，而本设计可实现接近于0耗电。并且，该结构简单且紧凑，制造成本低廉。

嵌在定子铁芯13槽内的控制线圈14可由控制单元驱动，以产生正负双向控制电流，从而通过定子铁芯13产生正负方向磁场，构成一个磁场可控的电磁铁，作用于转子盘20上，以产生轴向平动自由度的双向主动悬浮控制力。

可选的，永磁偏置轴向磁悬浮轴承还包括位移传感器30，位移传感器30用于检测转子盘20轴向产生的偏移量并发送偏差信号，控制单元和位移传感器30通讯连接并被配置为：

接收位移传感器30发送的偏差信号；

根据偏差信号，驱动控制线圈14产生与转子盘20的偏移量相对应的控制电流。

本发明的永磁偏置轴向磁悬浮轴承的工作原理如图3所示，具体地：

叠放于端部导磁板11和含控制线圈14的定子铁芯13中间的永磁体12，进行轴向充磁，从额具有轴向磁动势，以产生永磁磁通；永磁磁通经永磁体12、端部导磁板11、端部气隙21、转子盘20、上气隙22和下气隙23、定子铁芯13，最终回到永磁体12。该永磁磁通流经端部气隙21时，形成漏磁场70；当永磁磁通通过端部导磁板11时产生作用于转子盘20端部的轴向被动电磁力，通过设计，该轴向被动电磁力大小与转子承受的外荷载相同，方向相反，以卸载转子承载的轴向偏置荷载。永磁体12产生的磁通流经上气隙22和下气隙23，产生控制用偏置磁场50。转子轴向无偏移时，控制线圈14中无控制电流，上气隙22和下气隙23中的偏置磁场50通过定子铁芯13产生作用于转子盘20的电磁力，上气隙22和下气隙23中的电磁力大小相同，方向相反，相互抵消。转子轴向产生偏移时，位移传感器30测量到这一误偏差，将偏差信号输入给磁悬浮轴承控制器，驱动控制线圈14产生对转子偏移量相关的可控制电流，该控制电流产生悬浮控制磁场60。悬浮控制磁场60经定子铁芯13、上气隙22和下气隙23、转子盘20回到定子铁芯13，形成回路。悬浮控制磁场60与上气隙22和下气隙23中的偏置磁场50，在上下两侧相反，使上气隙22和下气隙23的一侧得到加强，一侧使到削弱，从而通过定子铁芯13产生作用于转子盘20的不平衡电磁力，该电磁力与转子偏移的方向相反，使转子回复到轴向平衡位置。

因此，综上所述，上述具有偏置荷载卸载能力的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，可以产生卸载转子轴向偏置荷载的被动电磁力，也可以产生轴向自由度上下两个方向的悬浮控制电磁力。并且，该轴向磁悬浮轴承不会产生与转子盘20径向平动自由度和绕径向转动的转动自由耦合的干扰电磁力和力矩。其轴向电磁特性也几乎不受转子径向平动和绕径向转动的影响。

可选的，定子铁芯13包括第一磁极板131、第二磁极板132以及连接第一磁极板131和第二磁极板132的外轭133，第一磁极板131、第二磁极板132以及外轭133围合成供控制线圈14嵌置的容置槽134，容置槽134的开口朝内设置。

其中，第一磁极板131和第二磁极板132均为圆形磁极板结构，第一磁极板131和第二磁极板132尺寸相同，且中部形成供转子盘20插接的安装孔；并且，容置槽134也为开口朝向内部的环形凹槽结构，以方便转子盘20的一部分结构从内部插入容置槽134中。

可选的，转子盘20包括圆柱形推力盘24和台阶段25，台阶段25位于圆柱形推力盘24的底部并沿径向向外延伸，台阶段25的端部插入容置槽134内，且台阶段25的上端面和下端面分别和第一磁极板131和第二磁极板132之间形成上气隙22和下气隙23。

具体地，当转子盘20插接于安装孔内时，圆柱形推力盘24的外径小于安装孔的内径，因此圆柱形推力盘24的外周壁和第一磁极板131的内端面之间存在间隙；本实施例中通过采用阶梯型的转子盘20结构，在圆柱形推力盘24的上端面和端部导磁板11之间能够形成端部气隙21，从而在端部气隙21侧产生轴向被动卸载电磁力，而台阶段25的上下端面分别与第一磁极板131和第二磁极板132之间形成的上气隙22和下气隙23侧能够产生轴向主动悬浮控制电磁力。

可选的，第一磁极板131和第二磁极板132均为圆环形结构，第一磁极板131和第二磁极板132的磁场方向均沿径向且方向相反。这样控制单元能够控制控制线圈14产生正负双向控制电流，从而通过定子铁芯13产生正负方向磁场。

可选的，定子铁芯13和转子盘20均可以有两种结构形式：可以为一体加工成型结构，能够节省制造工序，降低成本；当然，也可以为分体式安装结构，这种结构形式方便进行拆卸，在出现问题的时候，方便操作人员进行检修。

其中，永磁体12为一体环形结构的永磁环或者为沿周向均匀分布的永磁磁瓦，当然，无论是一体结构的环形永磁环还是沿周向间隔分布的永磁磁瓦，都是采用轴向充磁，充磁方向可以是轴向向上或轴向向下。

可选的，转子盘20由碳钢、电工纯铁、铁氧体或非晶合金中的一种或两种及以上的导磁材料构成。

可选的，控制线圈14为采用漆包线圈环向缠绕的多匝线圈，将多匝线圈嵌在定子铁芯13的容置槽134内，由控制单元驱动该多匝线圈产生正负方向的控制电流，从而通过定子铁芯13产生正负方向磁场，构成一个磁场可控的电磁铁。

第二方面，本申请实施例还提供一种磁悬浮旋转机械，该磁悬浮旋转机械包括如上所述的永磁偏置轴向磁悬浮轴承。由于该磁悬浮旋转机械采用上述永磁偏置轴向磁悬浮轴承的所有实施例，因此具有永磁偏置轴向磁悬浮轴承所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述永磁偏置轴向磁悬浮轴承包括：

主轴；

定子组件，包括沿上下依次堆叠的端部导磁板、永磁体以及内嵌有控制线圈的定子铁芯，所述端部导磁板、所述永磁体、所述定子铁芯以及所述主轴同轴布置；

转子盘，与所述定子组件同轴安装并位于所述定子组件的内部，所述转子盘和所述端部导磁板的下端面之间留有端部气隙，所述转子盘的底端插入所述定子铁芯内并与所述定子铁芯的上下端面之间均形成上气隙和下气隙；和

控制单元，用于驱动所述控制线圈产生控制电流。

2.根据权利要求1所述的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子铁芯包括第一磁极板、第二磁极板以及连接所述第一磁极板和所述第二磁极板的外轭，所述第一磁极板、所述第二磁极板以及所述外轭围合成供所述控制线圈嵌置的容置槽，所述容置槽的开口朝内设置。

3.根据权利要求2所述的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述转子盘包括圆柱形推力盘和台阶段，所述台阶段位于所述圆柱形推力盘的底部并沿径向向外延伸，所述台阶段的端部插入所述容置槽内，且台阶段的上端面和下端面分别和所述第一磁极板和所述第二磁极板之间形成所述上气隙和所述下气隙。

4.根据权利要求3所述的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一磁极板和所述第二磁极板均为圆环形结构，所述第一磁极板和所述第二磁极板的磁场方向均沿径向且方向相反。

5.根据权利要求3所述的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子铁芯和所述转子盘均为一体加工成型结构或者分体式安装结构。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述永磁体为一体环形结构的永磁环或者为沿周向均匀分布的永磁磁瓦。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述永磁偏置轴向磁悬浮轴承还包括位移传感器，所述位移传感器用于检测所述转子盘轴向产生的偏移量并发送偏差信号，所述控制单元和所述位移传感器通讯连接并被配置为：

接收所述位移传感器发送的所述偏差信号；

根据所述偏差信号，驱动所述控制线圈产生与所述转子盘的偏移量相对应的控制电流。

8.根据权利要求1至5中任意一项所述的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述转子盘由碳钢、电工纯铁、铁氧体或非晶合金中的一种或两种及以上的导磁材料构成。

9.根据权利要求1至5中任意一项所述的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述控制线圈为采用漆包线圈环向缠绕的多匝线圈。

10.一种磁悬浮旋转机械，其特征在于，所述磁悬浮旋转机械包括如权利要求1至9中任意一项所述的永磁偏置轴向磁悬浮轴承。

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