CN116733848A - 一种磁悬浮轴承装置和轴向悬浮斥力的生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮轴承装置，包括推力轴承、励磁盘和导体盘，导体盘绕在推力轴承外侧，励磁盘和导体盘相互嵌入绕接在传动轴上，励磁盘为永磁体，导体盘内设置有空心线圈和铁芯线圈。当励磁盘沿传动轴转动时产生绕传动轴旋转的旋转磁场，在旋转磁场作用下导体盘中空心线圈和铁芯线圈产生感应电动势，输出与励磁盘磁极方向相同的感应磁场，从而产生与抗轴向负荷的悬浮斥力。本装置能够降低磁悬浮装置控制的复杂性和成本，提高抗轴向负荷的线性一致性。

Description

一种磁悬浮轴承装置和轴向悬浮斥力的生成方法

技术领域

本发明涉及磁悬浮轴承技术领域，具体涉及一种磁悬浮轴承装置、轴向悬浮斥力的生成方法。

背景技术

对于大型动力设备，如大型泵机组、风力发电机、水力发电机、鼓风机等，当传动轴旋转时会承受轴向和径向负荷，若轴向负荷过大会造成推力轴承崩溃和失效的问题，使设备运行不稳定。

例如，当风力发电机的风叶遇到强气流时振动会产生轴向的振动，特别是当轴向振动接近固有频率时会造成轴向推力轴承的巨大冲击，造成轴承组件的损毁，影响发电机的发电效率和使用寿命。

磁悬浮轴承是一种利用磁力作用实现轴承运动部件和相对静止部件无摩擦作用承载的一种轴承，分为主动式磁悬浮轴承和被动式磁悬浮轴承。

现有的主动式磁悬浮技术通常利用电磁感应原理，在电力作用下通过闭环控制系统产生电磁振荡，再通过电磁线圈产生磁场，通过磁场的相互作用产生悬浮力使传动机构和电机隔离，降低磨损。但是这种有源磁悬浮装置需要复杂的控制回路，抗负荷稳定性较差。现有的被动式磁悬浮轴承依靠永磁体磁力作用承载轴向负荷并使其悬浮，其无需额外的供电需求和能量消耗，可采用多个永磁体的配合实现器件的悬浮，但是其产生的悬浮磁链无法随外界轴向负荷的大小线性变化。

发明内容

鉴于上述问题，本方案提出了一种磁悬浮轴承装置，既能够降低电磁式磁悬浮装置的控制复杂性，又能增加永磁式磁悬浮轴承抗轴向负荷的线性一致性，能够根据转速的高低提供与轴向负荷线性一致的抗负荷悬浮力，提高动力设备运行的稳定性。

根据本发明的第一方面，提供一种磁悬浮轴承装置，包括：推力轴承、励磁盘和导体盘，导体盘绕在推力轴承外侧，励磁盘和导体盘相互嵌入绕接在传动轴上，励磁盘为永磁体，导体盘内设置有空心线圈和铁芯线圈。

可选地，在上述磁悬浮轴承装置中，铁芯线圈的铁芯采用硅钢片、坡莫合金、非晶态软磁合金、纳米晶合金中任意一种软磁材料，励磁盘采用钕铁硼、钐钴、铝镍钴、铁氧体中任意一种永磁材料。

可选地，在上述磁悬浮轴承装置中，励磁盘随传动轴旋转时产生沿传动轴旋转的旋转磁场，空心线圈和铁芯线圈在旋转磁场作用下产生励磁涡流，励磁涡流经整形后形成脉动直流，在脉动直流作用下铁芯线圈和空心线圈产生叠加的感应电动势，输出与永磁体磁极方向相同的感应磁场。

可选地，在上述磁悬浮轴承装置中，感应磁场与永磁体磁场形成悬浮磁链，产生的悬浮斥力通过铁芯线圈的铁芯传导出去。

可选地，在上述磁悬浮轴承装置中，悬浮斥力与轴向负荷方向相反，悬浮斥力的大小随轴向负荷的增加而增加，随轴向负荷的减小而减小。

可选地，在上述磁悬浮轴承装置中，还包括轴向限位器和封闭外壳，轴向限位器用于使励磁盘和导体盘在传动轴上的轴向位置固定，封闭外壳用于包覆励磁盘和导体盘。

根据本发明的第二方面，提供了一种轴向悬浮斥力的生成方法，通过如权上的磁悬浮轴承装置实现，包括：在传动轴旋转时，励磁盘绕传动轴旋转产生旋转磁场；在旋转磁场作用下导体盘中的空心线圈和铁芯线圈中产生叠加的感应电动势，输出与永磁体磁极方向相同的感应磁场；感应磁场与永磁体磁场形成悬浮磁链，产生与轴向负荷大小相等方向相反的悬浮斥力；随着传动轴转速增加，导体盘中叠加的感应电动势增加，悬浮斥力的大小随轴向负荷的增加而增加，随轴向负荷的减小而减小。。

可选地，在上述轴向悬浮斥力的生成方法中，在传动轴转速小于预设阈值时，空心线圈产生的感应电动势提供抗轴向负荷的悬浮斥力，当传动轴转速大于预设阈值时，空心线圈和铁芯线圈叠加的感应电动势共同提供抗轴向负荷的悬浮斥力。

根据本发明提供的磁悬浮轴承装置，在励磁盘旋转磁场的作用下导体盘产生励磁涡流，在励磁涡流作用下通过空心线圈和软磁铁芯线圈产生的感应电动势叠加，从而产生与励磁磁场相同磁极的感应磁场。在传动轴高速旋转过程中，能够根据转速的高低自动提高励磁能力，提供与轴承负荷线性一致的抗轴承负荷的悬浮力，能够有效阻隔振动，解决常规磁悬浮装置供电复杂和稳定性差的问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的磁悬浮轴承装置的结构示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的导体盘端面结构示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的励磁盘端面结构示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例的涡流回路拓扑图；

图5示出了根据本发明一个实施例的轴向悬浮磁力生成方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

轴是穿在轴承中间支承转动部件并与之一起回转以传递运动、扭矩的机械部件。大型动力设备在高速旋转时由于轴向压力负荷较大对轴和轴承会造成损害，影响产品的使用寿命。其中，轴向负荷是指在轴承的轴线方向上产生的载荷，广泛存在于各种结构振动中。因此，可以通过磁悬浮技术产生轴向悬浮斥力减小轴向负荷。

常规磁悬浮轴承通常需要复杂的电控微电子技术产生悬浮磁链，例如，当转子受到一个向下的扰动就会偏离其参考位置，这时传感器检测出转子偏离参考点的位移，微控制器将检测的位移变换成控制信号。功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回到原来平衡位置。

这种磁悬浮轴承需要在电力作用下通过控制系统产生电磁振荡，再通过电磁线圈产生磁场，通过磁场的相互作用产生悬浮，并且需要复杂的闭环控制回路实现负荷和悬浮磁力的线性一致性。

而永磁悬浮轴承虽然能够无需外界电源和能量消耗，但是其无法提供与轴向负荷线性一致性的轴向斥力，无法保证动力设备的稳定运行。

为了减少磁悬浮装置供电和控制复杂性，同时提高抗轴向负荷的线性一致性，本方案提供了一种磁悬浮轴承装置，通过永磁体旋转产生旋转磁场，在旋转磁场作用下，在由空心线圈和铁芯线圈组合形成的导体盘中产生叠加的感应电动势，形成与励磁磁链方向相同的悬浮磁链，形成轴向斥力；并且能够根据传动轴转速的高低自动调节励磁能力，产生与轴向负荷线性一致的轴向斥力，减小轴承与轴之间的磨损，从而提高传动机构运行的稳定性。该磁悬浮轴承装置结构简单，成本低，易于维护，适用于多种大型动力设备。

图1示出了根据本发明一个实施例的磁悬浮轴承装置的结构示意图。如图1所示，磁悬浮轴承装置包括推力轴承、励磁盘和导体盘。导体盘绕在推力轴承外侧，励磁盘和导体盘相互嵌入绕接在传动轴上，直径大致相同。励磁盘为永磁体，导体盘内部设置有空心线圈和铁芯线圈（图1中未示出）。

此外还可以包括轴向限位器和封闭外壳，轴向限位器用于使励磁盘和导体盘在传动轴上的轴向位置固定，封闭外壳用于包覆励磁盘和导体盘，减少外部电磁干扰。

其中，励磁盘为采用铁氧体、钐钴、钕铁硼、铝镍钴合金等永磁材料的永磁体，励磁盘作为主动体会产生一个绕传动轴旋转的旋转磁场。铁芯线圈的铁芯采用硅钢片、坡莫合金、非晶态软磁合金、纳米晶合金中任意一种软磁材料，具有较高的磁导率，使铁芯和励磁盘的永磁体之间的气隙减少，从而保证感应磁场与永磁体磁场的耦合强度。

图2示出了根据本发明一个实施例的导体盘端面结构示意图。如图2所示，导体盘与励磁盘嵌入部分的端面包括励磁体面、导磁体面，另一侧端面设置有主载体和嵌入槽，用于嵌入空心线圈和铁芯线圈，并通过空心线圈和铁芯线圈传递能量。

图3示出了根据本发明一个实施例的励磁盘端面结构示意图。如图3所示，励磁盘与导体盘的嵌入部分设置有涡流发生器、发生器上定盘和发生器上护板，涡流发生器内部由铁芯和励磁线圈组成。励磁盘的另一侧设置有辐射型肋条盖板，并通过轴向限位器固定在传动轴上。

当励磁盘沿传动轴转动时，产生绕传动轴旋转的旋转磁场，在旋转磁场作用下导体盘中的空心线圈和铁芯线圈切割磁感线产生感应电动势，在线圈中产生涡流，涡流产生的感应磁场与励磁盘永磁体磁极方向相同，感应磁场与永磁体磁场形成悬浮磁链，产生的悬浮斥力通过铁芯线圈的铁芯传导出去，从而输出与轴向负荷方向相反大小相等的轴向悬浮斥力。

根据转速和磁极对数可以推算出磁场的旋转频率，即f= NP/60，其中N为转速，P为磁极对数。根据磁力与磁感应强度、旋转角速度、旋转体半径、导体电阻的关系，即F=nB²L²V/ R = nB²L²ωr cos θ/ R ，其中，V是导体盘和励磁盘之间的相对速度。磁力方向与旋转方向垂直，磁力的大小与切割磁力线的导体有效长度的二次方L²、磁感应强度的二次方B²、角速度ω、旋转体半径r成正比，与导体电阻R成反比。

因此感应磁场与永磁体磁场形成悬浮磁链，并且感应磁场的大小随转速的增加而增加，从而提供与轴向负荷线性一致的抗轴向负荷的悬浮斥力，悬浮斥力是柔性的并且与轴向负荷形成线性吻合。

由于导体盘中设置有空心线圈和铁芯线圈，在旋转磁场的作用下，铁芯线圈产生的感应电动势E1与空心线圈产生的自感电动势E2串联叠加为E=E1+E2。由于两种线圈具有相同的角速度，所以他们有相同的周期和频率，在外加磁场相同的情况下，产生的感应电动势相同，即E1=E2，因此，叠加后的电动势E=2E1。感应电动势叠加后在铁芯中形成轴向抗负荷的悬浮斥力，通过铁芯线圈的铁芯传导出去。

为了在导体盘中产生励磁涡流，导体盘中的空心线圈和铁芯线圈交叉连接，在旋转磁场作用下空心线圈和铁芯线圈中产生励磁涡流，励磁涡流经整形后形成脉动直流，在脉动直流作用下铁芯线圈和空心线圈产生叠加的感应电动势。图4示出了根据本发明一个实施例的涡流回路拓扑图。如图4所示，空心线圈L1和铁芯线圈L2经二极管D1整流后，产生单相脉动直流，全波E=|A sinx | （初相为零）整流为半波E=A sinx （E≥0，初相为零）。

轴向悬浮斥力的方向与轴向负荷的方向相反，大小和轴向负荷的大小线性一致，即磁力的大小随轴向负荷的增加而增加，随轴向负荷的减小而减小。

图5示出了根据本发明一个实施例的轴向悬浮磁力生成方法的流程示意图。如图5所示，该方法包括：

在传动轴旋转时，励磁盘绕传动轴旋转产生旋转磁场；

在旋转磁场作用下导体盘中的空心线圈和铁芯线圈中产生叠加的感应电动势，输出与永磁体磁极方向相同的感应磁场；

感应磁场与永磁体磁场形成悬浮磁链，产生与轴向负荷大小相等方向相反的悬浮斥力；

随着传动轴转速增加，导体盘中叠加的感应电动势增加，悬浮斥力的大小随轴向负荷的增加而增加，随轴向负荷的减小而减小。

根据本发明的一个实施例，在传动轴转速小于预设阈值时，空心线圈产生的感应电动势提供抗轴向负荷的悬浮斥力，当传动轴转速大于预设阈值时，空心线圈和铁芯线圈叠加的感应电动势共同提供抗轴向负荷的悬浮斥力。

由于永磁体的存在，在低转速（例如风电的低风速），永磁体提供悬浮力，随着转速的提高，接触面摩擦增加，会造成热量增加，热量过高损坏推力轴承油膜保护，这个时候悬浮斥力增加，可以消除轴承和轴的磨损，提高轴承的寿命和可靠性。

根据本发明提供的磁悬浮轴承装置，结构相对简单，成本低，既能够降低电磁式磁悬浮装置的供电和控制复杂性，又能够根据转速的高低提供与轴向负荷线性一致的抗负荷悬浮力，提高动力设备运行的稳定性，能够根据转速的高低自动提高励磁能力，能够有效阻隔振动，解决现有磁悬浮装置供电复杂和线性一致性差的问题。

本方案提供的磁悬浮轴承装置可以应用于风力发电、水利发电、鼓风机、粉碎机等多种大型动力传动机构、无人机垂直旋翼部分等设备中，解决设备可靠性差，维护成本高的问题。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

此外，实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种磁悬浮轴承装置，其特征在于，包括推力轴承、励磁盘和导体盘，所述导体盘绕在所述推力轴承外侧，所述励磁盘和导体盘相互嵌入绕接在传动轴上，所述励磁盘为永磁体，所述导体盘内设置有空心线圈和铁芯线圈。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承装置，其特征在于，所述铁芯线圈的铁芯采用硅钢片、坡莫合金、非晶态软磁合金、纳米晶合金中任意一种软磁材料，所述励磁盘采用钕铁硼、钐钴、铝镍钴、铁氧体中任意一种永磁材料。

3.根据权利要求2所述的磁悬浮轴承装置，其特征在于，所述励磁盘随传动轴旋转时产生沿传动轴旋转的旋转磁场，所述空心线圈和铁芯线圈在旋转磁场作用下产生励磁涡流，所述励磁涡流经整形后形成脉动直流，在脉动直流作用下所述铁芯线圈和所述空心线圈产生叠加的感应电动势，输出与永磁体磁极方向相同的感应磁场。

4.根据权利要求3所述的磁悬浮轴承装置，其特征在于，所述感应磁场与所述永磁体磁场形成悬浮磁链，产生的悬浮斥力通过铁芯线圈的铁芯传导出去。

5.根据权利要求4所述的磁悬浮轴承装置，其特征在于，所述悬浮斥力与轴向负荷方向相反，悬浮斥力的大小随轴向负荷的增加而增加，随轴向负荷的减小而减小。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承装置，其特征在于，所述装置还包括轴向限位器和封闭外壳，所述轴向限位器用于使励磁盘和导体盘在传动轴上的轴向位置固定，所述封闭外壳用于包覆所述励磁盘和导体盘。

7.一种轴向悬浮斥力的生成方法，其特征在于，通过如权利要求1-6任意一项中所述的磁悬浮轴承装置实现，包括：

在所述传动轴旋转时，所述励磁盘绕所述传动轴旋转产生旋转磁场；

在旋转磁场作用下所述导体盘中的空心线圈和铁芯线圈中产生叠加的感应电动势，输出与永磁体磁极方向相同的感应磁场；

所述感应磁场与所述永磁体磁场形成悬浮磁链，产生与轴向负荷大小相等方向相反的悬浮斥力；

随着传动轴转速增加，导体盘中叠加的感应电动势增加，所述悬浮斥力的大小随轴向负荷的增加而增加，随轴向负荷的减小而减小。

8.根据权利要求7所述的轴向悬浮斥力的生成方法，其特征在于，在所述传动轴转速小于预设阈值时，所述空心线圈产生的感应电动势提供抗轴向负荷的悬浮斥力，当所述传动轴转速大于预设阈值时，所述空心线圈和所述铁芯线圈叠加的感应电动势共同提供抗轴向负荷的悬浮斥力。