CN117249163A - 一种带径向辅助励磁的三自由度混合磁轴承 - Google Patents

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邢坤
刘非凡
张涛
叶小婷
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张晨
鲁庆
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Abstract

本发明公开一种带径向辅助励磁的三自由度混合磁轴承，包括转子组件和定子组件，转子组件包括转子铁心以及转轴；定子组件包括轴向铁心、径向铁心、永磁环、轴向控制线圈以及径向控制线圈，永磁环位于径向和轴向铁心之间；径向铁心内侧均布八个间隔设置的悬浮极和永磁极，永磁极上嵌入辅助永磁体，悬浮极绕有径向控制线圈。本发明由永磁环提供的偏置磁通让轴向气隙偏置磁密达到饱和磁密的一半，而径向气隙偏置磁密在永磁极上的永磁体和永磁环共同作用达到气隙饱和磁密的一半，突破了传统三自由度混合磁轴承径向最大悬浮力受到轴向最大悬浮约束的技术难题，可以设计出径向最大悬浮力远大于轴向最大悬浮力的三自由度混合磁轴承，结构紧凑，充分利用材料。

Description

一种带径向辅助励磁的三自由度混合磁轴承
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮轴承制造技术领域，具体涉及一种径向最大悬浮力不受轴向最大悬浮力约束的三自由度混合磁轴承。
背景技术
永磁偏置磁悬浮轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间，实现转子和定子之间没有机械接触的一种高性能轴承，是由轴向铁心、转子、永磁体、控制线圈、位移传感器、控制器、功率放大器等组成的一个闭环系统。永磁偏置磁悬浮轴承根据功能上的不同可分为轴向永磁偏置磁悬浮轴承、径向永磁偏置磁悬浮轴承、径轴向永磁偏置磁悬浮轴承；根据定子磁极中偏置磁场极性的不同，永磁偏置磁悬浮轴承又有同极性和异极性之分。同极性磁悬浮轴承的磁力线回路与转子轴心线平行，它的偏置磁通和控制磁通不在一个平面上流通，其特点是磁滞损耗较小，缺点是轴向尺寸较长，空间利用率低，加工较困难；异极性磁悬浮轴承的磁力线回路与转子轴心线垂直，特点是加工容易，精度高，轴向尺寸较小。
传统的径轴向三自由度混合磁轴承的径向轴向磁极面积成固定比例关系，即径向最大悬浮力受到轴向最大悬浮力的限制。本方案提出用一种带径向辅助励磁的三自由度混合磁轴承，由八极异极性永磁偏置磁悬浮轴承代替传统径轴向永磁偏置磁悬浮轴承中的径向定子部分，其结构简单，控制方便，径向定子材料选用硅钢片，能够明显的减小磁滞和涡流损耗；由传统永磁环提供径向和轴向的偏置磁通，外加嵌于四个径向铁心中的辅助永磁体提供辅助励磁磁通，让悬浮极处的气隙偏置磁密达到饱和磁密的一半，设计出径向悬浮力远大于轴向悬浮力的三自由混合磁轴承。。
发明内容
发明目的：为解决传统三自由度混合磁轴承中径向与轴向磁极面积之间的固定比例关系导致的径向最大悬浮力受到轴向最大悬浮力限制的技术难题，本发明提供一种带径向辅助励磁的三自由度混合磁轴承，由永磁环同时提供轴向和径向偏置磁通，外加四个辅助永磁体提供辅助径向偏置磁通，让悬浮极处气隙的偏置磁密达到饱和磁密的一半，设计出径向悬浮力远大于轴向悬浮力的三自由混合磁轴承，不受轴向和径向面积固定比例的限制，提高空间利用率与悬浮力密度。
技术方案：本发明公开了一种带径向辅助励磁的三自由度混合磁轴承，包括转子组件和定子组件；
所述转子组件包括转子铁心以及贯穿转子铁心的转轴；
所述定子组件包括轴向铁心、径向铁心、永磁环、辅助永磁体、轴向控制线圈以及径向控制线圈；
所述永磁环设置于径向铁心和轴向铁心之间；所述径向铁心内侧均布设置4个悬浮极和4个永磁极，且悬浮极和永磁极之间间隔设置，所述永磁极上嵌入辅助永磁体，所述悬浮极上绕有径向控制线圈；所述轴向控制线圈绕制于所述轴向铁心上；
所述转子铁心与所述轴向铁心、径向铁心之间分别设置轴向气隙和径向气隙。
进一步地，所述永磁环(7)、辅助永磁体(8)均为径向充磁，且永磁环内侧极性和辅助永磁体的外侧极性相同。
进一步地，设定Sr为单个悬浮极面积，Sz为轴向磁极面积，2Sr＞Sz。
进一步地，相对设置的悬浮极上的径向控制线圈A1、A2和A3、A4分别串联连接，产生的径向控制磁通经过径向铁心的轭部，相对的两个悬浮极、径向气隙、转子铁心，形成一个完整的回路；
所述轴向控制线圈B1、B2串联连接，产生的轴向控制磁通经过轴向铁心、轴向气隙、转子铁心，形成一个完整的回路。
进一步地，所述永磁环提供部分径向和全部轴向偏置磁通，所述径向和轴向偏置磁通从永磁环的N极出发，经过轴向铁心、轴向气隙、转子铁心、径向气隙、径向铁心回到永磁环的S极；
所述辅助永磁体(8)产生辅助励磁磁通，所述辅助励磁磁通从辅助永磁体N极出发经过永磁极、径向铁心轭部、相邻的两个悬浮极、径向气隙、转子铁心、径向气隙、径向铁心上的永磁极，回到辅助永磁体S极。
进一步地，所述永磁环为径向气隙和轴向气隙提供部分径向和全部轴向偏置磁通，让轴向气隙处的气隙磁密达到饱和磁密的一半，悬浮极下的气隙磁密小于饱和磁密的一半，所缺少的偏置磁密由辅助永磁体产生的辅助励磁磁通提供。
进一步地，所述轴向铁心由实心导磁材料制成，所述径向铁心由硅钢片叠压成型。
进一步地，所述永磁环参数设计方法具体步骤如下：
步骤1：选定永磁环、辅助永磁体材料，确定气隙饱和磁密Bs，确定各气隙长度；
步骤2：根据Fzmax与Frmax确定轴向磁极和径向悬浮极的磁极面积Sz和Sr，
且2Sr＞Sz，Sr为单个悬浮极面积，Sz为轴向磁极面积，μ0为真空磁导率；
步骤3：根据混合磁轴承的永磁磁路的基本方程，确定永磁环的磁动势Fzm：
φzm＝0.5Bs·Sz，gr、gz分别为径向气隙和轴向气隙长度，μ0为真空磁导率；
步骤4：确定在永磁环激励下悬浮极的气隙磁密Brzm：
步骤5：确定辅助永磁体需提供的偏置磁通φam：φam＝0.5Bs(2Sr-Sz)；
步骤6：确定辅助永磁体的磁动势Fam：Sa为单个永磁极面积；
步骤7：在确保永磁极和悬浮极极内径相同的条件下，永磁极和悬浮极合理的占用圆周空间来协调设计最终的永磁极面积及永磁厚度和长度
有益效果：
本发明由八极异极性永磁偏置磁悬浮轴承代替传统径轴向永磁偏置磁悬浮轴承中的径向定子部分，其结构简单，控制方便，径向定子材料选用硅钢片，能够明显的减小磁滞和涡流损耗。通过永磁环同时提供轴向和径向偏置磁通，四个辅助永磁体为径向气隙提供辅助励磁磁通，突破轴向与径向磁极面积的比例限制，可以实现径向和轴向最大磁悬浮独立设计。当径向磁极面积之和的一半远大于轴向磁极面积时，悬浮极下的气隙磁密可以由辅助永磁体提供的辅助励磁磁通补偿到饱和磁密的一半，保持转子的稳定悬浮，并且降低成本，提高空间利用率与悬浮力密度。
附图说明
图1为本发明一种带径向辅助励磁的三自由度混合磁轴承的轴向结构图；
图2为本发明一种带径向辅助励磁的三自由度混合磁轴承的轴向磁路图；
图3为本发明一种带径向辅助励磁的三自由度混合磁轴承的径向磁路图。
其中，1-转子组件，2-定子组件，3-转子铁心，4-转轴，5-轴向铁心，6-径向铁心，7-永磁环，8-辅助永磁体，9-轴向控制线圈，10-径向控制线圈，11-径向和轴向偏置磁通，12-轴向气隙，13-径向气隙，14-辅助励磁磁通，15-径向控制磁通，16-轴向控制磁通。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明公开了一种带径向辅助励磁的三自由度混合磁轴承，参见图1至图3，包括转子组件1和定子组件2。转子组件1包括转子铁心3以及转轴4，转轴4贯穿转轴铁心3设置。定子组件2包括轴向铁心5、径向铁心6、永磁环7、辅助永磁体8、轴向控制线圈9以及径向控制线圈10。永磁环7位于径向铁心6和轴向铁心5之间。径向铁心6内侧均布设置4个悬浮极和4个永磁极，且悬浮极和永磁极之间间隔设置，永磁极上嵌入辅助永磁体8，悬浮极绕有径向控制线圈10。轴向控制线圈9对称绕制于轴向铁心5内侧。转子铁心3与轴向铁心5、径向铁心6之间分别设置轴向气隙12和径向气隙13。轴向铁心5由实心导磁材料制成，径向铁心6由硅钢片叠压成型。
径向悬浮极面积之和的一半大于轴向磁极面积，设定Sr为单个悬浮极面积，Sz为轴向磁极面积，2Sr＞Sz。
永磁环7为径向充磁；辅助永磁体8也为径向充磁，且永磁环7内侧极性和辅助永磁体8的外侧极性相同。
永磁环7提供的部分径向和全部轴向偏置磁通11，从永磁环7的N极出发，经过轴向铁心5、轴向气隙12、转子铁心3、悬浮极、径向气隙13、径向铁心6回到永磁环7的S极。
辅助永磁体8产生的辅助励磁磁通14，从辅助永磁体7的N极出发经过永磁极、径向铁心6的轭部、相邻的两个悬浮极、径向气隙13、转子铁心3、径向气隙13、再回到径向铁心6上的永磁极上的辅助永磁体8的S极。
参见图1，相对设置的悬浮极上的径向控制线圈10A1、A2和A3、A4分别串联连接，产生的径向控制磁通15经过相对的两个悬浮极、径向铁心6的轭部、径向气隙13、转子铁心3，形成一个完整的回路。
参见图3，轴向控制线圈9的B1、B2串联连接，产生的轴向控制磁通16经过轴向铁心5、轴向气隙12、转子铁心3，形成一个完整的回路。
永磁环7为径向气隙13和轴向气隙12提供部分径向和全部轴向的偏置磁通11，让轴向气隙12的气隙磁密达到饱和磁密的一半，悬浮极下的气隙磁密小于饱和磁密的一半，所缺少的偏置磁密由辅助永磁体8产生的辅助励磁磁通14提供。
上述带径向辅助励磁的三自由度混合磁轴承的永磁环参数设计方法具体步骤如下：
步骤1：选定永磁环7、辅助永磁体8材料，确定气隙饱和磁密Bs，确定各气隙长度。
步骤2：根据Fzmax与Frmax确定轴向和径向磁极面积Sz和Sr，
且2Sr＞Sz，其中，Sz为轴向磁极面积，Sr为径向一个悬浮极面积，μ0为真空磁导率。
步骤3：根据混合磁轴承的永磁磁路的基本方程，确定永磁环的磁动势Fzm：
φzm＝0.5Bs·Sz，gr、gz分别为径向气隙13和轴向气隙12长度。
步骤4：确定在永磁环激励下悬浮极的气隙磁密Brzm：
步骤5：确定辅助永磁体需提供的偏置磁通φam：φam＝0.5Bs(2Sr-Sz)。
步骤6：步骤6：确定辅助永磁体的磁动势Fam：Sa为单个永磁极面积；
步骤7：在确保永磁极和悬浮极极内径相同的条件下，永磁极和悬浮极合理的占用圆周空间来协调设计最终的永磁极面积及永磁厚度和长度。
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内。

Claims (8)

1.一种带径向辅助励磁的三自由度混合磁轴承，其特征在于，包括转子组件(1)和定子组件(2)；
所述转子组件(1)包括转子铁心(3)以及贯穿转子铁心(3)的转轴(4)；
所述定子组件(2)包括轴向铁心(5)、径向铁心(6)、永磁环(7)、辅助永磁体(8)、轴向控制线圈(9)以及径向控制线圈(10)；
所述永磁环(7)设置于径向铁心(6)和轴向铁心(5)之间；所述径向铁心(6)内侧均布设置4个悬浮极和4个永磁极，且悬浮极和永磁极之间间隔设置，所述永磁极上嵌入辅助永磁体(8)，所述悬浮极上绕有径向控制线圈(10)；所述轴向控制线圈(9)对称绕制于所述轴向铁心(5)内侧；
所述转子铁心(3)与所述轴向铁心(5)、径向铁心(6)之间分别设置轴向气隙(12)和径向气隙(13)。
2.根据权利要求1所述的带径向辅助励磁的三自由度混合磁轴承，其特征在于：所述永磁环(7)、辅助永磁体(8)均为径向充磁，且永磁环(7)内侧极性和辅助永磁体(8)的外侧极性相同。
3.根据权利要求1所述的带径向辅助励磁的三自由度混合磁轴承，其特征在于：设定Sr为单个悬浮极面积，Sz为轴向磁极面积，2Sr＞Sz。
4.根据权利要求1所述的带径向辅助励磁的三自由度混合磁轴承，其特征在于：相对设置的悬浮极上的径向控制线圈(10)A1、A2和A3、A4分别串联连接，产生的径向控制磁通(15)经过在径向铁心(6)的轭部、悬浮极、径向气隙(13)、转子铁心(3)，形成一个完整的回路；
所述轴向控制线圈(9)B1、B2串联连接，产生的轴向控制磁通(16)经过轴向铁心(5)、轴向气隙(12)、转子铁心(3)，形成一个完整的回路。
5.根据权利要求1所述的带径向辅助励磁的三自由度混合磁轴承，其特征在于：所述永磁环(7)提供部分径向和全部轴向偏置磁通(11)，所述偏置磁通(11)从永磁环(7)的N极出发，经过轴向铁心(5)、轴向气隙(12)、转子铁心(3)、悬浮极、径向气隙(13)、径向铁心(6)回到永磁环(7)的S极；
所述辅助永磁体(8)产生辅助励磁磁通(14)，所述辅助励磁磁通(14)从辅助永磁体(7)N极出发经过永磁极径向铁心(6)的轭部、与之相邻的两个悬浮极、径向气隙(13)、转子铁心(3)、径向气隙(13)、再回到径向铁心(6)上的永磁极中的辅助永磁体(8)S极。
6.根据权利要求5所述的带径向辅助励磁的三自由度混合磁轴承，其特征在于：所述永磁环(7)为径向气隙(13)和轴向气隙(12)提供部分径向和全部轴向的偏置磁通(11)，让轴向气隙(12)处的气隙磁密达到饱和磁密的一半，悬浮极下的气隙磁密小于饱和磁密的一半，所缺少的偏置磁密由辅助永磁体(8)产生的辅助励磁磁通(14)提供。
7.根据权利要求1所述的带径向辅助励磁的三自由度混合磁轴承，其特征在于：所述轴向铁心(5)由实心导磁材料制成，所述径向铁心(6)由硅钢片叠压成型。
8.根据权利要求1至7任一所述的一种带径向辅助励磁的三自由度混合磁轴承，其特征在于：所述永磁环参数设计方法具体步骤如下：
步骤1：选定永磁环(7)、辅助永磁体(8)材料，确定气隙饱和磁密Bs，确定各气隙长度；
步骤2：根据Fzmax与Frmax确定轴向磁极和径向悬浮极的磁极面积Sz和Sr，
且2Sr＞Sz，Sr为单个悬浮极面积，Sz为轴向磁极面积，μ0为真空磁导率；
步骤3：根据混合磁轴承的永磁磁路的基本方程，确定永磁环的磁动势Fzm：
φzm＝0.5Bs·Sz，gr、gz分别为径向气隙(13)和轴向气隙(12)长度，μ0为真空磁导率；
步骤4：确定在永磁环激励下悬浮极的气隙磁密Brzm：
步骤5：确定辅助永磁体需提供的偏置磁通φam：φam＝0.5Bs(2Sr-Sz)；
步骤6：确定辅助永磁体的磁动势Fam：Sa为单个永磁极面积；
步骤7：在确保永磁极和悬浮极极内径相同的条件下，永磁极和悬浮极合理的占用圆周空间来协调设计最终的永磁极面积及永磁厚度和长度。
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