CN117307603A - 一种径向轴向悬浮力独立的混合励磁磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径向轴向悬浮力独立的混合励磁磁轴承。该磁轴承包括轴向控制铁心、左导磁桥、右导磁桥、径向控制铁心、轴向控制线圈、径向控制线圈等部分。本发明通过在径向控制铁心内侧均布六个悬浮极和永磁极，并在其中嵌入永磁体，再在悬浮极上绕上径向控制线圈，来实现径向悬浮。同时，恒流源线圈置于轴向控制铁心与左右导磁桥之间，隔磁铝环置于转子铁心中，将转子铁心分为径向和轴向两部分，从而实现轴向径向三自由度悬浮。本发明提出的径向与轴向最大悬浮力独立设计的三自由度混合励磁磁轴承，解决了传统三自由度混合磁轴承径向和轴向最大悬浮力间的制约关系，且径向和轴向磁路与悬浮力无耦合，控制简单，易于实现。

Description

一种径向轴向悬浮力独立的混合励磁磁轴承

技术领域

本发明涉及磁悬浮轴承技术领域，具体涉及一种径向轴向悬浮力独立的混合励磁磁轴承。

背景技术

磁悬浮轴承是利用定子和转子之间的电磁力将转子悬浮于空间，使定子与转子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承。定子与转子之间不存在机械接触，所以磁悬浮轴承支撑的悬浮系统转子可达到很高的运转转速，并且具有无机械磨损、能耗低、寿命长、无需润滑、无污染等优点，特别适应用于高速或超高速直接驱动领域。

传统的径向-轴向三自由度混合磁轴承，都采用一个永磁环同时提供径向和轴向的偏置磁通，同时，为了充分利用材料，轴向和径向气隙偏置磁通都设计为饱和气隙磁密的一半。因此，轴向和径向悬浮力产生存在耦合，轴向和径向磁极面积、轴向和径向最大悬浮力之间必然存在固定比例关系，如径向采用3极、4极、6极和8极结构径向和轴向最大悬浮力之间比例关系分别为：(1:5/16)，(1:1/4)，(1:1/4)，(1:1/4)，而在设计三自由度混合磁轴承时，必须同时满足径向和轴向悬浮力需求，因此，在满足比例约束关系的前提下，按照满足轴向或径向最低需求进行设计，必然导致径向或轴向浪费材料，同时，在设计控制系统时，必须考虑径向与轴向位移变化对对方悬浮力产生的耦合，控制复杂。因此，为解决上述技术问题，本发明设计一种轴向和径向磁路完全无关的三自由度混合励磁磁轴承。

发明内容

针对背景技术中指出的问题，本发明提出一种径向轴向悬浮力独立的混合励磁磁轴承，其永磁极中的三个永磁体单独提供径向偏置磁通；轴向磁通则由恒流源绕组单独提供。实现了径向和轴向磁通的独立设计，径向悬浮力和轴向悬浮力无耦合，控制简单，结构紧凑。

本发明通过以下技术方案实现：

一种径向轴向悬浮力独立的混合励磁磁轴承，其特征在于，包括轴向控制铁心、左导磁桥、右导磁桥、径向控制铁心、轴向控制线圈、径向控制线圈、恒流源线圈、永磁体、隔磁铝环、转子铁心和转轴。所述径向控制铁心内侧均布六个间隔设置的悬浮极和永磁极，永磁极上嵌入永磁体，悬浮极绕有径向控制线圈；恒流源线圈置于轴向控制铁心与左右导磁桥之间；隔磁铝环置于转子铁心中，并将转子铁心分为径向部分和轴向部分，隔磁铝环内径与轴向控制铁心轴向外径相同；

所述转子铁心轴向部分与轴向控制铁心间形成上轴向气隙，与左右导磁桥间形成下轴向气隙；所述转子铁心径向部分与径向控制铁心之间存在径向气隙一，轴向控制铁心与左右导磁桥之间存在径向气隙二。

进一步地，所述径向气隙二远大于上下轴向气隙；

进一步地，轴向控制铁心相对于转子铁心轴向部分的面积S_z1是左右导磁桥相对于转子铁心轴向部分的面积S_z2的两倍；

进一步地，所述永磁体产生独立的径向偏置磁通，所述恒流源绕组产生独立的轴向偏置磁通；

进一步地，永磁体产生的径向偏置磁通由永磁体N极出发，经过轴向控制铁心、径向控制铁心、径向气隙一、转子铁心径向部分、径向气隙一、径向控制铁心回到永磁体S极；

恒流源绕组产生的轴向偏置磁通从左右导磁桥外沿出发，经过轴向控制铁心、上轴向气隙、转子铁心轴向部分、下轴向气隙回到左右导磁桥外沿。

进一步地，轴向控制线圈产生的轴向控制磁通，经过轴向控制铁心、上轴向气隙、转子铁心轴向部分，形成一个完整的回路；

径向控制线圈产生的径向控制磁通，经过轴向控制铁心、径向控制铁心、径向气隙一、转子铁心径向部分，形成一个完整的回路。

进一步地，所述三自由度混合励磁磁轴承的参数设计方法如下：

步骤1：选择铁心材料，确定各气隙饱和磁密值为B_s，选取径向气隙一长度为g_r、上轴向气隙和下轴向气隙长度为g_z；

步骤2：根据轴向最大悬浮力F_zmax与径向最大悬浮力F_rmax确定轴向和径向磁极面积S_z和S_r，其中μ₀为真空磁导率；

步骤3：径向气隙一中的磁通由永磁体提供，且该磁通产生的径向气隙磁密达到0.5B_s永磁体提供的磁动势F_m：

φ_m＝1.5B_sS_r，其中φ_m为永磁体的总磁通；

步骤4：根据永磁体工作点，求取永磁体磁化面积S_m和永磁体厚度h_m：

其中F_c和φ_r分别是永磁环矫顽磁势和永磁环剩余磁通

永磁体磁化面积S_m：B_r为永磁体剩余磁感应强度；

永磁体厚度h_m：k为永磁体材磁性能参数；

步骤5：确定恒流源绕组匝数N_aI_a：

上、下轴向气隙在恒流源绕组磁通作用下的气隙磁密为0.5B_s，所需恒流源绕组安匝数N_aI_a为：

步骤6：确定径向和轴向悬浮绕组安匝数N_rI_r与N_zI_z：

本发明和现有技术相比有以下优点：

本发明由六极异极性永磁偏置磁悬浮轴承代替传统径向与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，其永磁极中的三个永磁体单独提供径向偏置磁通；轴向磁通则由恒流源绕组单独提供。转子铁心中的隔磁铝环彻底隔开径向和轴向的偏置磁通，实现了径向和轴向磁通的独立设计，径向悬浮力和轴向悬浮力无耦合，控制简单，结构紧凑。

附图说明

图1为本发明一种径向轴向悬浮力独立的混合励磁磁轴承的轴向结构图；

图2为本发明一种径向轴向悬浮力独立的混合励磁磁轴承的径向结构图。

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：

本发明公开了一种径向轴向悬浮力独立的混合励磁磁轴承，其特征在于，包括轴向控制铁心1、左导磁桥2、右导磁桥3、径向控制铁心4、轴向控制线圈5、径向控制线圈6、恒流源线圈7、永磁体8、隔磁铝环9、转子铁心10和转轴11。径向控制铁心4内侧均布六个间隔设置的悬浮极和永磁极，永磁极上嵌入永磁体8，悬浮极绕有径向控制线圈6；恒流源线圈7置于轴向控制铁心1与左右导磁桥2、3之间；隔磁铝环9置于转子铁心10中，并将转子铁心10分为径向部分12和轴向部分13，隔磁铝环9内径与轴向控制铁心1轴向外径相同；

转子铁心轴向部分13与轴向控制铁心1之间存在上轴向气隙14，与左右导磁桥2、3之间存在下轴向气隙15；转子铁心径向部分12与径向控制铁心4之间存在径向气隙一16，轴向控制铁心1与左右导磁桥2、3之间存在径向气隙二17。

径向气隙二17远大于上下轴向气隙14/15

轴向控制铁心1相对于转子铁心轴向部分13的面积S_z1是左右导磁桥2、3相对于转子铁心轴向部分13的面积S_z2的两倍。

永磁体8产生独立的径向偏置磁通18，恒流源线圈7产生独立的轴向偏置磁通19。

永磁体8产生的径向偏置磁通18由永磁体8N极出发，经过轴向控制铁心1、径向控制铁心4、径向气隙一16、转子铁心径向部分12、径向气隙一16、径向控制铁心4回到永磁体8S极。

恒流源绕组9产生的轴向偏置磁通19从左右导磁桥2、3外沿出发，经过轴向控制铁心1、上轴向气隙14、转子铁心轴向部分13、下轴向气隙15回到左右导磁桥2、3外沿。

轴向控制线圈5产生的轴向控制磁通20经过轴向控制铁心1、上轴向气隙14、转子铁心轴向部分13，形成一个完整的回路。

径向控制线圈6产生的径向控制磁通21，经过轴向控制铁心1、径向控制铁心4、径向气隙一16、转子铁心径向部分12，形成一个完整的回路。

三自由度混合励磁磁轴承的参数设计方法如下：

步骤1：选择铁心材料，确定各气隙饱和磁密值为B_s，选取径向气隙一16长度为g_r、上轴向气隙14和下轴向气隙15长度为g_z；

步骤2：根据轴向最大悬浮力F_zmax与径向最大悬浮力F_rmax确定轴向和径向磁极面积S_z和S_r，其中μ₀为真空磁导率；

步骤3：径向气隙一16中的磁通由永磁体提供，且该磁通产生的径向气隙磁密达到0.5B_s永磁体提供的磁动势F_m：

φ_m＝1.5B_sS_r，其中φ_m为永磁体的总磁通；

步骤4：根据永磁体工作点，求取永磁体磁化面积S_m和永磁体厚度h_m：

其中F_c和φ_r分别是永磁环矫顽磁势和永磁环剩余磁通

永磁体磁化面积S_m：B_r为永磁体剩余磁感应强度；

永磁体厚度h_m：k为永磁体材磁性能参数；

步骤5：确定恒流源绕组匝数N_aI_a：

上、下轴向气隙在恒流源绕组磁通作用下的气隙磁密为0.5B_s，所需恒流源绕组安匝数N_aI_a为：

步骤6：确定径向和轴向悬浮绕组安匝数N_rI_r与N_zI_z：

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 (7)

1.一种径向轴向悬浮力独立的混合励磁磁轴承，其特征在于：包括轴向控制铁心(1)、左导磁桥(2)、右导磁桥(3)、径向控制铁心(4)、轴向控制线圈(5)、径向控制线圈(6)、恒流源线圈(7)、永磁体(8)、隔磁铝环(9)、转子铁心(10)和转轴(11)；所述径向控制铁心(4)内侧均布六个间隔设置的悬浮极和永磁极，永磁极上嵌入永磁体(8)，悬浮极绕有径向控制线圈(6)；恒流源线圈(7)置于轴向控制铁心(1)与左右导磁桥(2、3)之间；隔磁铝环(9)置于转子铁心(10)中，并将转子铁心(10)分为径向部分(12)和轴向部分(13)，隔磁铝环(9)内径与轴向控制铁心(1)轴向外径相同；所述转子铁心轴向部分(13)与轴向控制铁心(1)之间存在上轴向气隙(14)，与左右导磁桥(2、3)之间存在下轴向气隙(15)；所述转子铁心径向部分(12)与径向控制铁心(4)之间存在径向气隙一(16)，轴向控制铁心(1)与左右导磁桥(2、3)之间存在径向气隙二(17)。

2.根据权利要求1所述的一种径向轴向悬浮力独立的混合励磁磁轴承，其特征在于：所述径向气隙二(17)远大于上下轴向气隙(14、15)。

3.根据权利要求1所述的一种径向轴向悬浮力独立的混合励磁磁轴承，其特征在于：轴向控制铁心(1)相对于转子铁心轴向部分(13)的面积S_z1是左右导磁桥(2、3)相对于转子铁心轴向部分(13)的面积S_z2的两倍。

4.根据权利要求1所述的一种径向轴向悬浮力独立的混合励磁磁轴承，其特征在于：所述永磁体(8)产生独立的径向偏置磁通(18)，所述恒流源线圈(7)产生独立的轴向偏置磁通(19)。

5.根据权利要求4所述的一种径向轴向悬浮力独立的混合励磁磁轴承，其特征在于：永磁体(8)产生的径向偏置磁通(18)由永磁体(8)N极出发，经过轴向控制铁心(1)、径向控制铁心(4)、径向气隙一(16)、转子铁心径向部分(12)、径向气隙一(16)、径向控制铁心(4)回到永磁体(8)S极；恒流源绕组(9)产生的轴向偏置磁通(19)从左右导磁桥(2、3)外沿出发，经过轴向控制铁心(1)、上轴向气隙(14)、转子铁心轴向部分(13)、下轴向气隙(15)回到左右导磁桥(2、3)外沿。

6.根据权利要求1所述的一种径向轴向悬浮力独立的混合励磁磁轴承，其特征在于：所述轴向控制线圈(5)产生的轴向控制磁通(20)经过轴向控制铁心(1)、上轴向气隙(14)、转子铁心轴向部分(13)，形成一个完整的回路；径向控制线圈(6)产生的径向控制磁通(21)，经过轴向控制铁心(1)、径向控制铁心(4)、径向气隙一(16)、转子铁心径向部分(12)，形成一个完整的回路。

7.根据权利要求1所述的一种径向轴向悬浮力独立的混合励磁磁轴承的设计方法，其特征在于：步骤如下:

步骤1：选择铁心材料，确定各气隙饱和磁密值为B_s，选取径向气隙一(16)长度为g_r、上轴向气隙(14)和下轴向气隙(15)长度为g_z；

步骤2：根据轴向最大悬浮力F_zmax与径向最大悬浮力F_rmax确定轴向和径向磁极面积S_z和S_r，其中μ₀为真空磁导率；

步骤3：径向气隙一(16)中的磁通由永磁体提供，且该磁通产生的径向气隙磁密达到0.5B_s永磁体提供的磁动势F_m：

φ_m＝1.5B_sS_r，其中φ_m为永磁体的总磁通；

步骤4：根据永磁体工作点，求取永磁体磁化面积S_m和永磁体厚度h_m：

其中F_c和φ_r分别是永磁环矫顽磁势和永磁环剩余磁通

永磁体磁化面积S_m：B_r为永磁体剩余磁感应强度；

永磁体厚度h_m：k为永磁体材磁性能参数；

步骤5：确定恒流源绕组匝数N_aI_a：

上、下轴向气隙在恒流源绕组磁通作用下的气隙磁密为0.5B_s，所需恒流源绕组安匝数N_aI_a为：

步骤6：确定径向和轴向悬浮绕组安匝数N_rI_r与N_zI_z：