CN117307606A - 一种带轴向辅助励磁的三自由度混合磁轴承及偏置磁路设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种带轴向辅助励磁的三自由度混合磁轴承及偏置磁路设计方法,包括定子组件和转子组件,定子组件包括轴向铁心、主永磁环、左辅助铁心、左辅助永磁环、右辅助铁心、右辅助永磁环、轴向控制线圈、径向控制线圈以及径向铁心;转子组件包括转子铁心以及转轴。本发明采用主永磁环给径向和轴向气隙提供偏置磁通,并额外设置两个轴向磁化的辅助永磁环给轴向磁极提供辅助偏置磁通,有效解决了传统三自由度混合磁轴承径向磁极面积和轴向磁极面积的比例约束关系,可设计出轴向最大悬浮力不受径向最大悬浮力约束的三自由度混合磁轴承,并充分利用材料,拓展了三自由度混合磁轴承的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮轴承制造技术领域,具体涉及一种径向和轴向最大悬浮力可以独立设计的三自由度混合磁轴承,特指可设计出轴向最大悬浮力远大于径向最大悬浮力的一种带轴向辅助励磁的三自由度混合磁轴承及偏置磁路设计方法。
背景技术
径向-轴向三自由度混合磁轴承集成了径向两自由度和轴向单自由度的悬浮功能于一体,具有无摩擦、无磨损、无需润滑、密封、高速度、高精度、寿命长等一系列优点,由其支承的高速电机系统更易于实现更高转速和更大功率运行,在航空航天、涡轮分子泵、飞轮储能、密封泵、高速电主轴等领域具有广阔的应用前景。
传统的径向-轴向三自由度混合磁轴承,常采用一个永磁环提供径向和轴向的偏置磁通,且轴向磁极面积与径向磁极面积成固定的比例,才能充分利用材料。两个磁极面积的固定的比例制约关系,必然导致最大径向悬浮力与最大轴向悬浮力之间也存在相应的比例制约关系,在需要较大的最大轴向悬浮力和较小的最大径向悬浮力应用场合,传统的三自由度混合磁轴承难以满足该领域的需求。因此本案提出了一种带轴向辅助励磁的三自由度混合磁轴承及偏置磁路设计方法,当轴向磁极面积远大于径向磁极面积之和的一半时,由传统的一个主永磁体提供的偏置磁通难以让轴向气隙磁密达到饱和值的一半时,由额外设置的辅助励磁永磁体给轴向气隙提供辅助励磁磁通,让轴向气隙偏置磁密达到饱和磁密的一半,使轴向、径向的最大悬浮力可以独立设计,并充分利用材料。
发明内容
发明目的:针对现有技术中存在的问题,本发明提供一种带轴向辅助励磁的三自由度混合磁轴承及偏置磁路设计方法,由一个主永磁环同时提供轴向和径向偏置磁通,外加左右轴向辅助铁心中的左右辅助永磁环为两个轴向气隙提供辅助轴向偏置磁通,使轴向、径向悬浮力可以独立设计,不受轴向和径向面积固定比例的限制。
技术方案:本发明公开了一种带轴向辅助励磁的三自由度混合磁轴承及偏置磁路设计方法,包括定子组件和转子组件,所述定子组件包括轴向铁心、主永磁环、左辅助铁心、左辅助永磁环、右辅助铁心、右辅助永磁环、轴向控制线圈、径向控制线圈以及径向铁心;所述转子组件包括转子铁心以及转轴;
所述主永磁环设置在径向铁心和轴向铁心之间;所述径向铁心内圆周均布n个径向磁极,其上绕制径向控制线圈;
所述左辅助铁心、右辅助铁心分别通过所述左辅助永磁环、右辅助永磁环与所述轴向铁心连接为整体;所述轴向控制线圈绕制在所述轴向铁心内侧。
进一步地,所述转子铁心与径向铁心之间设有径向气隙一,所述转子铁心与轴向铁心间设有对称的轴向气隙,所述轴向铁心与转子铁心之间还设有对称的径向气隙二,所述转子铁心与左、右辅助铁心间设有左、右径向气隙。
进一步地,所述径向气隙二远大于所述轴向气隙与径向气隙一之和。
进一步地,所述左辅助永磁环、右辅助永磁环为轴向充磁,所述主永磁环为径向磁化,且三个永磁环面向轴向铁心一侧的极性相同。
进一步地,所述轴向铁心、左辅助铁心与右辅助铁心均由实心导磁材料制成,所述径向铁心由硅钢片叠压而成。
进一步地,所述永磁环提供径向和轴向偏置磁通,偏置磁通从主永磁环的N极出发,经轴向铁心、轴向气隙、转子铁心、径向气隙一、径向铁心回到永磁环的S极;
所述左、右辅助永磁环提供辅助励磁磁通,辅助励磁磁通从左、右辅助永磁环的N极出发,经左、右轴向铁心、轴向铁心、轴向气隙、转子铁心、左、右轴向铁心回到左、右辅助永磁环的S极。
进一步地,所述主永磁环为径向气隙一和轴向气隙提供偏置磁通,主永磁环让径向气隙的气隙磁密达到饱和磁密的一半,而轴向气隙的气隙磁密小于饱和磁密的一半,轴向气隙处所缺少的磁密由左、右辅助永磁环产生的辅助励磁磁通提供。
本发明还公开一种基于上述带轴向辅助励磁的三自由度混合磁轴承的偏置磁路设计方法,具体步骤如下:
步骤1:选定主永磁环、左辅助永磁环、右辅助永磁环材料,确定气隙饱和磁密Bs,确定各气隙长度;
步骤2:根据Fzmax与Frmax确定轴向和单个径向磁极面积Sz和Sr,Sz>0.5nSr,n为径向磁极个数;μ0为真空磁导率;
步骤3:确定主永磁环4的磁动势Frm:
Φrm=0.5BsnSr,gr、gz分别为径向气隙一和轴向气隙长度;
步骤4:确定在主永磁环4激励下的轴向气隙磁密Brzm:
步骤5:确定辅助永磁环需提供的偏置磁通Φam:Φam=0.5Bs(Sz-0.5nSr);
步骤6:确定辅助永磁体参数Fam:ga为辅助铁心与转子铁心间的气隙长度,即左、右径向气隙16、17长度,Sa为辅助铁心相对于转子铁心的面积。
有益效果:
本发明通过设置在径向铁心与轴向铁心之间的主永磁环同时提供轴向和径向偏置磁通,外加左右辅助铁心中的左右辅助永磁环为两个轴向气隙提供轴向辅助励磁磁通,突破轴向与径向磁极面积的比例限制,使轴向最大悬浮力不受径向最大悬浮力影响,并充分利用材料。
附图说明
图1为本发明一种带轴向辅助励磁的三自由度混合磁轴承的结构图;
图2为本发明一种带轴向辅助励磁的三自由度混合磁轴承的径向图。
其中,1-定子组件,2-转子组件,3-轴向铁心,4-主永磁环,5-左辅助铁心,6-左辅助永磁环,7-右辅助铁心,8-右辅助永磁环,9-轴向控制线圈,10-径向控制线圈,11-径向铁心,12-转子铁心,13-转轴,14-径向气隙一,15-轴向气隙,16-左径向气隙,17-右径向气隙,18-径向气隙二,19-径向和轴向偏置磁通,20-辅助励磁磁通。
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轴向辅助励磁三自由度混合磁轴承,参见图1和图2,包括定子组件1和转子组件2,定子组件1包括轴向铁心3、主永磁环4、左辅助铁心5、左辅助永磁环6、右辅助铁心7、右辅助永磁环8、轴向控制线圈9、径向控制线圈10以及径向铁心11。转子组件2包括转子铁心12以及转轴13。
该带轴向辅助励磁三自由度混合磁轴承的定子组件1从左到右依次的设置有左辅助铁心5、左辅助永磁环6、轴向铁心3、径向铁心11、右辅助铁心7、右辅助永磁环8。主永磁环4为径向磁化,且设置在径向铁心11和轴向铁心3之间;径向铁心11内圆周均布n个径向磁极,其上绕制径向控制线圈10。参见图2,本实施例以n=4为例。
左辅助铁心5、右辅助铁心7分别通过左辅助永磁环6、右辅助永磁环8与轴向铁心3连接为整体。轴向控制线圈9绕制在轴向铁心3内侧上。
转轴13贯穿转子铁心12设置。转子铁心12与径向铁心11之间设有径向气隙一14,转子铁心12与轴向铁心3间设有轴向气隙15,轴向铁心3与转子铁心12之间还设有径向气隙二18,转子铁心12与左、右辅助铁心5、7间设有左、右径向气隙16、17。径向气隙二18远大于轴向气隙15与径向气隙一14之和。
主永磁环4是径向充磁,左、右辅助永磁环6、8是轴向充磁,三个永磁环面对轴向铁心3一侧的极性相同。轴向铁心3、左辅助铁心5、右辅助铁心7由整块导磁材料制成,径向铁心11由硅钢片叠压成型。
主永磁环4在径向铁心11和轴向铁心3之间沿径向充磁,提供径向和轴向偏置磁通19。径向和轴向偏置磁通19从主永磁环4的N极出发,经轴向定子3、轴向气隙15、转子铁心12、径向气隙一14、径向铁心11回到永磁环4的S极。
左、右辅助永磁环6、8在左、右辅助铁心5、7上沿轴向充磁,提供辅助励磁磁通20,辅助励磁磁通20从左、右辅助永磁环6、8的N极出发,经左、右辅助铁心5、7、轴向定子3、轴向气隙15、转子铁心12、左、右辅助铁心5、7回到左、右辅助永磁环6、8的S极;
主永磁环4为径向气隙一14和轴向气隙15提供偏置磁通,在主永磁环4作用下,径向气隙一14的气隙磁密达到饱和磁密的一半,而轴向气隙15的气隙磁密小于饱和磁密的一半,轴向气隙15处所缺少的磁密由左、右辅助永磁环6、8产生的辅助励磁磁通20提供。
本实施例中,设置轴向磁极面积大于径向磁极面积之和的一半,Sz>0.5nSr,Sz为轴向磁极面积,Sr为单个径向磁极面积,n为径向磁极个数。
针对上述的带轴向辅助励磁的三自由度混合磁轴承,其偏置磁路设计方法具体步骤如下:
步骤1:选定主永磁环4、左辅助永磁环6、右辅助永磁环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确定轴向和单个径向磁极面积Sz和Sr,且Sz>0.5nSr,n为径向磁极个数,μ0为真空磁导率。
步骤3:确定主永磁环的磁动势Frm:Φrm=0.5BsnSr。其中,gr、gz分别为径向气隙一14和轴向气隙15长度。
步骤4:确定在主永磁环4激励下的轴向气隙磁密Brzm:
步骤5:确定辅助永磁环需提供的偏置磁通Φam:Φam=0.5Bs(Sz-0.5nSr)。
步骤6:确定辅助永磁体参数Fam:ga为辅助铁心与转子铁心间的气隙长度,即左、右径向气隙16、17长度,Sa为辅助铁心相对于转子铁心的面积。
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)
1.一种带轴向辅助励磁的三自由度混合磁轴承,包括定子组件(1)和转子组件(2),其特征在于,所述定子组件(1)包括轴向铁心(3)、主永磁环(4)、左辅助铁心(5)、左辅助永磁环(6)、右辅助铁心(7)、右辅助永磁环(8)、轴向控制线圈(9)、径向控制线圈(10)以及径向铁心(11);所述转子组件(2)包括转子铁心(12)以及转轴(13);
所述主永磁环(4)设置在径向铁心(11)和轴向铁心(3)之间;所述径向铁心(11)内圆周均布n个径向磁极,其上绕制径向控制线圈(10);
所述左辅助铁心(5)、右辅助铁心(7)分别通过所述左辅助永磁环(6)、右辅助永磁环(8)与所述轴向铁心(3)连接为整体;所述轴向控制线圈(9)绕制于所述轴向铁心(3)内侧。
2.根据权利要求1所述的一种带轴向辅助励磁的三自由度混合磁轴承,其特征在于,所述转子铁心(12)与径向铁心(11)之间设有径向气隙一(14),所述转子铁心(12)与轴向铁心(3)间设有对称的轴向气隙(15),所述轴向铁心(3)与转子铁心(12)之间还设有对称的径向气隙二(18),所述转子铁心(12)与左、右辅助铁心(5、7)间设有左、右径向气隙(16、17)。
3.根据权利要求2所述的一种带轴向辅助励磁的三自由度混合磁轴承,其特征在于,所述径向气隙二(18)远大于所述轴向气隙(15)与径向气隙一(14)之和。
4.根据权利要求1所述的一种带轴向辅助励磁的三自由度混合磁轴承,其特征在于,所述左辅助永磁环(6)、右辅助永磁环(8)为轴向充磁,所述主永磁环(4)为径向磁化,且三个永磁环面向轴向铁心(3)一侧的极性相同。
5.根据权利要求1所述的一种带轴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(3)、左辅助铁心(5)与右辅助铁心(7)均由实心导磁材料制成,所述径向铁心(11)由硅钢片叠压而成。
6.根据权利要求2所述的一种带轴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(4)提供径向和轴向偏置磁通(19),径向和轴向偏置磁通(19)从主永磁环(4)的N极出发,经轴向铁心(3)、轴向气隙(15)、转子铁心(12)、径向气隙一(14)、径向铁心(11)回到永磁环(4)的S极;
所述左、右辅助永磁环(6、8)提供辅助励磁磁通(20),辅助励磁磁通(20)从左、右辅助永磁环(6、8)的N极出发,经左、右轴向铁心(5、7)、轴向铁心(3)、轴向气隙(15)、转子铁心(12)、左、右轴向铁心(5、7)回到左、右辅助永磁环(6、8)的S极。
7.根据权利要求6所述的带轴向辅助励磁的三自由度混合磁轴承,其特征在于,所述主永磁环(4)为径向气隙一(14)和轴向气隙(15)提供偏置磁通,在主永磁环(4)作用下径向气隙一(14)的气隙磁密达到饱和磁密的一半,轴向气隙(15)的气隙磁密小于饱和磁密的一半,轴向气隙(15)处所缺少的磁密由左、右辅助永磁环(6、8)产生的辅助励磁磁通(20)提供。
8.一种基于权利要求2至3或6至7任一所述的一种带轴向辅助励磁的三自由度混合磁轴承的偏置磁路设计方法,其特征在于,所述偏置磁路设计方法具体步骤如下:
步骤1:选定主永磁环(4)、左辅助永磁环(6)、右辅助永磁环(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确定轴向和单个径向磁极面积Sz和Sr,Sz>0.5nSr,n为径向磁极个数;μ0为真空磁导率;
步骤3:确定主永磁环(4)的磁动势Frm:Φrm=0.5BsnSr,gr、gz分别为径向气隙一(14)和轴向气隙(15)长度;
步骤4:确定在主永磁环(4)激励下的轴向气隙磁密Brzm:
步骤5:确定辅助永磁环需提供的偏置磁通Φam:Φam=0.5Bs(Sz-0.5nSr);
步骤6:确定辅助永磁体参数Fam:ga为辅助铁心与转子铁心间的气隙长度,即左、右径向气隙(16、17)长度,Sa为辅助铁心相对于转子铁心的面积。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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