CN1279291C - 一种永磁偏置内转子径向磁轴承 - Google Patents

一种永磁偏置内转子径向磁轴承 Download PDF

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Abstract

永磁偏置内转子径向磁轴承由外导磁体、永磁体、定子铁心、外隔磁体、激磁线圈、内导磁环、转子铁心组成，8个定子铁心组成磁轴承左右两端8个磁极，其中每4个定子铁心组成了磁轴承一端X、Y正负方向上的4个定子磁极，它们之间通过外隔磁体连接，每个定子磁极绕制有激磁线圈，定子铁心外面是外导磁体，外导磁体与定子铁心相连，永磁体在轴向上位于两个外导磁体之间，定子铁心内部是转子铁心，定子铁心内表面与转子铁心外表面留有一定的间隙，形成空气隙，在轴向上的两个外导磁体之间在永磁体内侧形成第二气隙，用以构成电励磁磁路，内导磁环安装在转子铁心内部，并将左右两端转子铁心连接起来，形成磁通路。本发明解决了现有永磁偏置混合磁轴承X、Y方向耦合严重的缺点，具有性能可靠、利于控制的优点。

Description

一种永磁偏置内转子径向磁轴承
所属技术领域
本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种永磁偏置内转子径向磁轴承，可作为电机、机床等机械设备中旋转部件的无接触支撑。
背景技术
磁悬浮轴承分纯电磁式和永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，前者使用电流大、功耗大，永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，永磁体产生的磁场承担主要的承载力，电磁磁场提供辅助的调节承载力，因而这种轴承可大大减小控制电流，降低损耗。但目前的永磁偏置内转子径向磁轴承结构主要有以下几种：其一是在普通径向电磁轴承的基础上，在电磁磁路上放置永磁体，这样控制线圈所产生的磁通要穿过永磁体内部，由于永磁体磁阻很大，因而控制线圈要产生一定的电磁磁通需要较大的激磁电流，其二是将永磁体直接与定子叠片铁心相连，这样永磁磁路在穿过定子铁心时会损失过多的磁动势，因而会大大削弱永磁体对转子轴的吸力，其三是定子铁心横跨于磁轴承左右两端，定子磁极之间为极间隔磁，每个定子铁心上绕制有线圈，永磁体通过导磁环与转子铁心相连，这种结构可以使得电励磁磁路不经过永磁体，并且还可以使永磁体不直接与叠片铁心相连，但是电励磁磁路在X方向和Y方向上存在严重的耦合，因而会使磁轴承的控制难度加大，其四是一个定子铁心组成4个磁极，2个定子铁心组成磁轴承左右两端8个磁极，永磁体通过外导磁环与定子铁心相连，每个定子铁心上绕制有线圈，这种结构同样可以使得电励磁磁路不经过永磁体，而且避免了永磁体直接与叠片的定子铁心相连，但是由于电励磁磁路在X方向和Y方向上仍然存在着严重的耦合，故同样会使磁轴承的控制难度增大。鉴于上述原因，现有的永磁偏置内转子径向磁轴承存在X方向和Y方向耦合严重的缺点。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种X方向和Y方向耦合小、易于控制、性能可靠的永磁偏置内转子径向磁轴承。
本发明的技术解决方案之一为：永磁偏置内转子径向磁轴承，由外导磁体、永磁体、定子铁心、激磁线圈、内导磁环、转子铁心、外隔磁体组成，其特征在于：8个定子铁心组成磁轴承左右两端8个磁极，其中每4个定子铁心组成了磁轴承一端X、Y正负方向上的4个定子磁极，它们之间通过外隔磁体连接，每个定子磁极绕制有激磁线圈，定子铁心外部为外导磁体，永磁体在轴向上位于两个外导磁体之间，在轴向上的两个外导磁体之间在永磁体内侧形成第二气隙，用以构成电励磁磁通路。定子铁心内部为转子铁心，定子铁心内表面与转子铁心外表面留有一定的间隙，形成空气隙，内导磁环安装在转子铁心内部，并将左右两端转子铁心连接起来，形成磁通路。此外，上述第二气隙的长度应大于2倍空气隙的长度。
上述方案的原理是：永磁体通过定子铁心、气隙、转子铁心、内导磁环、外导磁体构成磁路，用以给磁轴承提供永磁偏置磁场，承担磁轴承所受的径向力；由于第二气隙的存在，可以使得电励磁磁路通过定子铁心、气隙、转子铁心、内导磁环、外导磁体和第二气隙构成回路；其中第二气隙的长度要大于2倍空气隙的长度，这是为了减少永磁体通过第二气隙构成磁路产生的磁通损失。由于定子铁心之间用外隔磁体隔开，可以使得电励磁磁路不会在X方向和Y方向上产生耦合，使得对磁轴承的控制更加容易。以Y轴正向磁路为例，本发明的永磁磁路为：磁通从永磁体N极出发，通过一端外导磁体、定子铁心、气隙、转子铁心、内导磁环到另一端的转子铁心、气隙、定子铁心、外导磁体回到永磁体S极，形成磁悬浮轴承的主磁路，如图1实线所示。电磁磁路为：一端的定子铁心、气隙、转子铁心、内导磁环、另一端的转子铁心、气隙、定子铁心、外导磁体以及第二气隙构成闭合回路，如图1虚线所示。这种结构不仅保证了电励磁磁路不通过永磁体内部，减小了电励磁磁路的磁阻，降低了励磁电流，同时又保证了永磁体磁路不直接通过叠片的定子铁心，减小了永磁磁动势的损失，又由于外隔磁体将各个定子磁极隔开，因而消除了电励磁磁路X方向和Y方向的耦合，这样可以使得控制更加简单。
本发明的技术解决方案之二为：永磁偏置内转子径向磁轴承，由外导磁体、永磁体、定子铁心、激磁线圈、内导磁环、转子铁心组成，其特征在于：8个定子铁心组成磁轴承左右两端8个磁极，其中每4个定子铁心组成了磁轴承一端X、Y方向上的4个定子磁极，它们之间通过外隔磁体连接，左右两端的定子铁心通过外导磁体相连，每个定子磁极绕制有激磁线圈，定子铁心内部为转子铁心，定子铁心内表面与转子铁心外表面留有一定的间隙，形成空气隙，内导磁环安装在转子铁心内部，永磁体在轴向上位于两个内导磁环之间，在轴向上的两个内导磁环之间在永磁体外侧形成第二气隙，用以构成电励磁磁路。另外，上述第二气隙的长度应大于2倍空气隙的长度。
上述方案的原理是：永磁体通过定子铁心、气隙、转子铁心、内导磁环、外导磁体构成回路，用以给磁轴承提供永磁偏置磁场，承担磁轴承所受的径向力；由于第二气隙的存在，可以使得电励磁磁路通过定子铁心、气隙、转子铁心、内导磁环、第二气隙和外导磁体构成回路；其中第二气隙的长度要大于2倍空气隙的长度，这是为了减少永磁体通过第二气隙构成磁路产生的磁通损失。由于定子铁心之间用外隔磁体隔开，可以使得电励磁磁路不会在X方向和Y方向上产生耦合，使得对磁轴承的控制更加容易。以Y轴正向磁路为例，本发明的永磁磁路为：磁通从永磁体N极出发，通过一端内导磁环、转子铁心、气隙、定子铁心、外导磁体到另一端的定子铁心、气隙、转子铁心、另一端的内导磁环回到永磁体S极，形成磁悬浮轴承的主磁路，如图3实线所示。电磁磁路为：一端的转子铁心、气隙、定子铁心、外导磁体、另一端的定子铁心、气隙、转子铁心、内导磁环以及第二气隙构成闭合回路，如图3虚线所示。这种结构不仅保证了电励磁磁路不通过永磁体内部，减小了电励磁磁路的磁阻，降低了励磁电流，同时又保证了永磁体磁路不直接通过叠片的定子铁心，减小了永磁磁动势的损失，又由于外隔磁体将各个定子磁极隔开，因而消除了电励磁磁路X方向和Y方向的耦合，这样可以使得控制更加简单。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明由于利用外导磁体和永磁体之间的第二气隙，使得电励磁磁路通过定子铁心、气隙、转子铁心、内导磁环、第二气隙和外导磁体闭合，从而避免电励磁磁路经过永磁体内部，由于该结构使得永磁磁路不直接穿过叠片的定子铁心，因而不会在定子铁心中损失永磁磁动势，又由于外隔磁体将各个定子铁心隔开，从而消除了电励磁磁路X方向和Y方向的耦合，这可以使得控制更加简单。
本发明的另一个优点是：在一个机械设备中，如果轴向长度较短，为适应安装尺寸的要求，所述的永磁偏置内转子径向磁轴承两端的激磁线圈可单独控制，这样本发明可作为两个轴承使用，以减小轴向尺寸；如果设备的轴向长度较长，为更好的保证设备的运转稳定性，可成对使用所述的永磁偏置内转子径向磁轴承，并使两轴承的距离尽量拉大，这时一个轴承左右两端的激磁线圈可进行串、并联联结，节省控制电路。
附图说明
图1为本发明技术解决方案之一的外磁钢、外激磁线圈永磁偏置内转子径向磁轴承轴向截面图；
图2为本发明技术解决方案之一的外磁钢、外激磁线圈永磁偏置内转子径向磁轴承轴向端面图；
图3为本发明技术解决方案之二的内磁钢、外激磁线圈永磁偏置内转子径向磁轴承轴向截面图；
图4为本发明技术解决方案之二的内磁钢、外激磁线圈永磁偏置内转子径向磁轴承轴向端面图。
具体实施方式
如图1、2所示，为本发明技术解决方案之一的外磁钢、外激磁线圈永磁偏置内转子径向磁轴承，即本发明的基本形式，它由2个外导磁体1、1个永磁体2、8个定子铁心3、8个外隔磁体9、8个激磁线圈4、1个内导磁环5、2个转子铁心6组成，8个定子铁心3组成了磁轴承左右两端X、Y方向上的定子磁极，其中每4个定子铁心3组成了磁轴承一端X、Y方向上的4个定子磁极，8个外隔磁体9连接磁轴承左右两端X、Y方向上的定子铁心3，每个定子磁极绕制有激磁线圈4，定子铁心3外部为外导磁体1，永磁体2在轴向上位于两个外导磁体1之间，在轴向上的两个外导磁体1之间在永磁体2内侧形成第二气隙8，用以构成电励磁磁通路。定子铁心3内部为转子铁心6，定子铁心3内表面与转子铁心6外表面留有一定的间隙，形成空气隙7，内导磁环5安装在转子铁心6内部，并将左右两端转子铁心6连接起来，形成磁通路。
如图3、4所示，本发明技术解决方案之二的内磁钢、外激磁线圈永磁偏置内转子径向磁轴承轴，它由1个外导磁体1、1个永磁体2、8个定子铁心3、8个激磁线圈4、2个内导磁环5、2个转子铁心6组成，8个定子铁心3组成了磁轴承左右两端X、Y方向上的定子磁极，其中每4个定子铁心3组成了磁轴承一端X、Y方向上的4个定子磁极，  8个外隔磁体9连接磁轴承左右两端X、Y方向上的定子铁心3，每个定子磁极绕制有激磁线圈4，定子铁心3外部为外导磁体1，外导磁体1与定子铁心3相连，定子铁心3内部为转子铁心6，定子铁心3内表面与转子铁心6外表面留有一定的间隙，形成空气隙7，内导磁环5安装在转子铁心6内部，永磁体2在轴向上位于两个内导磁环5之间，在轴向上的两个内导磁环5之间在永磁体2外侧形成第二气隙8，用以构成电励磁磁路。
上述本发明各技术方案所用的外导磁体1、内导磁环5均用导磁性能良好的材料制成，如电工纯铁、各种碳钢、铸铁、铸钢、合金钢、1J50和1J79等磁性材料等。定子铁心3、转子铁心6可用导磁性能良好的电工薄钢板如电工纯铁、电工硅钢板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79等磁性材料冲压迭制而成。永磁体2的材料为磁性能良好的稀土永磁体或铁氧体永磁体，永磁体2为一轴向圆环，沿轴向充磁。外隔磁体9的材料为铜、铝、钛合金等金属。激磁线圈4用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。

Claims (12)

1、永磁偏置内转子径向磁轴承，由外导磁体(1)、永磁体(2)、定子铁心(3)、激磁线圈(4)、内导磁环(5)、转子铁心(6)组成，其特征在于：8个定子铁心(3)组成磁轴承左右两端8个磁极，其中每4个定子铁心(3)组成了磁轴承一端X、Y正负方向上的4个定子磁极，它们之间通过外隔磁体(9)连接，每个定子磁极绕制有激磁线圈(4)，定子铁心(3)外部为外导磁体(1)，永磁体(2)在轴向上位于两个外导磁体(1)之间，在轴向上的两个外导磁体(1)之间在永磁体(2)内侧形成第二气隙(8)，用以构成电励磁磁路，定子铁心(3)内部为转子铁心(6)，定子铁心(3)内表面与转子铁心(6)外表面留有一定的间隙，形成空气隙(7)，内导磁环(5)安装在转子铁心(6)内部，并将左右两端转子铁心(6)连接起来，形成磁通路。
2、根据权利要求1所述的永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：所述的第二气隙(8)的长度应大于2倍空气隙(7)的长度。
3、根据权利要求1所述的永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：所述的外隔磁体(9)的材料为铜、或铝、或钛合金中的一种。
4、根据权利要求1所述的永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(2)采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成。
5、根据权利要求1所述的永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：所述的外导磁体(1)、内导磁环(5)均采用导磁性能良好的材料制成，所述的导磁性能良好的材料为电工纯铁、或各种碳钢、或铸铁、或铸钢、或合金钢、或1J50或1J79。
6、根据权利要求1所述的永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(2)为一轴向圆环，沿轴向充磁。
7、永磁偏置内转子径向磁轴承，由外导磁体(1)、永磁体(2)、定子铁心(3)、激磁线圈(4)、内导磁环(5)、转子铁心(6)组成，其特征在于：8个定子铁心(3)组成磁轴承左右两端8个磁极，其中每4个定子铁心(3)组成了磁轴承一端X、Y正负方向上的4个定子磁极，它们之间通过外隔磁体(9)连接，每个定子磁极绕制有激磁线圈(4)，定子铁心(3)外部为外导磁体(1)，外导磁体(1)与定子铁心(3)相连，定子铁心(3)内部为转子铁心(6)，定子铁心(3)内表面与转子铁心(6)外表面留有一定的间隙，形成空气隙(7)，内导磁环(5)安装在转子铁心(6)内部，永磁体(2)在轴向上位于两个内导磁环(5)之间，在轴向上的两个内导磁环(5)之间在永磁体(2)外侧形成第二气隙(8)，用以构成电励磁磁路。
8、根据权利要求7所述的永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：所述的第二气隙(8)的长度应大于2倍空气隙(7)的长度。
9、根据权利要求7所述的永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：所述的外隔磁体(9)的材料为铜、或铝、或钛合金中的一种。
10、根据权利要求7所述的永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(2)采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成。
11、根据权利要求7所述的永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：所述的外导磁体(1)、内导磁环(5)均采用导磁性能良好的材料，所述的导磁性能良好的材料为电工纯铁、或各种碳钢、或铸铁、或铸钢、或合金钢、或1J50或1J79。
12、根据权利要求7所述的永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(2)为一轴向圆环，沿轴向充磁。
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