CN1314908C - 一种小体积低功耗永磁偏置外转子径向磁轴承 - Google Patents

一种小体积低功耗永磁偏置外转子径向磁轴承 Download PDF

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Abstract

小体积低功耗永磁偏置外转子径向磁轴承，由转子铁心、永磁体、定子铁心、激磁线圈、空气隙、第二气隙组成，4个定子铁心磁极沿+X、-X、+Y、-Y四个方向均布于圆周，并且周围绕制有激磁线圈，4个永磁体间隔嵌于相邻的两个定子铁心磁极之间，并在定子圆周上呈90度放置，定子铁心外表面与转子铁心内表面留有一定的间隙，形成空气隙，在永磁体两侧的定子铁心之间形成第二气隙，永磁体通过相邻的两个定子铁心磁极形成X、Y方向上的偏置磁场，本发明解决了现有永磁偏置外转子径向磁轴承重量较大的缺点，具有体积小、功耗低、性能可靠、利于控制等优点。

Description

一种小体积低功耗永磁偏置外转子径向磁轴承
所属技术领域
本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种体积小、功耗低的永磁偏置外转子径向磁轴承，可作为微小型卫星等航天器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。但目前的永磁偏置外转子径向磁轴承结构，有些是在普通径向电磁轴承的基础上，在电磁磁路上向放置永磁体，这样控制线圈所产生的磁通要穿过永磁体，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，这显然会增加轴承的功耗；有些结构是将永磁体直接与定子叠片铁心相连，这样永磁磁路在垂直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；还有些结构是将永磁体通过导磁环与叠片铁心相连，电励磁磁路经过叠片铁心形成回路，这样永磁磁动势不会在叠片铁心中产生损失，同时电励磁磁路也不会经过永磁体本身，但是这种结构的径向磁轴承其永磁磁路所在平面与电励磁磁路所在平面相互垂直，因而会导致轴向长度较长，故不能满足卫星、空间站等航天器所要求的体积小、重量轻的目，如中国专利申请号：200510086223.5和200510086213.1结构的永磁偏置径向磁轴承，如图1和图2所示，其永磁磁路与电励磁磁路互相垂直，可以做到轴向长度短，但是这种结构的径向磁轴承均为8个定子铁心磁极结构，因而重量、体积相对较大，不宜用于体积要求更小、重量要求更轻的场合。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种体积小、重量轻、功耗低、加工制造方便的永磁偏置外转子径向磁轴承。
本发明的技术解决方案为：一种小体积低功耗永磁偏置外转子径向磁轴承，由转子铁心、永磁体、定子铁心、激磁线圈组成，4个定子铁心磁极均布于圆周上，其中4个永磁体间隔嵌于相邻两个定子铁心磁极之间，并在定子圆周上呈90度放置，4个定子铁心磁极沿+X、-X、+Y和-Y方向分布，并且其周围绕制有激磁线圈，定子铁心外表面与转子铁心内表面留有间隙，形成空气隙，为了不使电励磁磁路经过永磁体本身以减小损耗，设计中在永磁体两侧的定子铁心之间形成第二气隙，为了不使永磁体通过该气隙损失过多的磁动势，因而第二气隙的长度应稍大于定、转子铁心之间气隙的2倍，这样永磁体通过相邻的两个定子铁心磁极形成X、Y方向上的偏置磁场。
上述方案的原理是：永磁体给磁轴承提供永磁偏置磁场，承担磁轴承所受的径向力，激磁线圈所产生的磁场起调节作用，用来改变X、Y方向上磁场的强弱，保持磁轴承定转子气隙均匀，并使转子得到无接触支撑。如图1实线箭头所示，本发明的永磁磁路为：磁通从永磁体N极出发，通过-X方向定子铁心磁极、-X方向气隙到转子铁心，然后经过+Y方向气隙、+Y方向的定子铁心磁极回到永磁体S极，形成磁悬浮轴承的主磁路；如图1虚线箭头所示，电励磁磁路路径为：电励磁磁通从+Y方向上的定子铁心磁极出发、经第二气隙、+X和-X两个方向的定子铁心磁极以及气隙、转子铁心、+Y方向的气隙回到+Y方向上的定子铁心磁极，构成闭合回路。这样不仅保证了电激磁磁路不通过永磁体内部，减小了电激磁磁路的磁阻，降低了激磁电流，进而降低了轴承的功耗，同时又使得永磁磁路在任一径向截面内与电励磁磁路共面，减小了轴向尺寸，并且定子磁极只需4个，因而大大减小了径向磁轴承的重量和体积。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明由于采用永磁磁场作为偏置磁场，与传统电磁轴承相比消除了在线圈电流中占主要分量的偏置电流，降低了绕组铜耗和控制功放损耗，因此功耗很低。与现有的永磁偏置磁轴承相比，本发明所述的永磁偏置外转子径向磁轴承其永磁磁路与电激磁磁路在任一径向截面中共面，减小径向磁轴承的轴向尺寸，并且该磁轴承只需4个定子铁心磁极，因而可以进一步减小径向磁轴承的重量和体积。具体而言，本发明的小体积低功耗永磁偏置径向磁轴承，采用4个定子铁心磁极，永磁体通过相邻两个定子铁心磁极形成磁轴承X和Y方向上的偏置磁场，电励磁磁路通过第二气隙以及定、转子之间的气隙形成回路，与附图1相比，减小了定子铁心的重量，与附图2相比，不但减小了定子铁心重量，而且线圈数量减少了一倍，这可以减小线圈电感，利于磁轴承的控制。
附图说明
图1为已申请专利的永磁偏置外转子径向磁轴承径向截面图。
图2为另一种已申请专利的永磁偏置外转子径向磁轴承径向截面图。
图3为本发明的小体积低功耗永磁偏置外转子径向磁轴承径向截面图。
具体实施方式
如图3所示，为本发明由转子铁心1、永磁体2、定子铁心3、激磁线圈5组成，4个定子铁心3磁极沿+X、-X、+Y、-Y方向均布于磁轴承的圆周上，并且周围绕制有激磁线圈，4个永磁体2间隔地嵌于相邻的两个定子铁心3中，并在定子圆周上呈90度分布放置。为了加工安装方便，同时考虑到磁饱和的因素，永磁体2与定子铁心之间的距离为0.4-0.6mm，定子铁心3外表面与转子铁心1内表面留有一定的间隙为0.2-0.4mm，形成空气隙4，在永磁体2两侧的定子铁心之间形成的第二气隙也应稍大于2倍空气隙4的长度，以减小永磁体磁动势的损失，永磁体2通过相邻的两个定子铁心3磁极形成X、Y方向上的偏置磁场。在具体应用时，本发明所述的永磁偏置外转子径向磁轴承应成对使用。
本发明所用的转子铁心1、定子铁心3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、1J79或硅钢薄带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为平行充磁，激磁线圈5用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。

Claims (7)

1、小体积低功耗永磁偏置外转子径向磁轴承，其特征在于：由转子铁心(1)、永磁体(2)、定子铁心(3)、激磁线圈(5)组成，4个定子铁心(3)磁极均布于圆周上，其中4个永磁体(2)间隔嵌于相邻两个定子铁心(3)磁极之间，并在定子圆周上呈90度放置，4个定子铁心(3)磁极沿+X、-X、+Y和-Y方向分布，并且其周围绕制有激磁线圈(5)，定子铁心(3)外表面与转子铁心(1)内表面留有间隙，形成空气隙(4)，在永磁体(2)两侧的定子铁心(3)之间形成第二气隙(6)，并通过相邻的两个定子铁心(3)磁极形成X、Y方向上的偏置磁场。
2、根据权利要求1所述的小体积低功耗永磁偏置外转子径向磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(2)为平行充磁。
3、根据权利要求1所述的小体积低功耗永磁偏置外转子径向磁轴承，其特征在于：所述的定子铁心(3)径向内侧的部分与嵌入其中的永磁体的距离为0.4-0.6mm。
4、根据权利要求1所述的小体积低功耗永磁偏置外转子径向磁轴承，其特征在于：所述的定子铁心(3)外表面与转子铁心(1)内表面形成的空气隙(4)为0.2-0.4mm。
5、根据权利要求1所述的小体积低功耗永磁偏置外转子径向磁轴承，其特征在于：所述的第二气隙(6)的长度大于2倍空气隙(4)的长度。
6、根据权利要求1所述的永磁偏置外转子径向磁轴承，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。
7、根据权利要求1所述的小体积低功耗永磁偏置外转子径向磁轴承，其特征在于：所述的转子铁心(1)、定子铁心(3)均采用导磁性能良好的材料沿轴向冲压迭制而成。
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