CN1389653A - 一种斥力式混合型磁力轴承 - Google Patents
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Abstract
一种斥力式混合型磁力轴承,涉及混合型磁力轴承的结构设计。本发明主要包括转子,对称布置在转子周围的电磁铁,镶嵌在转子外层的一个内外径向充磁的环状永磁体以及设置在该永磁体外表面的一个非导磁环套。环状永磁体的外层表面的极性与相对的电磁铁的极性相同。该磁力轴承在正常工作时,电磁铁线圈通一恒定的电流产生一定的斥力维持平衡。在恒定的励磁电流下可形成一种自稳定的受力系统。当有偏差时,只需加很小的控制电流提供阻尼(如与速度方向相反的力),减小来回振荡次数,缩短返回平衡位置时间。这样,利用该磁力轴承系统的自稳定性,可以减小控制难度,集中重点研究控制性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁力轴承，特别涉及一种混合型磁力轴承的结构设计。
背景技术
磁力轴承又称磁悬浮轴承，其原理是利用磁力的作用，使转子与定子之间保持一定的间隙，将转子悬浮起来作高速旋转，是一种无接触、无润滑、无摩擦的新型轴承，特别适合于高速旋转和不能使用润滑油脂的工作环境。在高速机械加工、涡轮机械、航空航天、真空技术等众多工业领域具有广阔的应用前景。
油脂润滑的常规轴承，通常在高温下挥发出的油脂会造成对周围环境的污染；而且对于弹性转子从启动到高速旋转需要跨越多阶临界转速，常规轴承难以实现。使用磁力轴承，可以通过调节转子刚度和阻尼，能够跨越不同的临界转速而平稳工作。
由于采用永磁铁的无源被动磁力轴承无法在所有自由度上保持悬浮物体位置的稳定，而且阻尼相对较低；采用超导的无源磁力轴承目前还处于实验阶段，实现起来比较困难，而且成本很高。因此，有源主动电磁轴承(AMB)在当前工业中应用最为广泛。有源主动电磁轴承是利用电磁铁与铁磁材料转子之间的吸力F作用而实现悬浮支承，附图1为其结构示意图。在转子的四周对称设置几对电磁铁2，相邻电磁铁的极性是相同的。电磁铁铁心通常采用软磁材料，如软铁和硅钢，此种磁力轴承的特点是磁滞回线较窄，磁导率大，饱和磁感应强度高，剩磁和磁滞损耗小。转子轴的外套为磁作用部分，一般由铁磁材料如硅钢片3采用圆形冲孔薄片压装而成，它受四周电磁铁产生的磁场作用与电磁铁(定子)互相吸引。
这种磁力相吸式的电磁轴承由于力一位移系数为负数(即负刚度特性)，定子与转子之间的磁力作用(fm)随间隙(xs)缩小而增长(如附图2所示)。在恒定励磁电流作用下，当受到某种外部干扰时，转子中心偏离原平衡位置x0，转子与被偏向一侧的电磁铁间隙缩小，而与被偏离一侧的间隙加大，在这种负刚度的磁力作用下将加剧转子的进一步偏离。这是一种类似倒立摆的不稳定受力结构，在恒定励磁电流作用下不能稳定悬浮。因此电磁轴承必须在控制器的作用下，通过转子位置传感器4测得的位置偏离量信号及时调节相应电磁铁上的电流，将转子再控制回到几何中心的位置，才能正常工作。
另外，电磁力的大小与通过电磁线圈的电流的平方成正比，在工作点附近一般作为线性近似，其力—电流系数一般为几百N/A。由于铁磁材料特性如磁饱和以及放大器饱和等因素所限，在电磁铁线圈最大电流强度一定的条件下，这种电磁轴承(AMB)所产生的电磁力大小受到了一定的限制。
发明内容
本发明的目的是针对现有电磁轴承(AMB)在恒定励磁电流作用下具有不稳定的特性，提供一种斥力式混合型磁力轴承，该轴承在恒定的励磁电流作用下可形成一种自稳定的受力系统，并可增强电磁作用力大小，减小控制难度。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种斥力式混合型磁力轴承，包括转子和对称布置在转子周围的电磁铁及其控制器，其特征在于：在转子的外层镶嵌一个内外径向充磁的环状永磁体，环状永磁体的外层表面的极性与相对的电磁铁的极性相同，并在环状永磁体的外表面设有一个非导磁的环套。
为了保证径向方向(x和y方向)的受力均匀平衡，减小耦合；同时为了便于调节励磁电流大小，在垂直转子的平面内至少对称布置两对电磁铁。电磁铁的铁芯采用马蹄型或条形。
本发明所提供的这种斥力混合型磁力轴承，在恒定的励磁电流下形成一种自稳定的受力系统。当转子受到外部干扰，偏离轴的平衡位置时，由于磁力随间隙减小而增强时，自动将转子从偏离位置拉回到原来的平衡位置。这类似于弹簧支承的自稳定系统。因此，在正常工作时，电磁铁线圈通以一恒定的电流产生一定的斥力维持平衡。当有偏差时，只需加很小的控制电流提供阻尼(如与速度方向相反的力)，减小来回振荡次数，缩短返回平衡位置时间。这样，利用该磁力轴承系统的自稳定性，可以减小控制难度，集中重点研究控制性能。
此外，由于转子轴的外层镶嵌了用高强磁性材料制成的环状永磁体，使得磁场强度大大增强，可以获得比同等尺寸规模的常规电磁铁更大的力。这可以在一定程度上避免磁饱和或功率放大器的电流饱和现象。
本发明既不同于通常的有源主动电磁轴承(AMB)，也不同于转子和定子全部采用永磁材料的磁力轴承，而是一种新型的斥力式的混合型磁力轴承。由于定子侧采用电磁铁，因此可以通过控制器改变相应的电磁铁线圈电流，调节磁力轴承的阻尼，不仅可以在正常转动条件下保证其平稳地转动，而且也可在转子启动过程中，通过改变电流，改变磁力轴承的刚度和阻尼，跨越多阶临界转速，达到额定的转速。
附图说明
图1为现有技术中有源磁轴承(AMB)的结构原理示意图。
图2为有源磁轴承(AMB)的力—位移系数曲线图。
图3为本发明实施例的轴向布置的结构示意图。
图4为本发明实施例的径向布置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的原理、具体结构及优选方式：
本发明主要包括转子1和对称布置在转子周围的电磁铁2，在转子的外层镶嵌一个内外径向充磁的环状永磁体5，环状永磁体的外层表面的极性与相对的电磁铁的极性相同，并在环状永磁体的外表面设有一个非导磁的环套6。环状永磁体采用高强永磁材料制作，如钕铁硼、钐钴镍等。在转子1的四周对称设置电磁铁2，电磁铁铁芯可以采用马蹄型或条形。本实施例采用马蹄型(如图3和图4所示)。为了保证径向(x和y方向)的受力均匀平衡，减小耦合，另外还为了便于调节励磁电流大小，在x和y每个方向上至少各使用一对电磁铁。永磁体充磁方式为内外径向充磁，其外层表面的极性与相对的电磁铁的极性相同，因此产生的磁力作用是相斥的。永磁体的外表面用一个非导磁材料环套6(如高强度陶瓷材料)对其加以定位和保护。这样的布置形成由电磁铁和高强度永磁体相结合的斥力式新型混合磁力轴承。
Claims (3)
1.一种斥力式混合型磁力轴承，包括转子和对称布置在转子周围的电磁铁及其控制器，其特征在于：在转子的外层镶嵌一个内外径向充磁的环状永磁体，环状永磁体的外层表面的极性与相对的电磁铁的极性相同，并在环状永磁体的外表面设有一个非导磁的环套。
2.按照权利要求1所述的斥力式混合型磁力轴承，其特征在于：在垂直转子的平面内至少布置两对电磁铁。
3.按照权利要求1所述的斥力式混合型磁力轴承，其特征在于：电磁铁的铁芯采用马蹄型或条形。
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