CN1449476A

CN1449476A - 磁性轴承装置

Info

Publication number: CN1449476A
Application number: CN01814943.XA
Authority: CN
Inventors: 约翰·K·弗雷梅里
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2000-09-02
Filing date: 2001-08-17
Publication date: 2003-10-15
Anticipated expiration: 2021-08-17
Also published as: CN1176306C; EP1313960B1; DE10043302A1; US7023117B2; WO2002027205A1; JP2004510108A; DE50108568D1; EP1313960A1; US20030189383A1; ATE314587T1

Abstract

用于可动元件的磁性轴承装置(1)，特征如下：磁性轴承装置具有一个定子。磁性轴承装置具有对可动元件(2)侧向引导的无源磁性轴承(3、8、9)以及从垂直于无源磁性轴承导向的方向引导可动元件(2)的可控磁性轴承。可控磁性轴承具有一个电子稳定装置；此稳定装置具有可传输控制电流的电导体(6、7)，将稳定装置应用于定子元件(5)时，定子元件即由控制电流控制其磁化情况。可控磁性轴承具有一个永磁体(3)；永磁体安装在机械元件上，且与定子元件相对。永磁体与定子元件之间的磁力的大小这样来规定，可动元件约束在工作位置之内时，控制电流为零；仅当可动元件偏离工作位置时产生控制电流来影响定子元件的受磁，从而重新回到工作位置。

Description

磁性轴承装置

本发明涉及一种用于可动元件的磁性轴承装置，具体特性描述见权利要求1的前序部分。

DE 38 18 556 A1公开了这种真空泵中的磁性轴承装置。它具有一个作为可动元件的转子，上面交替安装了动轮片和静轮片。两个以一定轴向间距排列的无源磁性轴承对转子进行侧向引导，每个无源磁性轴承包含两个同心的圆形永磁体，一个安装在转子上而另一个安装在定子上，也即均固定在部件上，且磁性相互排斥。

安装在转子低端的是一个可控磁性轴承，它具有一个电磁铁，电磁铁作用于附着在转子上的有吸力的磁盘。一般来说，电磁铁包括一个构成定子元件的磁芯和包含一个电导体的线圈。电磁铁的受激是由一个稳定装置控制的，此稳定装置具有位置传感器以此来判断转子的轴向位置。转子被电磁铁固定在工作位置内，其中无源磁性轴承中的两个永磁体相互置换而产生了一个与电磁铁的引力相反的轴向力。为了保持工作位置，要求电磁铁必须总是处于受激状态。通过改变受激，稳定装置可以保证转子一旦发生轴向移位时总能移动回到工作位置。

这种磁性轴承装置的缺点在于，为了通过电磁铁确保转子总在工作位置，就一直需要控制电流。另外，由于电磁铁的磁力线图不是线性的，装置很难平衡。

德国未审查的申请DE-OS29 19 236公开了一种例如用于流量测量的磁性轴承装置，它具有作为可动元件的一个水平伸展的转子。为了保持转子的浮动，这里再次使用了两个无源磁性轴承，每个无源磁性轴承包含定子端和可动端的永磁体，磁性相互排斥，确保了两个无源磁性轴承装置的磁性场方向相反。

在两个无源磁性轴承的空隙中安装了磁线圈，这样无源磁性轴承的磁场可被叠加。磁线圈的受激是通过一个调整装置来控制的，此调整装置包含了位置传感器，以非接触方式来感应转子的轴向位移，从而根据轴向位移调整激发电流。转子被固定在由磁线圈中的电流的方向和幅度确定的特定的工作位置中。

此种轴承的缺点是磁线圈和附着在可动元件上的永磁体之间距离较大。用于稳定可动元件工作位置的可以得到的回复力相对来说是很小的。另外，磁线圈占据空间，对于转动轴承装置，在该空间中用于旋转驱动的转动场转子应该可以替换。

本发明的目的是提供上述类型的磁性轴承装置，该装置结构简单可行，并且消耗的功率很小。

为了实现该目的，本发明具有以下特性：

l)具有一个永磁体的可控磁性轴承；

m)安装在可动元件上的与定子元件相对的永磁体；

n)永磁体和定子元件间的磁力大小这样来规定，可动元件保持在工作位置之内时，控制电流为零；仅当可动元件偏离工作位置时产生控制电流来影响定子元件的受磁，从而重新恢复工作位置。

本发明的基本思想是使可动元件被动平衡在一个不稳定的工作位置内，该位置是由相互排斥的磁力和相邻的定子元件具有的引力形成的；而且仅当可动元件偏离工作位置时才对定子元件施加一个控制电流。因为仅在这种情况下产生控制电流，功耗就很低。另外，根据本发明，磁性轴承装置的特点在于物理设计简单，而且对于可动元件的移动中的平移和转动都适用。

对于单词“一个”或以上导出的单词，不要把其理解为一个数词而要将其视为一个不定冠词。这同样适合于所有的权利要求。

定子元件最好用具有磁性的软钢材制造。也可以用永磁体，或者是铁磁体和永磁体的组合。

理论上，从一些辅助磁铁出发来装配永磁体是可能的，辅助磁铁相接排列或间隔排列。

为了使可动元件的工作位置更加稳定，本发明进一步为定子元件提供了几个电导体，每个电导体都是分立的稳定装置的一部分。通过各自关联的稳定装置，每个电导体可分别得到各自的控制电流，电流的方向和幅度则由各个位置传感器决定。

根据本发明，磁性轴承装置的一个特别简单的实施例中，如果可控磁性轴承中的永磁体同时也是相关联的无源磁性轴承中可动元件端的永磁体，那么无源磁性轴承中定子端的永磁体就与可控磁性轴承的永磁体相邻。

对于细长的可动元件，建议采用几个无源磁性轴承用于可动元件的侧向引导，可动端和定子端的永磁体磁性相反。无源磁性轴承应被安装在可动元件的尾端。

也可采用几个可控磁性轴承的方案，每个轴承有一个可动元件端的永磁体和一个定子元件。特别建议当每个定子元件与至少一个单独的稳定装置相连时采用这种方案。本文中另一个可行的实施例是将可控磁性轴承安装在可动元件的尾端，且每个可控磁性轴承的永磁体与和它们相联的无源磁性轴承的定子端的永磁体相邻，这样可控磁性轴承的永磁体同时也是无源磁性轴承的可动端的永磁体。

可动元件可作为线性可移动单元，其中永磁体与无源磁性轴承的永磁体一样在运动方向延伸。可动元件可更换，也可作为旋转单元，其中永磁体与无源磁性轴承的永磁体外形相同，均为圆形。可动元件及定子元件可为环形，包含几个(最少是3个)电导体，每个电导体都是分立稳定装置的组成部分，可以分布安装在定子元件上。因此可控磁性轴承的永磁体同时作为无源磁性轴承的可动端的永磁体，并且被无源磁性轴承的定子端的永磁体所包围。作为这一种方案的备选，可控磁性轴承的永磁体包围无源磁性轴承的定子端永磁体也是可能的。通常，这两种可能性都足以使可动元件保持在工作位置上。然而，这并不排除可控磁性轴承的永磁体从内部和外部分别由无源磁性轴承的圆形定子端永磁体包围。

下面通过实施例结合附图更详细地阐述本发明，其中：

图1为具有线性移动的可动元件的磁性轴承装置第一实施例的斜视图；

图2为具有线性移动的可动元件的磁性轴承装置第二实施例的斜视图；

图3为具有线性移动的可动元件的磁性轴承装置第三实施例的斜视图；

图4为具有旋转移动的可动元件的磁性轴承装置第一实施例的部分截面斜视图；

图5为具有线性移动的可动元件的磁性轴承装置第四实施例的斜视图；

图6为具有旋转移动的可动元件的磁性轴承装置第二实施例的部分截面斜视图。

图1中描述的磁性轴承装置1，具有一个可动元件2，为杆形，截面为矩形。包括一个永磁体3，磁力线方向由可动元件2尾端表面的箭头表示。可动元件2可沿着双箭头4方向移动，适合于诸如线性电机或线性导航系统之中。

安装在永磁体3下面且与可动元件2平行的不可动单元是定子元件5，其由磁性材料制成，最好是具有磁性的软钢材。安装在定子元件5两边的是电导体6、7，它们属于一个稳定装置，稳定装置的控制电流可被传送到电导体6、7上。

安装在可动元件2两边的是两个定子端永磁体8、9，磁场方向由尾端表面上的箭头表示，与可动元件2的永磁体3方向相同。因此，在永磁体8、9和可动元件2之间产生了排斥力，从而将可动元件2动态保持在永磁体8、9的中间位置。这三个永磁体3、8、9因此构成了一个无源磁性轴承用于对可动元件2侧向引导。永磁体8、9是定子的部分，并未在图中详细描述。

作用于可动元件2垂直方向10上的两个磁力互相抵消。定子元件5和永磁体3之间的引力的确定可使可动元件2在工作位置相对永磁体8、9稍稍向上偏离，永磁体8、9产生一个方向向上的磁力。然而这个工作位置是不稳定的，因此可动元件2可能向上或向下偏移。这个偏差值可由位置传感器(未详细描述)通过电感、电磁、电容等非接触方式或光原理感应到，从而驱动稳定装置向电导体6、7传送电流，影响定子元件5受磁情况，使得可动元件2回到工作位置内。

一旦可动元件2再次回到工作位置时，控制电流归零，即在此位置时磁性轴承装置1不消耗电流。因此永磁体3和定子元件5和稳定装置构成了一个可控磁性轴承，永磁体3同时也是无源磁性轴承的一部分。

图2中描述的磁性轴承装置11与图1中磁性轴承装置唯一的区别是具有一个不同的定子元件12，从而提供了两个不同的稳定装置。这里定子元件12安装在可动元件13之上。定子元件12和可动元件13的永磁体14之间产生的磁力使得可动元件13在工作位置上相对两个横向的永磁体15、16稍稍偏下，因为相互排斥的磁力，永磁体15、16不仅从侧面引导可动元件13，而且产生了一个向下的磁力。

这个力与可动元件13的永磁体15和定子元件12之间的引力相反；若永磁体14安装在上面提到的略微向下偏移的工作位置时，这两个磁力相互抵消。

磁性轴承装置11包含了两个稳定装置，每个装置都有电导体18、19，从而可以有效地防止可动元件13关于横向轴17倾斜。电导体18、19以两翼的形式安装在定子元件12的末端，并且每个电导体与各自位置传感器相连(此处未描述)。位置传感器可以感应到可动元件13在电导体18、19范围内的位置，因此根据可动元件13关于横向轴17的运动，相应产生不同的控制电流使可动元件13再次与定子元件12平行。

这里可动元件13可在纵向20上移动，因此也适合用于图1中所示的磁性轴承装置1。

图3显示了与图1中磁性轴承装置1差别更大一些的磁性轴承装置21。它有一个板形的可动元件22，在上边沿和下边沿水平放置了永磁体23、24，它们的磁场方向相同。与永磁体23、24相邻的是两个定子端，也即各自单独固定安装的永磁体25、26和27、28，它们磁场方向相同，即通过磁场排斥侧向引导可动元件22。每三个永磁体23、25、26和24、27、28分别构成了一个侧向引导可动元件22的无源磁性轴承；这里，与图1中磁性轴承装置1相对比，对可动元件22关于运动轴倾斜相反方向进行稳定引导。

安装在可动元件22的永磁体23下方的是定子元件29，两边是稳定装置的电导体30、31。由于永磁体23和由有磁性的软材料制成的定子元件29之间存在引力，可动元件22被固定在相对永磁体25、26和27、28稍微偏上的工作位置之内(与磁性轴承装置1情况相同)，其中永磁体25、26、27、28对可动元件22作用了一个方向向上的磁力，此磁力被永磁体23和定子元件29之间的引力所抵消。如果可动元件22相对工作位置偏上或偏下，稳定装置向电导体30、31传送控制电流从而影响永磁体23和定子元件29之间的引力使得可动元件22回到工作位置。因此永磁体23既是下部无源磁性轴承的一部分，也是可控磁性轴承的一部分。

可以想到，如图2中实施例为定子元件29装配两个分立的稳定设备。另外，此处可动元件22在沿着两个箭头32方向是线性移动的，因此同样可应用于图1、图2中的磁性轴承装置1、11。

图4中描述的磁性轴承装置41与图3中的磁性轴承装置区别在于具有可以均匀旋转的功能。磁性轴承装置41有一个垂直伸展的转子42，可围着垂直轴旋转，可动元件两末端表面有一个圆形永磁体43、44。永磁体43、44分别被环形永磁体45、46包围，环形永磁体45、46是定子的一部分并且由圆形套筒47连接起来。为了使转子42可见，永磁体45、46和套筒47用部分截面图进行表示。永磁体45、46和转子42的永磁体43、44磁场方向相同，因此在永磁体43、45和44、46以及转子42的径向中心之间产生排斥的磁力。相邻的永磁体对43、45和44、46分别构成了无源磁性轴承。

安装在转子42的下部永磁体43的底面之下的是一个被电导体49包围的圆柱形定子元件48，电导体49表示成截面。电导体49是包含了判断转子垂直位置42的位置传感器的稳定装置(此处未详细描述)的一部分。转子42的下部永磁体43和定子元件48之间的磁力使得转子42的永磁体43、44相对于围绕它们的永磁体45、46稍微偏上，因此永磁体45、46的垂直向上的磁力和永磁体43和定子元件48之间的引力存在着一个力的平衡。一旦转子42在垂直方向上发生偏转，位置传感器就会探测到，并且驱动稳定装置向电导体49传送控制电流调整定子元件48的受磁，使转子42回到工作位置。

图5中描述的磁性轴承装置与图2中磁性轴承装置有一些不同。磁性轴承装置51有一个板形的水平方向的可动元件52，两边被限定在杆形的永磁体53、54之内。另外定子端永磁体55、56与可动元件52上的永磁体53、54平行且磁场方向相同。因此在相邻的永磁体对53、55和54、56之间各自产生了排斥的磁力，从侧向引导可动元件52。每对相邻的永磁体对53、55和54、56构成了一个无源磁性轴承。

安装在可动元件52的永磁体53、54之上的定子元件57、58与永磁体53、54平行，其由具有磁性的软钢材制成。定子元件57、58由桥59来连接。

如图2中实施例所示，每个定子元件57、58都有两个电导体60、61和62、63，分别安装在定子元件57、58的末端。每个电导体60、61、62、63分别属于各自具有位置传感器的稳定装置，因此可以有不同的控制电流应用在电导体60、61、62、63上。

可动元件52由垂直方向64上的磁力控制在相对于由永磁体55、56构成的平面稍微偏下的工作位置内。永磁体因此作用给可动元件52一个向下的磁力，这个磁力被可动端的永磁体53、54和相应的定子元件57、58之间的磁力所抵消。永磁体53、54不仅是无源磁性轴承的一部分(各自包含了两个相邻的永磁体55、57和56、58)，而且是两个可控磁性轴承的一部分，其中一个轴承包括永磁体53和定子元件57，另一个轴承包括永磁体56和定子元件58。可动元件53在垂直方向64上的任何偏差由位置传感器探测到，引起控制电流作用于电导体60、61、62、63，使定子元件57、58适当磁化，从而回到工作位置。可动元件52沿着水平轴65方向上的任何倾斜同样可由位置传感器探测到，根据可动元件52的倾斜情况电导体60、61、62、63得到不同的控制电流，从而使得可动元件52回到工作位置。

可动元件52在箭头66的两个方向上可线性移动的，因此也适合用于线性电机或线性导航系统。

图6是具有一个环形转子72的磁性轴承装置71的部分剖面图。转子72可体现为永磁体73，环绕着定子端的永磁体74。这两个永磁体73、74磁场方向相同，因此它们互相排斥，转子72相对于永磁体74被保持在水平中心位置。

安装在转子72之下的是一个具有磁性的软钢材制成的环形定子元件75。三个电导体76是线圈形状，这里只表示了一个，分布在定子元件75的外围。每个电导体76连接一个分立的稳定装置，每个稳定装置具有一个可判断转子72在垂直方向上特定位置的位置传感器。

转子72被保持在相对于定子端永磁体74偏下的工作位置之内。因此，一个向上的磁力作用在转子72上，这个力被转子72和定子元件75间的引力所抵消，因此在工作位置内的垂直方向上存在着力的平衡状态。在转子72偏转出工作位置时，平行向上或向下或相对水平轴倾斜，电导体上会得到根据位置传感器感应到的位置变化而相应的控制电流，使得定子元件75部分磁化，转子72即可回到工作位置。

任何为实现旋转而设计的结构可被应用在转子72上，例如如果磁性轴承装置和一个可引起转子72旋转的电机相结合，则结构可为用于测量流速的叶轮或圆盘或是用在泵中的叶轮。这同样适用于图4中的磁性轴承装置41。

图6中磁性轴承装置71可以进行改动，定子端的永磁体74被安装在外部以致围绕转子72，这种情况理论上与图4中实施例相同。

Claims

1、用于可动元件的磁性轴承装置(1、11、21、41、51、71)，其特征在于：

a)磁性轴承装置具有定子；

b)在定子中，可动元件(2、13、22、42、52、72)设置成可沿运动方向移动(4、20、66)；

c)磁性轴承装置(1、11、21、41、51、71)具有用于侧向引导可动元件(2、13、22、42、52、72)的无源磁性轴承(3、8、9；14、15、16；23、25、27；24、26、28；43、45；44、46；53、54、55、56；73、74)以及用于垂直于无源磁性轴承(3、8、9；14、15、16；23、25、27；24、26、28；43、45；44、46；53、54、55、56；73、74)的引导方向来引导可动元件(2、13、22、42、52、72)的可控磁性轴承(3、5；12、14；23、29；43、48；53、57；54、58；73、75)；

d)无源磁性轴承具有安装在可动元件端和定子端的永磁体(3、8、9；14、15、16；23、25、27；24、26、28；43、45；44、46；53、54、55、56；73、74)；

e)各自相邻的永磁体(3、8、9；14、15、16；23、25、27；24、26、28；43、45；44、46；53、54、55、56；73、74)磁场方向相互排斥；

f)可控磁性轴承(3、5；12、14；23、29；43、48；53、57；54、58；73、75)对可动元件(2、13、22、42、52、72)施加了垂直于运动方向(4、20、66)的磁力；

g)可控磁性轴承(3、5；12、14；23、29；43、48；53、57；54、58；73、75)具有可磁化的定子元件(5、12、29、48、57、58、75)；

h)可控磁性轴承(3、5；12、14；23、29；43、48；53、57；54、58；73、75)具有控制磁力的电子稳定装置；

i)稳定装置具有可传输控制电流的电导体(6、7；18、19；30、31；49；60、61、62、63；76)，稳定装置与定子元件(5、12、29、48、57、58、75)通过控制电流影响定子元件(5、12、29、48、57、58、75)的磁化程度。

j)稳定装置具有用于探测可动元件(2、13、22、42、52、72)位置的位置传感器；

k)作为位置传感器信号的功能，稳定装置可调整控制电流，以使可动元件(2、13、22、42、52、72)保持在工作位置内，在工作位置内无源磁性轴承(3、8、9；14、15、16；23、25、27；24、26、28；43、45；44、46；53、54、55、56；73、74)作用于可动元件(2、13、22、42、52、72)的磁力与可控磁性轴承(3、5；12、14；23、29；43、48；53、57；54、58；73、75)产生的磁力方向相反；

其特征如下：

l)可控磁性轴承(3、5；12、14；23、29；43、48；53、57；54、58；73、75)具有永磁体(3、14、23、43、53、54、73)；

m)永磁体(3、14、23、43、53、54、73)与定子元件(5、12、29、48、57、58、75)相对被安装在可动元件(2、13、22、42、52、72)上；

n)永磁体(18、19、60、61、62、63、76)与定子元件(5、12、29、48、57、58、75)之间的磁力的大小这样来规定，可动元件保持在工作位置之内时，控制电流为零；仅当可动元件偏离工作位置时产生控制电流来影响定子元件的磁化，从而重新回到工作位置。

2、如权利要求1所述的磁性轴承装置，其特征在于，定子元件以永磁体来实现。

3、如权利要求1或2所述的磁性轴承装置，其特征在于，永磁体包含几个辅助磁体。

4、如权利要求1至3中任一项所述的磁性轴承装置，其特征在于，定子元件(12；57、58、75)具有几个电导体(18、19、60、61、62、63、76)，并且每个电导体(18、19、60、61、62、63、76)都是分立的稳定装置的一部分。

5.如权利要求1至4中任一项所述的磁性轴承装置，其特征在于，可控磁性轴承(3、5；12、14；23、29；43、48；53、57；54、58；73、75)的永磁体(18、19、60、61、62、63、76)同时也构成相结合的无源磁性轴承的可动端永磁体(3、14、23、43、53、54、73)。

6、如权利要求1至5中任一项所述的磁性轴承装置，其特征在于，几个无源磁性轴承(23、25、27；24、26、28；43、45；44、46)具有磁性相互排斥的定子端和可动端的永磁体(23、25、27；24、26、28；43、45；44、46)，用于侧向引导可动元件(22、42)。

7.如权利要求6所述的磁性轴承装置，其特征在于，无源磁性轴承(23、25、27；24、26、28；43、45；44、46)安装在可动元件(22、42)的末端区域。

8.如权利要求1至7中任一项所述的磁性轴承装置，其特征在于，提供了几个空间上相隔的可控磁性轴承(53、57；54、58)，每个可控磁性轴承具有一个可动端永磁体(53、54)和一个定子元件(57、58)。

9.如权利要求8所述的磁性轴承装置，其特征在于，每个定子元件(57、58)与至少一个分立的稳定装置相结合。

10.如权利要求8或9所述的磁性轴承装置，其特征在于，可控磁性轴承(53、57；54、58)被安装在可动元件(52)的末端，永磁体(53、54)与各自相邻的无源磁性轴承(53、54、55、56)的定子端永磁体(55、56)相结合，可控磁性轴承(53、57；54、58)的永磁体(53、54)同时构成无源磁性轴承(53、54、55、56)的可动端永磁体(53、54)。

11.如权利要求1至10中任一项所述的磁性轴承装置，其特征在于，可动元件(3、14、22、52)以可平移的元件来实现，它的永磁体(3、14；23、24；53、54)与无源磁性轴承(3、8、9；14、15、16；23、25、27；24、26、28；53、54、55、56)相类似，在运动方向上延伸。

12.如权利要求1至10中任一项所述的磁性轴承装置，其特征在于，可动元件以可旋转的元件(42、73)来实现，它的永磁体(43、44)与无源磁性轴承的永磁体(43、45；44、46)相类似，均是圆形。

13.如权利要求12所述的磁性轴承装置，其特征在于，可动元件(73)和定子元件(75)为环形，分立的稳定装置中的几个电导体(76)分开地安装在定子元件(75)上。

14.如权利要求12或13所述的磁性轴承装置，其特征在于，可控磁性轴承(73、75)的永磁体(73)同时构成无源磁性轴承(73、74)的可动元件端永磁体(73)，并被无源磁性轴承(73、74)的定子端永磁体(74)包围。

15.如权利要求12或13所述的磁性轴承装置，其特征在于，可控磁性轴承(73、75)的永磁体(73)同时构成无源磁性轴承(73、74)的可动元件端永磁体(73)，并且包围无源磁性轴承(73、74)的定子端永磁体(74)。

16.如权利要求12或13所述的磁性轴承装置，其特征在于，可控磁性轴承同时构成无源磁性轴承的可动端永磁体，其内部和外部分别由圆形的无源磁性轴承的定子端永磁体所包围。