CN1995770A - 一种具有冗余结构的永磁偏置内转子径向混合磁轴承 - Google Patents

一种具有冗余结构的永磁偏置内转子径向混合磁轴承 Download PDF

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Abstract

一种具有冗余结构的永磁偏置内转子径向混合磁轴承，它由外导磁环、永磁体、左(右)转子铁心、左(右)定子铁心、激磁线圈、左(右)内导磁环组成。外导磁环与左定子铁心和右定子铁心相连，左(右)定子铁心内部依次是左(右)转子铁心和左(右)内导磁环，左(右)内导磁环与左(右)转子铁心相连，左(右)转子铁心外表面与左(右)定子铁心内表面之间形成空气隙。左定子铁心和右定子铁心共组成16个磁极，左定子铁心的8个磁极和右定子铁心的8个磁极沿圆周均匀分布，每个磁极上绕有激磁线圈，永磁体位于左内导磁环和右内导磁环之间，左、右定子铁心不相邻的4个磁极及其上的激磁线圈分别组成两组互为冗余的定子磁极，整个装置共组成两个互为冗余的径向混合磁轴承。本发明在永磁偏置内转子径向混合磁轴承的结构上实现了冗余，从而显著提高了磁轴承系统的可靠性。

Description

一种具有冗余结构的永磁偏置内转子径向混合磁轴承
技术领域
本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种具有冗余结构的永磁偏置内转子径向混合磁轴承，可作为磁悬浮飞轮、磁悬浮控制力矩陀螺、真空分子泵、高速机床、航空发动机和航天器等系统中旋转部件的无接触支撑部件。
背景技术
磁悬浮轴承按照磁力提供方式，可分为无源磁悬浮轴承(由永久磁铁提供磁力，也称被动磁悬浮轴承)、有源磁悬浮轴承(由电磁铁提供磁力，也称主动磁轴承)和混合磁悬浮轴承(由永久磁铁和电磁铁提供磁力)。由于无源磁悬浮轴承的稳定域很小，而永磁偏置的混合磁轴承利用永磁体取代主动磁轴承中由励磁电流产生的静态偏置磁场，具有降低功率放大器损耗，减少电磁铁安匝数，缩小磁轴承的体积和重量等优点，所以永磁偏置的混合磁悬浮轴承得到了广泛的应用。在航空发动机、航天器等要求高可靠性的领域，为提高磁悬浮轴承系统的可靠性，要求具有冗余和容错功能，而目前具有冗余结构的径向磁轴承为主动磁轴承，其结构示意图如图1所示，在具有冗余结构的径向磁悬浮轴承上用了6个线圈，其中每3个不相邻的磁极和线圈组成一个径向磁悬浮轴承，实际上这种具有冗余结构的径向磁悬浮轴承相当于有两个径向磁悬浮轴承同时在工作，当某一个轴承出现故障时，另一个轴承可以正常工作。这种结构的径向磁轴承通过电流产生静态偏置磁场，具有功耗、质量和体积大等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有冗余结构的功耗小、结构简单、易于控制和高可靠性的永磁偏置内转子径向混合磁轴承。
本发明的技术解决方案为：具有冗余结构的永磁偏置内转子径向混合磁轴承，其特征在于：由外导磁环、永磁体、左(右)转子铁心、左(右)定子铁心、激磁线圈、左(右)内导磁环组成。外导磁环与左定子铁心和右定子铁心相连，左(右)定子铁心径向内部依次是左(右)转子铁心和左(右)内导磁环，左(右)内导磁环与左(右)转子铁心相连，左(右)转子铁心外表面与左(右)定子铁心内表面之间形成空气隙。左和右定子铁心共组成16个磁极，左定子铁心的8个磁极和右定子铁心的8个磁极沿圆周均匀分布，每个磁极上绕有激磁线圈，永磁体位于左、右内导磁环之间，左、右定子铁心不相邻的4个磁极及其上的激磁线圈分别组成两组互为冗余的定子磁极，整个装置共组成两个互为冗余的径向混合磁轴承。
上述方案的原理是：永磁体给磁轴承提供永磁偏置磁场，激磁线圈所产生的电磁场起调节作用，用来改变每极下磁场的强弱，保持磁轴承定转子气隙均匀，并使转子得到无接触支撑。本发明的左定子铁心和右定子铁心组成16个磁极，左定子铁心的8个磁极和右定子铁心的8个磁极沿圆周均匀分布，每个磁极上绕有激磁线圈，左定子铁心不相邻的4个磁极和右定子铁心不相邻的4个磁极及其上的激磁线圈分别组成两组互为冗余的定子磁极，整个装置共组成两个互为冗余的径向混合磁轴承。当其中一个径向磁轴承正常工作时，另一个径向磁轴承的激磁线圈不通过电流，作为备用磁轴承。以Y轴磁路为例，永磁磁路为：磁通从永磁体N极出发，通过右内导磁环、右转子铁心、右侧空气隙、右定子铁心、外导磁环、左定子铁心、左侧空气隙、左转子铁心和左内导磁环回到永磁体S极，构成磁悬浮轴承的永磁磁路，在空气隙中产生永磁偏置磁场，如图2中的虚线所示。电磁主磁路有两路，其中一路为：左定子铁心+Y方向的定子磁极、+Y方向的空气隙、左转子铁心、-Y方向空气隙和左定子铁心-Y方向的定子磁极构成闭合回路，如图2和图3中的实线所示。另一路为：右定子铁心-Y方向的定子磁极、-Y方向空气隙、右转子铁心、+Y方向的空气隙和右定子铁心+Y方向的定子磁极构成闭合回路，如图2和图4中的实线所示。整个装置共构成两个径向磁轴承，备用径向磁轴承的永磁磁路与正常工作径向磁轴承的永磁磁路相同，而电磁磁路也分为两路，以Y’轴电磁主磁路为例，其中一路为：左定子铁心+Y’方向的定子磁极、+Y’方向的空气隙、左转子铁心、-Y’方向空气隙和左定子铁心-Y’方向的定子磁极构成闭合回路，如图2和图5中的实线所示。另一路为：右定子铁心-Y’方向的定子磁极、-Y’方向空气隙、右转子铁心、+Y’方向的空气隙和右定子铁心+Y’方向的定子磁极构成闭合回路，如图2和图6中的实线所示，当其中一个径向磁轴承发生故障时，另一个备用径向磁轴承进入正常工作状态。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用左(右)两个定子铁心的16个磁极及其上的激磁线圈，与外导磁环、永磁体、左(右)转子铁心和左(右)内导磁环构成了具有冗余结构的内转子径向混合磁轴承，具有结构简单的优点，而且当其中一个径向磁轴承发生故障时，另一个备用径向磁轴承可进入正常工作状态，从而保证了整个系统的安全可靠运行。
本发明的另一个优点是：本发明的永磁偏置内转子径向混合磁轴承通过永磁体产生偏置磁场，可显著降低具有冗余结构的磁轴承功耗和体积。
附图说明
图1为现有技术中具有容错结构的径向主动磁轴承结构示意图；
图2为本发明的具有冗余结构的永磁偏置内转子径向混合磁轴承剖面图；
图3为本发明的具有冗余结构的永磁偏置内转子径向混合磁轴承左端面截面图；
图4为本发明的具有冗余结构的永磁偏置内转子径向混合磁轴承右端面截面图；
图5为本发明的具有冗余结构的永磁偏置内转子径向混合磁轴承左端面备用径向磁轴承电磁磁路示意图；
图6为本发明的具有冗余结构的永磁偏置内转子径向混合磁轴承右端面备用径向磁轴承电磁磁路示意图。
具体实施方式
如图2、图3、图4、图5和图6所示，为本发明技术解决方案的具有冗余结构的永磁偏置内转子径向混合磁轴承，它由外导磁环5、永磁体9、左转子铁心2、右转子铁心8、左定子铁心3(包括8个定子磁极)、右定子铁心7(包括8个定子磁极)、16个激磁线圈4、左内导磁环1、右内导磁环11、空气隙10组成。外导磁环5与左定子铁心3和右定子铁心7相连，左定子铁心3和右定子铁心7径向内部分别是左转子铁心2和右转子铁心8，左转子铁心2和右转子铁心8径向内部是左内导磁环1和右内导磁环11，左内导磁环1、右内导磁环11与左转子铁心2和右转子铁心8相连，左转子铁心2和右转子铁心8外表面与左定子铁心3和右定子铁心7内表面之间形成空气隙10。左定子铁心3和右定子铁心7组成16个磁极，左定子铁心的8个磁极和右定子铁心的8个磁极沿圆周均匀分布，每个磁极上绕有激磁线圈4，永磁体9位于左内导磁环1和右内导磁环11之间，左定子铁心3不相邻的4个磁极12、14、16、18或作为冗余的不相邻的4个磁极13、15、17、19和右定子铁心7不相邻的4个磁极20、22、24、26或作为冗余的不相邻的4个磁极21、23、25、27及其上的激磁线圈4分别组成两组互为冗余的定子磁极，整个装置共组成两个互为冗余的径向混合磁轴承。
上述本发明所用的外导磁环5、左内导磁环1和右内导磁环11均用导磁性能良好的材料制成，如电工纯铁、各种低碳钢、1J50和1J79等磁性材料。左转子铁心2、右转子铁心8、左定子铁心3、右定子铁心7可用导磁性能良好的电工薄钢板如电工硅钢板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79等磁性材料冲压迭制而成。永磁体9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9为一圆环，沿轴向充磁。激磁线圈4用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。

Claims (5)

1、一种具有冗余结构的永磁偏置内转子径向混合磁轴承，其特征在于：由外导磁环(5)、永磁体(9)、左转子铁心(2)、右转子铁心(8)、左定子铁心(3)、右定子铁心(7)、激磁线圈(4)、左内导磁环(1)、右内导磁环(11)和空气隙(10)组成；外导磁环(5)与左定子铁心(3)和右定子铁心(7)相连，左定子铁心(3)和右定子铁心(7)径向内部分别是左转子铁心(2)和右转子铁心(8)，左转子铁心(2)和右转子铁心(8)径向内部是左内导磁环(1)和右内导磁环(11)，左内导磁环(1)、右内导磁环(11)与左转子铁心(2)和右转子铁心(8)相连，左转子铁心(2)和右转子铁心(8)的外表面与左定子铁心(3)和右定子铁心(7)的内表面之间形成空气隙(10)；左定子铁心(3)和右定子铁心(7)组成16个磁极，左定子铁心的8个磁极和右定子铁心的8个磁极沿圆周均匀分布，每个磁极上绕有激磁线圈(4)，永磁体(9)位于左内导磁环(1)和右内导磁环(11)之间，左定子铁心(3)不相邻的4个磁极(12)、(14)、(16)、(18)或不相邻的4个磁极(13)、(15)、(17)、(19)和右定子铁心(7)不相邻的4个磁极(20)、(22)、(24)、(26)或不相邻的4个磁极(21)、(23)、(25)、(27)及其上的激磁线圈(4)分别组成两组互为冗余的定子磁极，整个装置共组成两个互为冗余的径向混合磁轴承。
2、根据权利要求1所述的具有冗余结构的永磁偏置内转子径向混合磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(9)采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成。
3、根据权利要求1所述的具有冗余结构的永磁偏置内转子径向混合磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(9)为一个圆环，沿轴向充磁。
4、根据权利要求1所述的具有冗余结构的永磁偏置内转子径向混合磁轴承，其特征在于：所述的外导磁环(5)、左内导磁环(1)和右内导磁环(11)均采用导磁性能良好的材料制成。
5、根据权利要求1所述的具有冗余结构的永磁偏置内转子径向混合磁轴承，其特征在于：所述的左转子铁心(2)、右转子铁心(8)、左定子铁心(3)和右定子铁心(7)采用导磁性能良好的软磁材料制成。
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