CN204284204U - 一种低功耗永磁偏置轴向混合磁轴承 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低功耗永磁偏置轴向混合磁轴承，其组成包括定子盘、吸力盘、永磁环、隔磁环、转轴与控制线圈绕组。定子盘由硅钢片叠压而成，其径向内侧凹槽嵌入圆环形永磁体，圆环形永磁体采用稀土材料钕铁硼制成，隔磁环分别嵌插在圆环形永磁体的两侧，控制线圈绕组绕制于轴向定子盘径向外侧凹槽内，用以产生控制磁通。吸力盘也由硅钢片叠压而成，套装在转轴上。定子盘与吸力盘之间形成轴向气隙；定子盘与转轴之间形成径向气隙。永磁环、轴向气隙、吸力盘与定子盘构成完整的静态偏磁磁通回路，定子盘、轴向气隙和吸力盘构成完整的控制磁通回路。本实用新型具有功耗低、体积小、重量轻、结构简单、控制方便、易于实现等优点。

Description

一种低功耗永磁偏置轴向混合磁轴承

技术领域

本实用新型涉及一种非接触磁轴承，特指一种新型低功耗永磁偏置轴向混合磁轴承，适用于高速飞轮储能、高速电主轴、无轴承电机等高速传动领域的轴向无接触悬浮支撑。

背景技术

相对于传统机械轴承，磁轴承具有无摩擦、无磨损、高速度、噪音小及寿命长等优点。由于定转子之间没有机械接触，磁轴承的转子可达到很高的转速，所以在高速飞轮储能、高速电主轴、无轴承电机等高速传动领域具有广泛的应用前景。按照励磁方式的不同，磁轴承可以分为主动磁轴承、被动磁轴承和混合磁轴承(永磁偏置混合磁轴承)。由于混合磁轴承使用永磁体产生的磁场作为静态偏置磁场，不仅使得电磁铁的安匝数减少，大大降低了功率放大器的功耗，而且还缩小了磁轴承的体积，减轻了其重量。

国际上目前研究的永磁偏置轴向磁轴承在结构形式上大致可分为三种：一种是将永磁体置于转子中，但其安装难度增大，限制了其高速运行；第二种磁轴承将悬浮转子(一般是吸力盘)置于定子的两侧，轴向长度增加，临界转速低；第三种磁轴承中轴向控制磁通穿过永磁体，但对永磁体呈明显的去磁作用，漏磁较大，在高速、高效的应用场合受到限制。

虽然一些相关专利都克服了以上的不足，但是也都具有其自身的不足之处。中国专利公开号CN102900761A、名称为“一种永磁偏置轴向混合磁轴承”，结构紧凑，但是为了防止转子偏心时产生偏心磁拉力，其在副气隙处又增加了两套控制绕组用以施加主动控制，这样增加了磁轴承的径向长度和结构的复杂性，不利于磁轴承体积的缩小和成本的降低。中国专利公开号CN101038011、名称为“三自由度交流混合磁轴承”，将径向两自由度和轴向单自由度结合起来，具有集成度高，体积小等优点，但其缺陷是：径向力和轴向力之间存在耦合，增加了控制系统的难度。

实用新型内容

本实用新型的目的是：克服现有技术的不足，提出一种新型永磁偏置轴向混合磁轴承。该磁轴承具有功耗低、体积小、重量轻、结构简单、控制方便、易于实现等优点。

本实用新型的技术解决方案是：

一种低功耗永磁偏置轴向混合磁轴承，包括定子组件和转子组件；

所述定子组件包括一个定子盘、两个永磁环、两套控制线圈绕组、四个隔磁环；

所述永磁环分为第一永磁环和第二永磁环，所述第一永磁环和所述第二永磁环嵌入在所述定子盘内侧凹槽中；

所述隔磁环分为第一隔磁环、第二隔磁环、第三隔磁环、第四隔磁环；所述第一隔磁环和所述第二隔磁环分别嵌入在所述第一永磁环的两侧，所述第三隔磁环和所述第四隔磁环分别嵌入在所述第二永磁环的两侧；

所述控制线圈绕组分为第一控制线圈绕组、第二控制线圈绕组，所述第一控制线圈绕组和所述第二控制线圈绕组分别绕制于定子盘外侧凹槽内，用以产生控制磁通；

所述转子组件包括吸力盘和转轴，所述吸力盘套装在所述转轴上；

所述的定子盘与所述吸力盘之间形成主轴向气隙和副轴向气隙；所述定子盘与所述转轴之间形成径向气隙；所述永磁环、轴向气隙、吸力盘、定子盘构成完整的静态偏置磁通回路；所述定子盘、轴向气隙、吸力盘构成完整的控制磁通回路。

进一步，所述第一永磁环和所述第二永磁环是圆环形的且轴向充磁，形状大小相同，均采用稀土材料钕铁硼制成。

进一步，所述四个隔磁环大小相同，且为非导磁材料。

进一步，所述隔磁环均由铝、环氧树脂材料构成。

进一步，所述的定子盘和吸力盘均由硅钢片叠压而成。

本实用新型与现有技术相比，具有的优点是：

1)有效降低了永磁体不可逆退磁的可能性，并方便主动悬浮的控制。

2)利用永磁磁场代替电磁铁产生的磁场来作为静态偏置磁场，减少了电磁铁安匝数，缩小磁轴承体积，降低功率放大器功耗，提高磁轴承承载能力。

3)传统的混合磁轴承只能单一地在主气隙施加主动控制，为了防止转子偏心时产生偏心磁拉力，相关专利在副气隙处又增加了两套控制绕组用以施加主动控制，而本实用新型控制绕组产生的控制磁通同时经过主、副轴向气隙，对主副轴向气隙同时施加主动控制，不仅不容易产生偏心磁拉力，而且还省去了两套绕组，磁轴承体积小，结构简单。

4)将永磁体置于转子中，不仅安装难度大，而且使得转子的刚度降低，并减小了转子的临界转速。本实用新型将永磁体嵌入在定子圆盘中，提高了转子的刚度与临界转速，并且有效地避免了控制磁通对永磁体的去磁。

5)由于隔磁环的使用，大大地降低了永磁体的漏磁，提高了混合磁轴承的稳定性。

6)不占用过大的径向和轴向长度，增加了混合型磁悬浮轴承的适用范围。

7)结构简单、控制方便且易于实现。

附图说明

图1为永磁偏置轴向混合磁轴承的轴向截面与磁通回路示意图。

图2为永磁偏置轴向混合磁轴承定子盘的径向截面俯视示意图。

图中：1为定子盘，2为吸力盘，3为转轴，4为主轴向气隙，5为副轴向气隙，6为径向气隙，7为第一控制线圈绕组，8为第二控制线圈绕组，9、10为控制线圈产生的控制磁通回路，11、12、13、14为永磁体产生的静态偏置磁通回路，15为第一隔磁环，16为第二隔磁环，17为第三隔磁环，18为第四隔磁环，19为第一永磁环，20为第二永磁环。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型的永磁偏置轴向混合磁轴承轴向截面与磁通回路示意图，图2是定子盘径向截面俯视示意图。定子盘1由硅钢片叠压而成，内侧凹槽分别嵌入圆环形第一永磁体19、第二永磁体20，第一永磁体19和第二永磁体20均采用稀土材料钕铁硼制成，由非导磁材料构成的第一隔磁环15、第二隔磁环16、第三隔磁环17、第四隔磁环18分别嵌插在圆环形第一永磁体19和第二永磁体20的两侧，以有效降低永磁体两侧的漏磁，第一控制线圈绕组7和第二控制线圈绕组8分别绕制于两个轴向定子盘1外侧凹槽内，用以产生控制磁通。吸力盘2也由硅钢片叠压而成，套装在转轴3上。定子盘1与吸力盘2之间形成主轴向气隙4和副轴向气隙5；定子盘1与转轴3之间形成径向气隙6。永磁环、轴向气隙、吸力盘2与定子盘1构成完整的静态偏磁磁通回路，如图1中带箭头的虚线所示；定子盘1、轴向气隙和吸力盘2构成完整的控制磁通回路，如图1中带箭头的实线所示。

本实用新型的基本工作原理为：当吸力盘2处于中间位置，即平衡位置时，由于其结构的对称性，两边永磁环产生的磁通在吸力盘2左边的气隙与右边的气隙处是相等的，此时，吸力盘2左边与右边受到的吸力相等；吸力盘2与左右永磁体之间的气隙相等，即左右气隙长度均为_g0，工程上，_g0一般取在0.2～1.5mm。假设此时吸力盘2受到一个向右的扰动力，吸力盘2向右运动，造成左边的气隙变大，气隙中偏置磁通量变小；右边的气隙变小，气隙中偏置磁通量变大。根据在磁极面积一定时磁场吸力与磁场磁通量的平方成正比，所以，向右的吸力大于向左的吸力，在没有外界的帮助下，吸力盘2是无法回到平衡位置的。此时，位移传感器检测到吸力盘偏离参考位置向右的位移量，控制器将这一位移信号转换成控制电流，这个电流流入控制绕组，在铁芯和气隙中建立一个控制磁场。右边气隙中的偏置磁通与控制磁通相减，使得右边气隙中的磁通量减小；而左边气隙中的偏置磁通与控制磁通相加，使得左边气隙中的磁通量增加。这样，产生一个合力方向向左的吸力，将吸力盘2拉回平衡位置。同理，当吸力盘2受到一个向左的扰动力时，分析过程与此相类似。这样，新型永磁偏置轴向混合磁轴承通过带有位移负反馈的控制器来调节控制绕组中电流的大小，可以将吸力盘2始终保持在平衡位置。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种低功耗永磁偏置轴向混合磁轴承，其特征在于：包括定子组件和转子组件；

所述定子组件包括一个定子盘(1)、两个永磁环、两套控制线圈绕组、四个隔磁环；

所述永磁环分为第一永磁环(19)和第二永磁环(20)，所述第一永磁环(19)和所述第二永磁环(20)嵌入在所述定子盘(1)内侧凹槽中；

所述隔磁环分为第一隔磁环(15)、第二隔磁环(16)、第三隔磁环(17)、第四隔磁环(18)；所述第一隔磁环(15)和所述第二隔磁环(16)分别嵌入在所述第一永磁环(19)的两侧，所述第三隔磁环(17)和所述第四隔磁环(18)分别嵌入在所述第二永磁环(20)的两侧；

所述控制线圈绕组分为第一控制线圈绕组(7)、第二控制线圈绕组(8)，所述第一控制线圈绕组(7)和所述第二控制线圈绕组(8)分别绕制于定子盘(1)外侧凹槽内，用以产生控制磁通；

所述转子组件包括吸力盘(2)和转轴(3)，所述吸力盘(2)套装在所述转轴(3)上；

所述的定子盘(1)与所述吸力盘(2)之间形成主轴向气隙(4)和副轴向气隙(5)；所述定子盘(1)与所述转轴(3)之间形成径向气隙(6)；所述永磁环、轴向气隙、吸力盘(2)、定子盘(1)构成完整的静态偏置磁通回路；所述定子盘(1)、轴向气隙、吸力盘(2)构成完整的控制磁通回路。

2.根据权利要求1所述的永磁偏置轴向混合磁轴承，其特征在于：所述第一永磁环(19)和所述第二永磁环(20)是圆环形的且轴向充磁，形状大小相同，均由稀土材料钕铁硼构成。

3.根据权利要求1所述的永磁偏置轴向混合磁轴承，其特征在于：所述四个隔磁环大小相同，且为非导磁材料。

4.根据权利要求1所述的永磁偏置轴向混合磁轴承，其特征在于：所述的定子盘(1)和吸力盘(2)均由硅钢片叠压而成。