CN205371309U - 一种大承载轴向混合磁轴承 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大承载轴向混合磁轴承，包括转子(8)，转子(8)上设有磁轴承定子(6)，磁轴承定子(6)内设有定子腔(1)，定子腔(1)内设有树脂(3)，树脂(3)内侧包围电磁绕组线圈(2)，树脂(3)外侧设有导磁环(5)和梯形截面的永磁环(4)，永磁环(4)位于导磁环(5)上方；所述的磁轴承定子(6)与转子(8)之间形成轴向气隙(7)。本实用新型不仅结构简单，便于加工和装配，而且具有功耗低、承载能力大的特点。

Description

一种大承载轴向混合磁轴承

技术领域

本实用新型涉及一种轴承，特别是一种大承载轴向混合磁轴承。

背景技术

飞轮储能系统依靠高速或超高速运行的飞轮转子来进行动能存储。要保证转子在高速或超高速状态下正常工作，整个飞轮转子是通过性能良好的支撑部件的支承而获得稳定运转的。系统的支承特性显得尤为重要。飞轮储能系统中传统机械轴承包括普通球轴承、流体动压轴承等，因其旋转损耗和发热过大，难以满足高速重载且摩擦损耗低的要求，早期飞轮储能系统发展缓慢，最主要原因就在于此。

随着飞轮储能系统的发展，为更大程度上提高飞轮的储能容量和减小运转过程中的损耗，对支撑系统提出了工作转速高、损耗小、高可靠性和长寿命等严格的要求。因此，现代用于飞轮系统的支撑件得到了快速发展，出现了陶瓷球轴承、磁悬浮轴承、空气轴承、超导磁悬浮轴承等。近年来发展较快的空气轴承，虽然适用于高速和超高速状况，但其支承刚度低，对于要求承载能力高的飞轮系统亦不适合。超导磁悬浮轴承是由永磁体与超导体组合而成，具有无源、无机械磨损、高转速、长寿命等特点，吸引了各国科技人员的关注。20多年前，美、日、德等国已经对此开始了研究，并逐渐取得了重大成果。但由于超导磁悬浮需要低温液氮等装置来维持超导特性，比较复杂和昂贵，因此应用得到限制。

现有磁轴承(磁悬浮轴承)中，主要是利用矩形截面的永磁环进行设计，但矩形截面的永磁环会对磁力造成一定的阻碍，造成功耗高、承载能力小等缺点。

发明内容

本实用新型的目的在于，提供一种大承载轴向混合磁轴承。本实用新型不仅结构简单，便于加工和装配，而且具有功耗低、承载能力大的特点。

本实用新型的技术方案：一种大承载轴向混合磁轴承，包括转子，转子上设有磁轴承定子，磁轴承定子内设有定子腔，定子腔内设有树脂，树脂内侧包围电磁绕组线圈，树脂外侧设有导磁环和梯形截面的永磁环，永磁环位于导磁环上方；所述的磁轴承定子与转子之间形成轴向气隙。

前述的大承载轴向混合磁轴承中，所述的转子的内径小于磁轴承定子的内径。

前述的大承载轴向混合磁轴承中，所述的导磁环的内外半径与定子腔外环的内外半径相等。

一种大承载轴向混合磁轴承用的永磁环，所述永磁环的截面为梯形。

前述的大承载轴向混合磁轴承用的永磁环中，所述梯形为直角梯形。

前述的大承载轴向混合磁轴承用的永磁环中，所述梯形的腰与垂直方向的夹角a的范围为15°-20°。

前述的大承载轴向混合磁轴承用的永磁环中，所述梯形的腰与垂直方向的夹角a为20°。

与现有技术相比，本实用新型采用“梯形”截面永磁环，电磁磁路几乎不通过永磁体本身而形成回路，承载力大；与传统截面永磁体混合磁轴承结构相比，在实现同等控制载荷下，控制线圈电流小，减小了线圈损耗和发热，极大地提高了轴承系统的效率，且本实用新型采用永磁偏置和电磁控制配合使用，永磁和电磁共享磁路，结构简单，便于加工和装配。以方形截面和梯形截面磁轴承结构对比，轴向气隙为2mm，产生1200N的电磁力，同样情况下梯形截面结构励磁电流可降低30％～40％，线圈能耗可降低约63.24％，功耗低。

本实用新型进行了大量的实验研究，以下为本实用新型的实验：实验例1：

为了得到更好的磁轴承结构，我们可以进一步研究永磁体梯形截面的斜面倾斜角取值，找出规律，寻求最优值。现假设在10A电流的作用下，分别取5°、10°、15°、20°、25°的倾角进行分析，磁密和相对磁密变化趋势见表1、图3和图4。

表1不同工作条件下各倾角所对应的磁密

从表1、图3和图4可知，随着倾角增加，磁密随之减小。从图4可知，相对磁密从5°到15°是相对增加的，从15°到20°是持平状态，从20°到25°相对减小。考虑初设磁密及最终磁密和永磁体加工工艺，永磁体倾斜角度20°为最佳状态。

实验例2：截面为矩形和梯形的永磁环对比实验

混合磁轴承中永磁体的结构设计合理与否，直接关系到整个磁轴承的效率。在此设计截面分别为矩形和梯形的两种永磁体结构，通过比较它们的特性分析，选择更合理的结构。对永磁偏置轴向磁轴承性能分析：

(1)永磁体单独作用

当永磁体单独工作时，运用ANSOFT电磁分析软件对两种不同截面的磁轴承进行分析，得到磁密波形图分别如图5和图6所示。

对照图5和图6可知，矩形截面永磁体产生的气隙磁密与梯形截面永磁体产生的气隙磁密波形基本趋势相同，前者平均气隙磁密为0.8932T，后者平均气隙磁密为0.6317T。这是因为后者表面积较前者略小，表面两端漏磁所致。表2列出永磁体单独作用时，两者在相同条件下产生的永磁力的比较，可看出前者产生的永磁力比后者大。

表2两种截面在相同条件下产生的永磁力

(2)电磁单独作用

当电磁单独作用时，通10A的电流，运用ANSOFT电磁分析软件对两种不同截面的磁轴承进行分析，得到磁密波形图分别如图7和图8所示。

对照图7和图8可知，两者的气隙磁密波形基本相同，前者平均气缝隙磁密为0.0954T，后者为0.165T。表3为电励磁单独作用时，定子梯形槽与定子方形槽结构产生电磁力的对比。从表3中可以看出，定子梯形槽轴向力为方形槽结构的2.77倍。

表3相同条件下不同截面产生的电磁力

(3)永磁体和电流电磁同时作用

当永磁体和电磁同时作用时，运用ANSOFT电磁分析软件对采用两种不同截面的磁轴承进行分析。当通10A的电流时，两者气隙磁密波形图如图9和图10所示。

对照图9和图10可看出采用矩形截面结构与梯形截面结构产生的气隙磁密波形图趋势基本相同，前者平均气隙磁密为0.8938T，后者平均气隙磁密为0.6325T。

通过上述分析可知，由于梯形截面结构永磁体相对于矩形截面结构的磁阻小，在产生相同电磁力的情况下，梯形所需的电流较小，即能耗较小，产生的热量也相应小，本文选用梯形截面磁轴承结构。

(4)混合磁轴承关键工作点分析

通过ANSOFT电磁分析软件对磁轴承在平衡位置工作点、最大气隙位置工作点、最小气隙位置工作点的磁场以及气隙磁密分布进行分析，可为设计磁轴承时选择合理的电磁参数和最佳的磁路结构提供一定的依据。

a、平衡位置

永磁体单独励磁、永磁力与转子重量平衡时，磁轴承处于平衡位置工作点，此时工作气缝隙为2.5mm。磁轴承的磁密分布图如图11所示。

根据图11可以看出，只有永磁体边缘很小区域出现了磁密饱和，其余部分磁密比较低，说明磁轴承在此位置处整个磁路是不饱和的。此时转子受到的轴向力如表4所示。

表4平衡位置转子受到的永磁力

转子在平衡位置处受到扰动冲击时，会在轴向窜动，气隙变化，导致永磁力变化。因转子转动惯量较大，气隙波动范围较小。当气隙在平衡位置处-0.25mm～0.25mm范围内变化时，转子受到的永磁力和气隙平均磁密都与气隙变化量近似成线性关系。

b、最大气隙位置

当转子受到向下的扰动冲击作用随之下移时，磁轴承处于最大气隙位置工作点(气隙为2.75mm)，此时永磁力变小。通过调节控制器，正向电流施加在电励磁线圈中，在混合励磁的作用下，转子重新回到平衡位置。永磁体单独作用于磁悬浮轴承的磁密分布如图12所示：

根据图12磁密分布图可知，与平衡位置工作点相比，由于气隙增大，定子转子各部分的磁密略微变小，永磁体边缘只有小部分饱和区域，说明此时整个磁路不饱和。转子受到的轴向力较平衡位置工作点略有减小，如表5所示。

表5最大气隙处永磁力

c.最小气隙位置

当转子受到向上的扰动冲击作用随之上移时，磁轴承处于最小气隙位置工作点(气隙为2.25mm)，此永磁力变大。通过调节控制器，给电磁线圈施加反向电流，在混合励磁的作用下，转子重新回到平衡位置。图13为永磁体单独作用时磁轴承的磁密分布图。

通过图13可以看出，与平衡位置工作点相比，定子转子各部分的磁密略微变大，永磁体附近也出现了小部分饱和区域，说明此时整个磁路也是不饱和的，转子受到的轴向力较平衡位置工作点有所增大，如表6所示。

表6最小气隙位置永磁体作用永磁力

附图说明

图1是本实用新型结构示意图；

图2是本实用新型定子腔的结构示意图；

图3是倾斜角度在19.8-20.3变化的磁密趋势图；其中，横坐标为倾斜角度，纵坐标为平均磁密，上面的线条为永磁与电磁共同作用，下面的线条为永磁体单独作用；

图4是相对磁密随倾斜角度变化的变化趋势；

图5是在永磁单独作用时，矩形截面磁轴承气隙磁密波形图；

图6是在永磁单独作用时，梯形截面磁轴承气隙磁密波形图；

图7是在电磁单独作用时，矩形截面磁轴承气隙磁密波形图；

图8是在电磁单独作用时，梯形截面磁轴承气隙磁密波形图；

图9是在永磁、电磁共同作用时，矩形截面磁轴承气隙磁密波形图；

图10是在永磁、电磁共同作用时，梯形截面磁轴承气隙磁密波形图；

图11是平衡位置处磁场磁密分布图；

图12是最大气隙处磁密分布图；

图13是最小气隙处永磁单独作用气隙磁密；

图14是永磁环的结构示意图；附图中的磁密分布图应为彩色图，改为灰度图后比较模糊，若审查员需要，可另行提供彩色图。

附图中的标记为：1-定子腔，2-电磁绕组线圈，3-树脂，4-永磁环，5-导磁环，6-磁轴承定子，7-轴向气隙，8-转子。

具体实施方式

实施例1。一种大承载轴向混合磁轴承，如图1、图2和图14所示，包括转子8，转子8上设有磁轴承定子6，磁轴承定子6内设有定子腔1，定子腔1内设有树脂3，树脂3内侧包围电磁绕组线圈2，树脂3外侧设有导磁环5和梯形截面的永磁环4，永磁环4位于导磁环5上方；所述的磁轴承定子6与转子8之间形成轴向气隙7。

所述的转子8的内径小于磁轴承定子6的内径。

所述的导磁环5的内外半径与定子腔外环9的内外半径相等。定子腔外环9的外半径为梯形截面下底边的外环到轴承中心的距离，定子腔外环9的内半径为梯形截面上底边的外环到轴承中心的距离。

所述永磁环4的截面为梯形。

所述梯形的腰与垂直方向的夹角a的范围为15°-20°。

实施例2。所述梯形的腰与垂直方向的夹角a为20°。考虑初设磁密及最终磁密和永磁体加工工艺，永磁体倾斜角度20°为最佳状态。

所述梯形为直角梯形。

其余同实施例1。

实施例3。所述梯形的腰与垂直方向的夹角a为18°。其余同实施例1。

工作原理：在转子8上设有磁轴承定子6，磁轴承定子6内有定子腔1，定子腔1内设有树脂3，树脂3内侧包围电磁绕组线圈2，树脂3外侧设有导磁环5和梯形截面的永磁环4，永磁环4位于导磁环5上方。导磁环用于去除电磁干扰，磁轴承定子6与转子8之间形成轴向气隙7。工作时，磁轴承定子6固定不动，轴连接转子8，给电磁绕组线圈2通电，使得永磁环4产生电磁力对转子8有向上的吸力，永磁环4采用“梯形”截面结构，使得电磁磁路几乎不通过永磁体4，在实现大承载的同时大大降低了电磁线圈的控制损耗，转子8被吸住，转子8转动可带动轴一起运动。

Claims (7)

1.一种大承载轴向混合磁轴承，其特征在于：包括转子(8)，转子(8)上设有磁轴承定子(6)，磁轴承定子(6)内设有定子腔(1)，定子腔(1)内设有树脂(3)，树脂(3)内侧包围电磁绕组线圈(2)，树脂(3)外侧设有导磁环(5)和梯形截面的永磁环(4)，永磁环(4)位于导磁环(5)上方；所述的磁轴承定子(6)与转子(8)之间形成轴向气隙(7)。

2.根据权利要求1所述的大承载轴向混合磁轴承，其特征在于：所述的转子(8)的内径小于磁轴承定子(6)的内径。

3.根据权利要求1所述的大承载轴向混合磁轴承，其特征在于：所述的导磁环(5)的内外半径与定子腔外环(9)的内外半径相等。

4.一种大承载轴向混合磁轴承用的永磁环，其特征在于：所述永磁环(4)的截面为梯形。

5.根据权利要求4所述的大承载轴向混合磁轴承用的永磁环，其特征在于：所述梯形为直角梯形。

6.根据权利要求4所述的大承载轴向混合磁轴承用的永磁环，其特征在于：所述梯形的腰与垂直方向的夹角a的范围为15°-20°。

7.根据权利要求4所述的大承载轴向混合磁轴承用的永磁环，其特征在于：所述梯形的腰与垂直方向的夹角a为20°。