CN207621183U - 一种混合励磁型径向磁轴承 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种混合励磁型径向磁轴承，包括转子和定子，所述转子包括转轴和转子铁心，所述定子包括定子励磁绕组、永磁体、定子铁心和隔磁材料，所述永磁体嵌入定子铁心和隔磁材料之间，所述定子励磁绕组固定于定子铁心内部，所述定子铁心与转子铁心之间形成控制气隙，所述永磁体与转子铁心之间形成偏置气隙，所述永磁体径向充磁或平行充磁，在所述控制气隙和偏置气隙内产生永磁偏置磁场，本实用新型所公开的混合励磁型径向磁轴承结构紧凑、可靠性高、可应用于高速运行场合，适用于高速转子系统。

Description

一种混合励磁型径向磁轴承

技术领域

本实用新型属于磁悬浮技术领域，更具体地，涉及一种低待机损耗的混合励磁型径向磁轴承。

背景技术

磁悬浮轴承是一种利用可调电磁力支撑转子，使定、转子之间脱离机械接触而实现系统稳定运行的高性能轴承。由于定、转子之间不存在机械接触，无需润滑剂，简化维护手续的同时也有利于向真空环境应用；转子受到很小或没有摩擦力，可达到很高转速，提高系统的功率密度；由于磁悬浮轴承通过专门的控制系统精确控制电磁力，因此其刚度和阻尼可调，具有高精度、高稳定性、高可靠性。此外，相对于传统机械轴承而言，磁悬浮轴承具有低损耗、长寿命、无污染等优点，特别适合高速、真空和超洁净等特殊的应用场合。

按照磁悬浮轴承控制的自由度可以将磁悬浮轴承分为三类：单自由度磁轴承、两自由度磁轴承、多自由度磁轴承。在磁悬浮支承的高速转子系统中，除了转子绕自身旋转的一个自由度外，另外五个自由度是由磁轴承支承系统控制。单个自由度磁轴承主要是指控制转子在轴向方向上单向往复运动，一般为轴向轴承且独立使用；两自由度磁轴承则分别控制径向水平、竖直两个方向的自由度，一般为径向轴承且两个轴承配合使用；多自由度磁轴承控制径向-轴向等三个或三个以上自由度，一般为多个轴向、径向轴承的排列组合形式。两自由度磁悬浮轴承可按照磁力提供方式将径向磁轴承分为三类：永磁径向磁轴承、电励磁径向磁轴承和混合励磁型径向磁轴承。其中永磁径向磁轴承刚度小，轴承状态不可控，不适合大承载力高功率密度场合；电励磁径向轴承由于电励磁提供偏置磁场，待机损耗大，不利于低功耗的应用；永磁偏置混合径向轴承综合二者的优点，充分利用永磁体提供的偏置磁场，待机损耗小，状态可控，且形式多样。

目前，混合励磁型径向磁轴承的结构存在一些不足：有的结构电励磁磁路与永磁磁路是串联，不仅需要较大的励磁电流产生电励磁磁通，铜耗大，而且电励磁磁通对永磁体反复充退磁，降低了轴承的可靠性；有的结构永磁磁路不得不通过叠压的硅钢片，在其路径中损失较大的磁动势，造成励磁源的浪费；有的结构为了将永磁磁路和电励磁磁路解耦，在永磁体旁边采用辅助气隙作为电励磁磁路，若辅助气隙过大，则电励磁在辅助气隙处损失较大磁动势，若辅助气隙小，则永磁体漏磁严重。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种低功耗、结构紧凑、电磁和永磁磁路并联解耦、可高速运行的混合励磁型径向磁轴承。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种混合励磁型径向磁轴承，包括转子和定子，所述转子包括转轴和转子铁心，所述定子包括定子励磁绕组、永磁体、定子铁心和隔磁材料，所述永磁体嵌入定子铁心和隔磁材料之间，所述定子励磁绕组固定于定子铁心内部，所述定子铁心与转子铁心之间形成控制气隙，所述永磁体与转子铁心之间形成偏置气隙，所述永磁体径向充磁或平行充磁，在所述控制气隙和偏置气隙内产生永磁偏置磁场。

上述方案中，所述转子铁心与定子铁心的长度相同，且均为叠片结构，采用高强度硅钢材料，厚度为1mm以下。

上述方案中，所述永磁体包括4块梯形的永磁体，在圆周上呈90°均匀分布。

上述方案中，所述定子铁心与转子铁心之间设置4个控制气隙，定子励磁绕组和永磁体分别在其间产生控制磁场和偏置磁场。

上述方案中，所述永磁体与转子铁心之间形成4个偏置气隙，永磁体产生的偏置磁通在偏置气隙内产生偏置磁场。

进一步的技术方案中，所述永磁体、定子铁心、隔磁材料共同构成定子内圆，且其内径尺寸相同。

本实用新型的工作原理是：由永磁体提供混合径向磁轴承的偏置磁场，由定子励磁绕组来提供调节气隙磁通所需的控制磁场。永磁磁路的路径为永磁体N极→定子铁心→控制气隙→转子铁心→偏置气隙→永磁体S极。定子励磁绕组产生的电励磁磁通路径为定子铁心→控制气隙→转子铁心→控制气隙→定子铁心。永磁体产生的永磁磁通穿过控制气隙和偏置气隙，主要产生常通的偏置磁通；永磁体和定子励磁绕组产生的永磁、电励磁磁场在四个控制气隙中叠加或抵消，共同作用在转子铁心上，产生径向两个方向的控制力。

定子内的励磁绕组电流方向可以双向调节，以y轴方向为例，假定当励磁电流为正时，电励磁磁场方向沿y轴正向，由于永磁偏置磁场分别在两个控制气隙内产生方向相反的磁场(假定上控制气隙的磁场沿y轴向上)，两种磁场线性叠加，y轴上控制气隙内的磁场增强，y轴下控制气隙内的磁场削弱，转子铁心受到沿y轴向上的承载力；同理，当励磁线圈的电流为负时，转子铁心受到沿y轴向下的承载力。

本实用新型与现有混合励磁型径向磁轴承相比，具有以下特点：

(1)永磁体位于定子部分，转子转速几乎对其没有任何影响，有利于实现高转速。

(2)电励磁磁路和永磁磁路并联，解耦性能好；励磁电流对永磁体性能影响小，磁轴承的可靠性高。

(3)轴承整体结构对称，径向各个方向均能满足不同承载力要求，不仅能够满足卧式系统承载转子重力的需求，也可应用于立式系统。

(4)可通过电磁设计，使永磁磁路不穿过磁轭，极大降低轴承的径向尺寸，有利于提高轴承结构的集成化程度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本实用新型实施例所公开的一种混合励磁型径向磁轴承示意图；

图2为本实用新型的永磁磁路示意图；

图3为本实用新型的电励磁磁路示意图。

图中，1、转轴；2、转子铁心；3、定子励磁线圈；4、永磁体；5、定子铁心；6、隔磁材料；7、控制气隙；8、偏置气隙。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实用新型提供了一种混合励磁型径向磁轴承，如图1至图3所示，该轴承功耗低、结构紧凑、电磁和永磁磁路并联解耦、可高速运行。

如图1所示，为本实用新型的混合励磁型径向磁轴承结构示意图，由转轴1、转子铁心2、定子励磁绕组3、永磁体4、定子铁心5、隔磁材料6、控制气隙7、偏置气隙8组成。永磁体4位于定子铁心5和隔磁材料6之间，与转轴1、转子铁心2一起构成永磁磁路。定子励磁绕组3位于定子铁心5内，与转子铁心2构成电励磁磁路。

本实用新型的定子铁心和转子铁心部分均采用高导磁性能的硅钢叠片材料，隔磁材料可根据实际进行选择铜材或者铝材，如果应用大容量场合需采用高强度的航空铝，如果应用于中小容量场合应选用易于加工的黄铜材料，转轴可采用高强度合金钢，导磁性能无影响。

在本实施例中，梯形永磁体4径向充磁或平行充磁，可形成一条回路，如图2所示。磁力线从永磁体N极出发，经定子铁心、控制气隙、转子铁心、偏置气隙，回到永磁体S极。在本实施例中，取气隙大小0.4mm，为中心对称结构。

本实用新型实施例电励磁磁路如图3所示。定子内的励磁绕组电流方向可以双向调节，以y轴方向为例，假定当励磁电流为正时，电励磁磁场方向沿y轴正向，由于永磁偏置磁场分别在两个控制气隙内产生方向相反的磁场(假定上控制气隙的磁场沿y轴向上)，两种磁场线性叠加，y轴上控制气隙内的磁场增强，y轴下控制气隙内的磁场削弱，转子铁心受到沿y轴向上的承载力；同理，当励磁线圈的电流为负时，转子铁心受到沿y轴向下的承载力。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种混合励磁型径向磁轴承，其特征在于，包括转子和定子，所述转子包括转轴和转子铁心，所述定子包括定子励磁绕组、永磁体、定子铁心和隔磁材料，所述永磁体嵌入定子铁心和隔磁材料之间，所述定子励磁绕组固定于定子铁心内部，所述定子铁心与转子铁心之间形成控制气隙，所述永磁体与转子铁心之间形成偏置气隙，所述永磁体径向充磁或平行充磁，在所述控制气隙和偏置气隙内产生永磁偏置磁场。

2.根据权利要求1所述的一种混合励磁型径向磁轴承，其特征在于，所述转子铁心与定子铁心的长度相同，且均为叠片结构，采用高强度硅钢材料，厚度为1mm以下。

3.根据权利要求1所述的一种混合励磁型径向磁轴承，其特征在于，所述永磁体包括4块梯形的永磁体，在圆周上呈90°均匀分布。

4.根据权利要求1所述的一种混合励磁型径向磁轴承，其特征在于，所述定子铁心与转子铁心之间设置4个控制气隙，定子励磁绕组和永磁体分别在其间产生控制磁场和偏置磁场。

5.根据权利要求1所述的一种混合励磁型径向磁轴承，其特征在于，所述永磁体与转子铁心之间形成4个偏置气隙，永磁体产生的偏置磁通在偏置气隙内产生偏置磁场。

6.根据权利要求1至5任一所述的一种混合励磁型径向磁轴承，其特征在于，所述永磁体、定子铁心、隔磁材料共同构成定子内圆，且其内径尺寸相同。