CN211693236U - 五自由度磁悬浮轴承系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种五自由度磁悬浮轴承系统，包括两个导磁体、一个隔磁体、一个转轴、一个高速电机、两个结构相同的永磁偏置磁轴承，置于转轴两端的永磁偏置磁轴承包括轴向定子磁极和轴向控制绕组,轴向控制绕组绕设于轴向定子磁极上，轴向定子分置于转轴两端；轴向转子铁芯套装在转轴上。永磁偏置磁轴承还包括径向定子磁极和径向控制绕组，径向控制绕组套装在径向定子磁极上；径向充磁的永磁环贴装在径向定子磁极的外表面，并置于轴向定子的内表面。导磁体套装在转轴上，隔磁体置于高速电机定子外表面，套装于轴向定子内。此系统将轴向定子分置于转轴两端，使结构简化，设计安装方便。两侧使用相同的磁轴承，提高了系统的互换性。

Description

五自由度磁悬浮轴承系统

技术领域

本实用新型涉及一种混合磁轴承技术和高速电机相结合的五自由度磁悬浮轴承系统。

背景技术

现代航空、航天、汽车工业、机械加工和生产等领域中越来越离不开高速和超高速电机的发展，特别是在航空、航天、航海、汽车摩托车工业、机械加工和生产等领域高速电机获得了广泛应用。但是轴承支撑技术一直是限制高速电机实现大功率实用化的障碍。当前角接触球轴承由于接触磨损发热，承载力和刚度小，极易发生机械故障而停工停产，造成重大的经济损失甚至人员的伤亡。磁悬浮轴承是利用定子和转子之间的磁力作用将转子悬浮于空间，使定子和转子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承，由于定、转子之间不存在机械上的接触，所以磁悬浮轴承的转子可达到很高的运转转速，并且具有机械磨损小、能耗低、寿命长、无润滑、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。

但传统高速电机系统多采用两个径向电磁轴承和一个轴向电磁轴承取代机械轴承来控制电机的五个自由度悬浮，占有相当的轴向空间，结构复杂，可靠性和安全性不高。近年来，国内外众多学者提出了多种形式的三自由度混合型轴向/径向磁轴承和径向磁轴承构建五自由度磁悬浮轴承系统，这类三自由度混合型磁轴承采用永磁材料替代主动磁轴承中的电磁铁来产生偏置磁场，也称永磁偏置磁轴承，大大降低了因偏置电流产生的功率损耗，同时部分解决了磁轴承轴向空间利用率低的问题，但其设计、安装相对比较复杂，尤其对轴向安装要求较高，一侧都需做成哈弗结构，导致磁路磁阻增大，安装复杂。

发明内容

本实用新型的目的，在于提供一种五自由度磁悬浮轴承系统，其结构简单，安装方便。

为了达成上述目的，本实用新型的解决方案是：

本实用新型提供一种五自由度磁悬浮轴承系统，包括转轴、导磁体、隔磁体、高速电机、两个结构相同的永磁偏置磁轴承，所述永磁偏置磁轴承包括轴向定子组件和轴向转子组件、径向定子组件和径向转子组件，其中，轴向定子组件包括轴向定子磁极和轴向控制绕组，轴向定子磁极由实心软磁材料制成，轴向控制绕组绕设于轴向定子磁极上；轴向转子组件包括转子铁芯，转子铁芯由硅钢片叠压而成，套装在转轴上，从而与轴向定子磁极形成轴向气隙。径向定子组件包括径向充磁的永磁环、径向定子磁极和径向控制绕组，永磁环由钕铁硼制成，径向定子磁极由硅钢片叠压而成，永磁环贴装在径向定子磁极的外表面，并置于轴向定子的内表面，径向控制绕组套装在径向定子磁极上；径向转子组件与轴向转子组件共用转子铁芯，转子铁芯与径向定子磁极形成径向气隙。导磁体套装在转轴上，置于高速电机转子与转子铁芯之间，隔磁体置于高速电机定子外表面，套装于轴向定子内。

上述轴向定子由实心软磁材料制成。

上述径向定子由硅钢片叠压制成。

上述转子铁芯由硅钢片叠压而成。

上述永磁环由钕铁硼制成。

采用上述方案后，本实用新型的五自由度永磁偏置磁悬浮轴承系统，将高速电机和永磁偏置磁轴承技术有机的结合起来，其利用位于转轴两端的两个相同的永磁偏置磁轴承实现转子的五自由度悬浮，利用两个径向充磁的环状永磁体来建立静态偏置磁场，相对于传统的五自由度磁轴承系统，将轴向定子置于转轴两端，大为减小了系统的安装和设计困难，降低了系统的轴向安装难度，并且具有较短的轴向空间，两侧使用相同的磁轴承，提高了系统的互换性。在汽车/摩托车工业、模具加工、纺织和化工机械等高速应用场合具有广阔的应用前景，将其利用于航空航天和舰艇等国防领域则更具有重要意义。

附图说明

图1是本实用新型的结构平面示意图；

图2是本实用新型的原理图；

具体实施方式

以下将结合附图，对本实用新型的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本实用新型提供一种五自由度磁悬浮轴承系统，包括转轴5、导磁体6、隔磁体9、高速电机10、两个结构相同的永磁偏置磁轴承，下面分别介绍。

所述永磁偏置磁轴承包括轴向定子组件和轴向转子组件、径向定子组件和径向转子组件，其中，轴向定子组件包括轴向定子磁极1和轴向控制绕组2，轴向定子磁极1由实心软磁材料制成，轴向控制绕组2绕设于轴向定子磁极1上；轴向转子组件包括转子铁芯4，转子铁芯4由硅钢片叠压而成，套装在转轴5上，从而与轴向定子磁极1形成轴向气隙。径向定子组件包括径向充磁的永磁环8、径向定子磁极3和径向控制绕组7，永磁环由钕铁硼制成，径向定子磁极3由硅钢片叠压而成，永磁环2贴装在径向定子磁极3的外表面，并置于轴向定子1的内表面，径向控制绕组7套装在径向定子磁极3上；径向转子组件与轴向转子组件共用转子铁芯4，转子铁芯4与径向定子磁极3形成径向气隙。

本实用新型的轴承五自由度悬浮基本工作原理是：位于转轴两端的两个永磁偏置磁轴承实现五自由度悬浮，其轴向悬浮的基本工作原理是：径向充磁的环状永磁体产生的永磁偏置磁通经过径向定子、径向气隙、轴向气隙和轴向定子，形成闭合回路，如图2中实线所示，当转子位于轴向平衡位置时，由于结构的对称性，在转子铁芯轴向端面的右面气隙和左面气隙处的磁通是相等的，此时左右吸力相等。如果在此时转子受到一个向左的外扰力，转子就会偏离平衡位置向左运动，造成环状永磁体产生的左右的磁通变化，即右面的气隙增大，磁通减小，即轴向磁通分量减小；左面的气隙减小，磁通增大，即轴向磁通分量增大。由于磁场吸力与磁通的平方成正比，因此右边的吸力小于左边的吸力，在加入控制磁通前，转子将无法回到平衡位置。此时位移传感器检测出转子偏离其参考位置的位移量，控制器将这一位移信号变换成控制信号，功率放大器又将此控制信号变换成控制电流，这个电流流经位于转轴两端套装在轴向定子上的轴向控制绕组，产生控制磁通，经过轴向定子、轴向气隙、转子铁芯、导磁体、电机转子形成闭合回路，如图2中单虚线所示，这个控制磁通与气隙中的轴向偏置磁通叠加，使转子右面气隙中的磁通增加，左面气隙中的磁通减小，产生一个向右的吸力，将转子拉回平衡位置。同理，转子受到轴向向左的外扰动，基于上述原理同样能使转子回复到平衡位置。四自由度径向磁悬浮的工作原理（以垂直方向为例）是：径向定子铁芯上绕有控制绕组，当转子受到一个向下的扰动力偏离平衡位置，位移传感器检测出转子偏离其参考位置的位移量，控制器将这一位移信号变换成控制信号，控制信号变换成控制电流，在控制绕组中产生控制磁通与径向气隙中的偏置磁通叠加，使转子回复到平衡位置。同理，无论转子受到向上、向右或向左的扰动力，带位置负反馈的永磁偏置轴向径向磁轴承通过控制器控制励磁绕组中的电流，调节气隙磁通的大小，始终能保持转子在平衡位置。同理，另一端的两自由度永磁偏置径向磁轴承径向悬浮机理与上述相同，实现了转子四自由度的径向悬浮。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims (5)

1.一种五自由度磁悬浮轴承系统，其特征在于：包括两个导磁体、一个隔磁体、一个转轴、一个高速电机、两个结构相同的永磁偏置磁轴承，所述永磁偏置磁轴承包括轴向定子组件和轴向转子组件、径向定子组件和径向转子组件，其中，轴向定子组件包括轴向定子磁极和轴向控制绕组，轴向定子磁极由实心软磁材料制成，轴向控制绕组绕设于轴向定子磁极上；轴向转子组件包括转子铁芯，转子铁芯由硅钢片叠压而成，套装在转轴上，从而与轴向定子磁极形成轴向气隙；径向定子组件包括径向充磁的永磁环、径向定子磁极和径向控制绕组，永磁环由钕铁硼制成，径向定子磁极由硅钢片叠压而成，永磁环贴装在径向定子磁极的外表面，并置于轴向定子的内表面，径向控制绕组套装在径向定子磁极上；径向转子组件与轴向转子组件共用转子铁芯，转子铁芯与径向定子磁极形成径向气隙；导磁体套装在转轴上，置于高速电机转子与转子铁芯之间，隔磁体置于高速电机定子外表面，套装于轴向定子内。

2.如权利要求1所述的一种五自由度磁悬浮轴承系统，其特征在于：上述轴向定子由实心软磁材料制成。

3.如权利要求1所述的一种五自由度磁悬浮轴承系统，其特征在于：上述径向定子由硅钢片叠压制成。

4.如权利要求1所述的一种五自由度磁悬浮轴承系统，其特征在于：上述转子铁芯由硅钢片叠压而成。

5.如权利要求1所述的一种五自由度磁悬浮轴承系统，其特征在于：上述永磁环由钕铁硼制成。

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