CN214888381U - 一种无推力盘的永磁偏置轴向磁悬浮轴承 - Google Patents

Abstract

本实用新型针对现有永磁偏置轴向磁悬浮轴承高速旋转时大直径推力盘所受离心力大，导致转子及其推力盘容易损坏的问题，公开了一种无推力盘的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，包括定子套筒、外轴向磁极A、中间轴向磁极、外轴向磁极B、轴向控制绕组A、轴向控制绕组B、转子永磁体、转子铁芯A、转子铁芯B和永磁体护套。与现有的永磁偏置轴向磁悬浮轴承相比，本实用新型不存在大直径的轴向推力盘，转子所承受离心力降低，不易损坏，提高了转子的动力学稳定性进而提升转速上限。

Description

一种无推力盘的永磁偏置轴向磁悬浮轴承

技术领域

本实用新型涉及磁悬浮技术领域，尤其涉及一种无推力盘的永磁偏置轴向磁悬浮轴承。

背景技术

1937年，Kemper申请了第一个磁悬浮技术专利，根据物体的悬浮状态，通过不断调整的磁场力来实现磁铁稳定悬浮，被认为是主动型磁悬浮磁轴承的研究基础。磁悬浮轴承是一种利用磁场力将转轴和载荷悬浮在空间中的高性能轴承,在高速旋转机械及许多特殊环境中具有广阔的应用前景。

磁悬浮轴承与普通机械轴承相比具有以下优点：1.可承受极高转速，通常来说，其圆周速度只受转轴材料强度的限制，可在超临界转速工况下工作；2.由于定、转子不直接接触，磁悬浮轴承具有较低的摩擦损耗；3.不受机械磨损，接触疲劳等因素制约，因此可连续工作，并具有很高的寿命和可靠性，降低维护成本；4.无需润滑，省去润滑系统，且消除润滑剂污染，因此在真空、超净工作环境中具有极大的优势；5.刚度和阻尼可控，满足高不平衡度机械需要，并且通过控制电流可以实时测量系统载荷。

按照气隙磁场建立方式的不同，可以将磁悬浮轴承分为以下三种类型：

1. 被动型磁悬浮轴承。被动型磁悬浮轴承的悬浮力来源于磁性材料间固有作用力，其结构简单，但悬浮性能较差，通常用于卸载静态负载力。在静态情况下，被动型磁悬浮轴承不能单独实现物体的五自由度稳定悬浮，但超导磁悬浮轴承不包括在内。

2. 电磁偏置型磁悬浮轴承。电磁偏置型磁悬浮轴承属于主动型磁悬浮轴承，悬浮力的产生机理为通入直流电的偏磁绕组在气隙中建立偏置磁场，通入实时控制的交变电流的控制绕组在气隙中建立控制磁场，这两个磁场在气隙中的叠加和抵消产生了大小和方向都可以主动控制的磁场吸力，从而实现了转子的稳定悬浮。这种类型的磁悬浮轴承刚度大，可以精密控制，但产生单位承载力所需的体积、重量和功耗也都比较大。

3. 永磁偏置型磁悬浮轴承。永磁偏置型磁悬浮轴承气隙中的偏置磁场由永磁体产生，控制磁场由通入交变电流的控制绕组产生。相比于电磁偏置型磁悬浮轴承，永磁偏置型磁悬浮轴承的结构更加紧凑，产生单位承载力所需的功耗也更小。因此，永磁偏置磁悬浮轴承在对功耗、体积要求越来越高的现代工业技术产业中拥有无可替代的优势。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术中现有永磁偏置轴向磁悬浮轴承高速旋转时由于大直径推力盘的存在、所受离心力大，导致转子及其推力盘容易损坏的问题，提供一种无推力盘的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，在无需轴向推力盘的情况下实现转子的轴向稳定悬浮。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种无推力盘的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，包括定子套筒、外轴向磁极A、中间轴向磁极、外轴向磁极B、轴向控制绕组A、轴向控制绕组B、转子永磁体、转子铁芯A、转子铁芯B和永磁体护套；

所述定子套筒、外轴向磁极A、外轴向磁极B、中间轴向磁极、转子铁芯A、转子铁芯B均采用软磁材料制成；

所述转子永磁体采用永磁材料制成，充磁方向为轴向充磁；

所述控制绕组A和控制绕组B均采用漆包线绕制而成；

所述外轴向磁极A、中间轴向磁极、外轴向磁极B均呈圆环状，且外径、内径均相等；所述外轴向磁极A、外轴向磁极B对称设置在中间轴向磁极两侧，且外轴向磁极A、中间轴向磁极、外轴向磁极B同轴；

所述控制绕组A、控制绕组B均呈圆环状，其中，控制绕组A嵌在外轴向磁极A与中间轴向磁极之间，控制绕组B嵌在外轴向磁极B与中间轴向磁极之间，外轴向磁极A和外轴向磁极B关于中间轴向磁极对称；

所述定子套筒为两端开口的空心圆柱体，其内壁分别和外轴向磁极A、中间轴向磁极、外轴向磁极B的外壁固连，且定子套筒一端和外轴向磁极A的外端面齐平，另一端和外轴向磁极B的外端面齐平；

所述永磁体护套为两端开口的空心圆柱体；

所述转子铁芯A、转子永磁体、转子铁芯B为半径相等的圆柱体，其中，转子铁芯A和转子铁芯B吸附在转子永磁体两侧端面上、关于转子永磁体对称，且转子铁芯A、转子永磁体、转子铁芯B同轴；

所述转子铁芯A、转子永磁体、转子铁芯B的的外壁和所述永磁体护套的内壁同轴固连，使得永磁体护套内形成关于转子永磁体对称的轴向气隙A、轴向气隙B；

所述永磁体护套和所述定子套筒同轴；永磁体护套设置在外轴向磁极A、中间轴向磁极、外轴向磁极B的通孔中，永磁体护套的外壁和外轴向磁极A的内壁之间形成径向气隙A、和中间轴向磁极的内壁之间形成径向气隙C、和外轴向磁极B的内壁之间形成径向气隙B。

作为本实用新型一种无推力盘的永磁偏置轴向磁悬浮轴承进一步的优化方案，所述转子永磁体和中间轴向磁极的中截面位于同一平面上。

作为本实用新型一种无推力盘的永磁偏置轴向磁悬浮轴承进一步的优化方案，所述外轴向磁极A与定子套筒之间通过螺栓固定，外轴向磁极B与定子套筒之间通过螺栓固定，中间轴向磁极与定子套筒之间通过螺栓固定。

作为本实用新型一种无推力盘的永磁偏置轴向磁悬浮轴承进一步的优化方案，转子永磁体的一个端面通过粘接胶和所述转子铁芯A固连，另一个端面通过粘接胶和所述转子铁芯B固连。

本实用新型的工作原理为，柱状转子永磁体通过转子铁芯A、轴向气隙A、永磁体护套、径向气隙A、外轴向磁极A、定子套筒、外轴向磁极B、径向气隙B、永磁体护套、轴向气隙B、转子铁芯B形成磁回路，在外轴向磁极与转子铁芯之间的轴向气隙中建立偏置磁场；两套控制绕组（控制绕组A、控制绕组B）中通入电流后，通过中间轴向磁极、径向气隙C、永磁体护套、转子铁芯、轴向气隙、永磁体护套、径向气隙、外轴向磁极、定子套筒形成磁回路，在外轴向磁极与转子铁芯之间的轴向气隙中建立控制磁场。控制磁场与偏置磁场在气隙中进行叠加，通过改变控制绕组中控制电流的大小和方向调节气隙中轴向叠加磁场的大小，产生可控的轴向悬浮力。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本实用新型采用转子永磁体建立偏置磁场，与现有的电磁偏置磁悬浮轴承相比具有较低的功耗；

2、本实用新型是一种无推力盘的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，与现有的永磁偏置轴向磁悬浮轴承相比，不存在大直径的轴向推力盘，转子所承受离心力降低，不易损坏，提高了转子的动力学稳定性进而提升转速上限。

附图说明

图1是本实用新型一种无推力盘的永磁偏置轴向磁悬浮轴承的结构剖视图；

图2是本实用新型磁悬浮轴承的磁路分布图；

图3是本实用新型磁悬浮轴承的应用框图。

图中，1-定子套筒，2-外轴向磁极A，3-中间轴向磁极，4-轴向控制绕组A，5-径向气隙A，6-永磁体护套，7-转子铁芯A，8-转子永磁体，9-轴向气隙A，10-外轴向磁极B，11-轴向控制绕组B，12-径向气隙B，13-径向气隙C，14-转子铁芯B，15-轴向气隙B。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

本实用新型可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本实用新型的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本实用新型公开了一种无推力盘的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，包括定子套筒1、外轴向磁极A2、中间轴向磁极3、外轴向磁极B10、轴向控制绕组A4、轴向控制绕组B11、转子永磁体8、转子铁芯A7、转子铁芯B14和永磁体护套6；

所述定子套筒1、外轴向磁极A2、外轴向磁极B10、中间轴向磁极3、转子铁芯A7、转子铁芯B14均采用软磁材料制成；

所述转子永磁体8采用永磁材料制成，充磁方向为轴向充磁；

所述控制绕组A4和控制绕组B11均采用漆包线绕制而成；

所述外轴向磁极A2、中间轴向磁极3、外轴向磁极B10均呈圆环状，且外径、内径均相等；所述外轴向磁极A2、外轴向磁极B10对称设置在中间轴向磁极3两侧，且外轴向磁极A2、中间轴向磁极3、外轴向磁极B10同轴；

所述控制绕组A4、控制绕组B11均呈圆环状，其中，控制绕组A4嵌在外轴向磁极A2与中间轴向磁极3之间，控制绕组B11嵌在外轴向磁极B10与中间轴向磁极3之间，外轴向磁极A2和外轴向磁极B10关于中间轴向磁极3对称；

所述定子套筒1为两端开口的空心圆柱体，其内壁分别和外轴向磁极A2、中间轴向磁极3、外轴向磁极B10的外壁固连，且定子套筒1一端和外轴向磁极A2的外端面齐平，另一端和外轴向磁极B10的外端面齐平；

所述永磁体护套6为两端开口的空心圆柱体；

所述转子铁芯A7、转子永磁体8、转子铁芯B14为半径相等的圆柱体，其中，转子铁芯A7和转子铁芯B14吸附在转子永磁体8两侧端面上、关于转子永磁体8对称，且转子铁芯A7、转子永磁体8、转子铁芯B14同轴；

所述转子铁芯A7、转子永磁体8、转子铁芯B14的的外壁和所述永磁体护套6的内壁同轴固连，使得永磁体护套6内形成关于转子永磁体8对称的轴向气隙A9、轴向气隙B15；

所述永磁体护套6和所述定子套筒1同轴；永磁体护套6设置在外轴向磁极A2、中间轴向磁极3、外轴向磁极B10的通孔中，永磁体护套6的外壁和外轴向磁极A2的内壁之间形成径向气隙A5、和中间轴向磁极3的内壁之间形成径向气隙C13、和外轴向磁极B10的内壁之间形成径向气隙B12。

所述径向气隙A5、径向气隙B12，径向气隙C13的壁厚相等。

所述转子永磁体8和中间轴向磁极3的中截面位于同一平面上；所述外轴向磁极A2与定子套筒1之间通过螺栓固定，外轴向磁极B10与定子套筒1之间通过螺栓固定，中间轴向磁极3与定子套筒1之间通过螺栓固定。

转子永磁体8的一个端面通过粘接胶和所述转子铁芯A7固连，另一个端面通过粘接胶和所述转子铁芯B14固连，使得三者之间的连接更牢固。

所述转子永磁体8产生的偏置磁场从转子永磁体8的N极流出经过转子铁芯A7、轴向气隙A9、永磁体护套6、径向气隙A5、外轴向磁极A2、定子套筒1、外轴向磁极B10、径向气隙B12、永磁体护套6、轴向气隙B15、转子铁芯B14回到转子永磁体8的S极。

如图2所示，所述轴向控制绕组A4通电流后，产生穿过中间轴向磁极3、径向气隙C13、永磁体护套6、转子铁芯A7、轴向气隙A9、永磁体护套6、径向气隙A5、外轴向磁极A2、定子套筒1的轴向控制磁场；所述轴向控制绕组B11通电流后，产生穿过中间轴向磁极3、径向气隙C13、永磁体护套6、转子铁芯B14、轴向气隙B15、永磁体护套6、径向气隙B12、外轴向磁极B10、定子套筒1的轴向控制磁场。

如图3所示，本实用新型磁悬浮轴承，在使用时，通过电机和径向磁悬浮轴承构成五自由度磁悬浮轴承电机系统。径向磁悬浮轴承为现有技术中已公开的技术。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种无推力盘的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于，包括定子套筒（1）、外轴向磁极A（2）、中间轴向磁极（3）、外轴向磁极B（10）、轴向控制绕组A（4）、轴向控制绕组B（11）、转子永磁体（8）、转子铁芯A（7）、转子铁芯B（14）和永磁体护套（6）；

所述定子套筒（1）、外轴向磁极A（2）、外轴向磁极B（10）、中间轴向磁极（3）、转子铁芯A（7）、转子铁芯B（14）均采用软磁材料制成；

所述转子永磁体（8）采用永磁材料制成，充磁方向为轴向充磁；

所述控制绕组A（4）和控制绕组B（11）均采用漆包线绕制而成；

所述外轴向磁极A（2）、中间轴向磁极（3）、外轴向磁极B（10）均呈圆环状，且外径、内径均相等；所述外轴向磁极A（2）、外轴向磁极B（10）对称设置在中间轴向磁极（3）两侧，且外轴向磁极A（2）、中间轴向磁极（3）、外轴向磁极B（10）同轴；

所述控制绕组A（4）、控制绕组B（11）均呈圆环状，其中，控制绕组A（4）嵌在外轴向磁极A（2）与中间轴向磁极（3）之间，控制绕组B（11）嵌在外轴向磁极B（10）与中间轴向磁极（3）之间，外轴向磁极A（2）和外轴向磁极B（10）关于中间轴向磁极（3）对称；

所述定子套筒（1）为两端开口的空心圆柱体，其内壁分别和外轴向磁极A（2）、中间轴向磁极（3）、外轴向磁极B（10）的外壁固连，且定子套筒（1）一端和外轴向磁极A（2）的外端面齐平，另一端和外轴向磁极B（10）的外端面齐平；

所述永磁体护套（6）为两端开口的空心圆柱体；

所述转子铁芯A（7）、转子永磁体（8）、转子铁芯B（14）为半径相等的圆柱体，其中，转子铁芯A（7）和转子铁芯B（14）吸附在转子永磁体（8）两侧端面上、关于转子永磁体（8）对称，且转子铁芯A（7）、转子永磁体（8）、转子铁芯B（14）同轴；

所述转子铁芯A（7）、转子永磁体（8）、转子铁芯B（14）的外壁和所述永磁体护套（6）的内壁同轴固连，使得永磁体护套（6）内形成关于转子永磁体（8）对称的轴向气隙A（9）、轴向气隙B（15）；

所述永磁体护套（6）和所述定子套筒（1）同轴；永磁体护套（6）设置在外轴向磁极A（2）、中间轴向磁极（3）、外轴向磁极B（10）的通孔中，永磁体护套（6）的外壁和外轴向磁极A（2）的内壁之间形成径向气隙A（5）、和中间轴向磁极（3）的内壁之间形成径向气隙C（13）、和外轴向磁极B（10）的内壁之间形成径向气隙B（12）。

2.根据权利要求1所述的无推力盘的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述转子永磁体（8）和中间轴向磁极（3）的中截面位于同一平面上。

3.根据权利要求1所述的无推力盘的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于，所述外轴向磁极A（2）与定子套筒（1）之间通过螺栓固定，外轴向磁极B（10）与定子套筒（1）之间通过螺栓固定，中间轴向磁极（3）与定子套筒（1）之间通过螺栓固定。

4.如权利要求1所述的无推力盘的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于：转子永磁体（8）的一个端面通过粘接胶和所述转子铁芯A（7）固连，另一个端面通过粘接胶和所述转子铁芯B（14）固连。

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