CN219865906U - 永磁偏置径向磁轴承及飞轮储能装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于磁悬浮技术领域，公开了一种永磁偏置径向磁轴承及飞轮储能装置。其中，永磁偏置径向磁轴承包括转子组件和定子组件。定子组件包括多个控制线圈、至少两组槽楔组件、永磁体和至少两个定子铁芯，定子铁芯包括轭部和多个磁极，同一定子铁芯的任意相邻两个磁极与轭部围合形成槽口朝向转子组件的容置槽；每个磁极上均设有一个控制线圈，永磁体夹设于至少两个相邻的轭部之间；至少两组槽楔组件分别安装于对应的定子铁芯，每组槽楔组件包括多个定子槽楔，同一槽楔组件的定子槽楔的数量与对应的定子铁芯的容置槽的数量相等且一一对应，定子槽楔设置于槽口。通过将定子槽楔设置于容置槽的槽口处，能阻止控制线圈经槽口从磁极上脱落下来。

Description

永磁偏置径向磁轴承及飞轮储能装置

技术领域

本实用新型涉及磁悬浮技术领域，尤其涉及一种永磁偏置径向磁轴承及飞轮储能装置。

背景技术

磁轴承包括纯电磁式磁轴承和永磁偏置加电磁控制的混合式磁轴承，纯电磁式磁轴承使用电流大、功耗大，永磁偏置加电磁控制的混合式磁轴承的永磁体产生的磁场承担主要的承载力，电磁磁场提供辅助的调节承载力，因而这种磁轴承可大大减小控制电流，降低损耗。相关技术中，由于设计的局限，永磁偏置加电磁控制的混合式磁轴承中的控制线圈易于从磁极脱落。

实用新型内容

本实用新型的第一个目的在于提供一种永磁偏置径向磁轴承，其旨在解决控制线圈易从磁极上脱落的技术问题。

为达到上述目的，本实用新型提供的方案是：一种永磁偏置径向磁轴承，包括转子组件和环设于所述转子组件周向的定子组件，所述转子组件与所述定子组件之间具有气隙，所述定子组件包括：

至少两个定子铁芯，至少两个所述定子铁芯沿轴向正对且间隔设置，所述定子铁芯包括环形的轭部以及连接于所述轭部且绕所述转子组件周向均匀分布的多个磁极，每个所述磁极沿径向自所述轭部的内侧朝靠近所述转子组件的方向延伸，同一所述定子铁芯的任意相邻两个所述磁极间隔设置且与所述轭部围合形成容置槽，所述容置槽具有朝向所述转子组件设置的槽口；

多个控制线圈，每个所述磁极上均设有一个所述控制线圈，所述容置槽用于供所述控制线圈穿过；

永磁体，所述永磁体夹设于至少两个相邻的所述轭部之间；

至少两组槽楔组件，至少两组所述槽楔组件分别安装于对应的所述定子铁芯，每组所述槽楔组件包括多个定子槽楔，同一所述槽楔组件的所述定子槽楔的数量与对应的所述定子铁芯的所述容置槽的数量相等且一一对应，所述定子槽楔设置于所述槽口。

作为一种实施方式，所述定子槽楔的两侧分别连接相邻的两个所述磁极，以密封所述槽口。

作为一种实施方式，所述定子槽楔设有第一连接件，所述磁极设有与所述第一连接件卡接配合的第二连接件，所述第一连接件和所述第二连接件中的一者为卡槽、另一者为凸起。

作为一种实施方式，所述定子槽楔之朝向所述容置槽的一侧具有凹陷。

作为一种实施方式，所述凹陷呈V型。

作为一种实施方式，所述永磁偏置径向磁轴承的中轴线到所述定子槽楔的距离与所述永磁偏置径向磁轴承的中轴线到所述磁极的距离相等；且/或，

所述定子槽楔和所述定子铁芯为同一种导磁材料制成的部件。

作为一种实施方式，所述永磁体的数量为多个，多个所述永磁体沿所述转子组件的周向环形分布；

所述定子组件还包括用于夹设于相邻两个所述定子铁芯之间的隔磁件，所述隔磁件具有多个第一固定槽，所述第一固定槽的数量与夹设于相邻两个定子铁芯之间的所述永磁体的数量相同，一个所述永磁体安装于一个所述第一固定槽内。

作为一种实施方式，所述隔磁件还具有多个第二固定槽，所述第二固定槽的数量与一个所述定子铁芯的所述磁极的数量相同，正对设置于夹设有所述隔磁件的两个所述定子铁芯的两个所述控制线圈均部分容置于同一个所述第二固定槽内；且/或，

所述隔磁件包括支撑环，所述支撑环用于支撑所述槽楔组件。

作为一种实施方式，所述磁极呈扇环形。

作为一种实施方式，所述转子组件包括转子导磁环、隔磁环和至少两个转子铁芯；

所述转子导磁环用于套设于独立于所述永磁偏置径向磁轴承之外的转轴的外周；所述隔磁环和至少两个所述转子铁芯均套设于所述转子导磁环的外周，并且所述隔磁环沿轴向夹设于至少两个相邻的所述转子铁芯之间；

所述转子铁芯的数量和所述定子铁芯的数量相同且一一对应，并且所述转子铁芯的高度大于所述磁极的高度。

本实用新型的第二个目的在于提供一种飞轮储能装置，包括：

飞轮转子，所述飞轮转子包括飞轮轴；

上述的永磁偏置径向磁轴承，所述转子组件套设于所述飞轮轴的外周。

本实用新型提供的永磁偏置径向磁轴承及飞轮储能装置，通过将定子槽楔设置于容置槽的槽口处，对容置槽的槽口具有遮挡作用，从而避免控制线圈经槽口从磁极上脱落。

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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的永磁偏置径向磁轴承和转轴的一个视角的装配结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的永磁偏置径向磁轴承和转轴的装配俯视图；

图3是图2中沿线A-A的剖视图；

图4是本实用新型实施例提供的定子组件的结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的定子铁芯的结构示意图；

图6是本实用新型实施例提供的定子槽楔的结构示意图；

图7是本实用新型实施例提供的隔磁件的结构示意图；

图8是本实用新型实施例提供的转子组件的结构示意图。

附图标号说明：

100、永磁偏置径向磁轴承；10、转子组件；11、转子导磁环；12、隔磁环；13、转子铁芯；20、定子组件；21、定子铁芯；211、轭部；212、磁极；2121、第二连接件；213、容置槽；2131、槽口；22、控制线圈；23、永磁体；24、槽楔组件；241、定子槽楔；2411、第一连接件；2412、凹陷；25、隔磁件；251、第一固定槽；252、第二固定槽；253、支撑环；30、气隙；200、转轴。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本实用新型中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

为使得读者更容易理解本实用新型实施例的内容，以下对本实用新型实施例出现的专有名词进行解释说明：

永磁偏置，是指永磁体在气隙中产生偏置磁场，当转子组件发生平动或转动时，使气隙变大的同一通道的控制线圈中通入与偏置磁场方向相同的力，而使气隙变小的同一通道的控制线圈中通入与偏置磁场相反的力，以使转子组件实现稳定悬浮。

由于永磁偏置加电磁控制的混合式磁轴承中，电磁磁场不承担主要的承载力，仅提供辅助的调节承载力，因此大大减小控制电流，降低线圈损耗以及功放电路的损耗，还减小轴承的体积和重量，故受到了广泛的应用。但是，由于设计的局限，目前混合式磁轴承的控制线圈容易从磁极上脱落，对磁轴承的使用造成影响。

鉴于此，本实用新型提供一种永磁偏置径向磁轴承，以避免控制线圈从磁极上脱落。

本实用新型提供的永磁偏置径向磁轴承可应用于磁悬浮储能飞轮或者磁悬浮鼓风机或者磁悬浮电机或者磁悬浮压缩机或者磁悬浮偏置动量轮或者磁悬浮控制力矩陀螺等任意一种高速运动场合。

如图1所示，本实用新型实施例提供的永磁偏置径向磁轴承100，包括转子组件10和环设于转子组件10周向的定子组件20，转子组件10与定子组件20之间具有气隙30。具体应用中，转子组件10转动连接独立于永磁偏置径向磁轴承100之外的转轴200，并在转轴200的带动下转动，定子组件20固定不动。

参照图2至图5所示，作为一种实施方式，定子组件20包括至少两个定子铁芯21、多个控制线圈22和永磁体23；至少两个定子铁芯21沿轴向正对且间隔设置，定子铁芯21包括环形的轭部211以及连接于轭部211且绕转子组件10周向均匀分布的多个磁极212，每个磁极212沿径向自轭部211的内侧朝靠近转子组件10的方向延伸，同一定子铁芯21的任意相邻两个磁极212间隔设置且与轭部211围合形成容置槽213，容置槽213具有朝向转子组件10设置的槽口2131；每个磁极212上均设有一个控制线圈22，容置槽213用于供控制线圈22穿过；永磁体23夹设于至少两个相邻的轭部211之间。通过设置永磁体23，永磁体23为磁轴承提供永磁偏置磁场，承担主要的承载力；通过设置控制线圈22，控制线圈22产生的控制磁场与永磁体23产生的偏置磁场正向/反向叠加，提供辅助的调节承载力，以使转子组件10与定子组件20之间的气隙30保持均匀，进而实现定子组件20对转子组件10的无接触悬浮支撑。另外，相对于纯电磁式磁轴承，定子铁芯21的体积以及控制线圈22的用量都减小，从而使磁轴承的整体体积缩小。具体应用中，磁极212的数量至少为四个且为偶数。

具体地，控制线圈22预先通过专用的线圈制备装置制造好，然后穿过磁极212两侧的容置槽213的槽口2131安装到磁极212上。当然，也可以直接在磁极212上绕线以形成控制线圈22。

作为一种实施方式，磁轴承采用同极式结构，这样，在转轴200上任一平面内，在圆周方向上磁场极性是相同的，即磁通不是交变的，使得转轴200带动转子组件10高速旋转时，转子组件10内磁场大小不会有显著变化，并降低转子组件10铁损。

参照图4所示，作为一种实施方式，定子组件20还包括至少两组槽楔组件24，至少两组槽楔组件24分别安装于对应的定子铁芯21。具体地，槽楔组件24的数量与定子铁芯21的数量相同，每组槽楔组件24对应安装于一个定子铁芯21上。本实施例中，定子铁芯21和槽楔组件24的数量都为两个。

参照图4和图5所示，作为一种实施方式，每组槽楔组件24包括多个定子槽楔241，同一槽楔组件24的定子槽楔241的数量与对应的定子铁芯21的容置槽213的数量相等且一一对应，定子槽楔241设置于槽口2131。也就是说，每个容置槽213的槽口2131处设有一个定子槽楔241，通过将定子槽楔241设置于容置槽213的槽口2131处，对容置槽213的槽口2131具有遮挡作用，从而避免控制线圈22经槽口2131从磁极212上脱落下来。

作为一种实施方式，定子槽楔241的两侧分别连接相邻的两个磁极212，以密封槽口2131。通过定子槽楔241将容置槽213的槽口2131密封，使槽口2131完全被定子槽楔241遮挡，由此更加有效地避免控制线圈22经槽口2131从磁极212上脱落。另外，将定子槽楔241的两侧与相邻的两个磁极212相连接，增加了定子槽楔241安装的稳固性。

作为一种实施方式，定子槽楔241和定子铁芯21为同一种导磁材料制成的部件。具体地，定子槽楔241和定子铁芯21为同一种软磁材料制成的部件，如此设置，能减少线圈产生的涡流，有助于形成回路，能降低转子组件10的损耗。其中，软磁材料包括但不限于纯铁、45#等。

参照图5和图6所示，作为一种实施方式，定子槽楔241设有第一连接件2411，磁极212设有与第一连接件2411卡接配合的第二连接件2121，定子槽楔241通过第一连接件2411和第二连接件2121的卡接配合密封于槽口2131处。即，定子槽楔241通过第一连接件2411和第二连接件2121的卡接配合安装于相邻的两个磁极212之间，安装方便、快捷。当然，具体应用中，作为替代的实施方案，定子槽楔241通过其他连接方式密封于槽口2131处也是可以的，比如粘贴或者过盈配合等等。

作为一种实施方式，第一连接件2411和第二连接件2121中的一者为卡槽、另一者为凸起。结构简单，制造方便、快捷；并且，将第一连接件2411和第二连接件2121设置为卡槽和凸起结构，能防止定子槽楔241沿径向移动。本实施例中，第一连接件2411为凸起，第二连接件2121为卡槽。可以理解，其他实施例中，第一连接件2411为卡槽，第二连接件2121为凸起也是可以的。

参照图5和图6所示，作为一种实施方式，定子槽楔241之朝向容置槽213的一侧具有凹陷2412。如此设置，可扩大容置槽213容置控制线圈22的空间，有助于容置体积较大的控制线圈22，提高控制线圈22的性能。当然，作为替代的实施方案，定子槽楔241之朝向容置槽213的一侧不设置凹陷2412也是可以的。

作为一种实施方式，凹陷2412呈V型。如此设置，在确保定子槽楔241稳定连接于磁极212的情况下，尽可能地扩大容置槽213的容置空间。当然，具体应用中，凹陷2412也可以为其他形状，比如弧形，需要注意的是，在此并不对凹陷2412的形状进行限制。

需要说明的是，本申请的定子槽楔241是独立于磁极212的部件；如此，控制线圈22可预先通过专用的线圈制备装置制造好，然后穿过磁极212两侧的容置槽213的槽口2131安装到磁极212上后，再将定子槽楔241安装至槽口2131处。

作为一种实施方式，永磁偏置径向磁轴承100的中轴线到定子槽楔241的距离与永磁偏置径向磁轴承100的中轴线到磁极212的距离相等。如此设置，一方面避免定子槽楔241伸入到气隙30中，另一方面避让定子槽楔241过度伸入容置槽213内占据控制线圈22的容置空间。

作为一种实施方式，永磁体23的数量为多个，多个永磁体23沿转子组件10的周向环形分布。可以理解，在其他实施例中，永磁体23的数量为一个也是可以的，此时，永磁体23可为一个环形结构部件。

参照图3、图4和图7所示，作为一种实施方式，定子组件20还包括用于夹设于相邻两个定子铁芯21之间的隔磁件25，隔磁件25具有多个第一固定槽251，第一固定槽251的数量与夹设于相邻两个定子铁芯21之间的永磁体23的数量相同，一个永磁体23安装于一个第一固定槽251内。通过设置隔磁件25，防止上下磁路的干扰。通过在隔磁件25上间隔设置多个第一固定槽251，将永磁体23设置在第一固定槽251内，防止永磁体23移动，提高了永磁体23安装的稳固性，也有利于加工和装配。本实施例中，永磁体23采用高性能的钐钴合金或者钕铁硼合金制成，隔磁件25由导热性能较佳的硬铝2A12或者超硬铝7A09等无磁合金制成。

参照图4、图5和图7所示，作为一种实施方式，隔磁件25还具有多个第二固定槽252，第二固定槽252的数量与一个定子铁芯21的磁极212的数量相同，正对设置于夹设有隔磁件25的两个定子铁芯21的两个控制线圈22均部分容置于同一个第二固定槽252内。该种设置方式，使得定子组件20各部件的布局更加合理、紧凑，避免空间的浪费。具体应用中，控制线圈22安装于磁极212上后，向第二固定槽252内灌封环氧树脂，以使控制线圈22绝缘。

参照图4和图7所示，作为一种实施方式，隔磁件25包括支撑环253，支撑环253用于支撑槽楔组件24。如此设置，提高定子槽楔241的安装稳固性。

作为一种实施方式，磁极212呈扇环形。通过将磁极212设置为扇环形，优化了容置槽213的槽口2131结构，可以改变转子组件10向磁场的不连续性。并且，相对于直条形的磁极212，扇环形的磁极212，利用率增大，性能增强；另外，扇环形的磁极212提高了控制线圈22容置于容置槽213内的槽满率，进一步提高控制线圈22的性能。

参照图3和图8所示，作为一种实施方式，转子组件10包括转子导磁环11、隔磁环12和至少两个转子铁芯13；转子导磁环11用于套设于独立于永磁偏置径向磁轴承之外的转轴200的外周；隔磁环12和至少两个转子铁芯13均套设于转子导磁环11的外周，并且隔磁环12沿轴向夹设于至少两个相邻的转子铁芯13之间。通过设置转子导磁环11，转子导磁环11套设在转轴200的外周，相对于不设置转子导磁环11的转子组件而言，被套设有转子导磁环11的转轴200的径向尺寸更小，即转轴200更细，有助于提升转轴200的弯曲频率，利于转轴200旋转。另外，通过采用隔磁环12，可以降低转子组件10的用铁量，并降低转子组件10的铁损。本实施例中，转子铁芯13由硅钢片制成，隔磁环12由高强度的铝合金材质制成，转子导磁环11由良好的导磁材料制成。具体应用中，将转子组件10装配到转轴200的流程为：先将转子铁芯13和隔磁环12装配到转子导磁环11上，然后再将整个转子组件10装配到转轴200上。当然，作为替代的实施方案，转子组件10不设置转子导磁环11也是可以的，此时，转子铁芯13和隔磁环12直接套设在转轴200的外周。

作为一种实施方式，转子铁芯13的数量和定子铁芯21的数量相同且一一对应，并且转子铁芯13的高度大于磁极212的高度。即转子铁芯13在轴向的尺寸大于与其对应的磁极212在轴向的尺寸，这样，既使在装配过程中转子铁芯13相对于磁极212发生稍微的错位，磁通照样可以进入转子铁芯13，对磁极212的性能不造成影响，从而减少了转子组件10和定子组件20因装配误差产生错位而造成的影响。

进一步地，本实用新型实施例还提供一种飞轮储能装置，包括飞轮转子和上述的永磁偏置径向磁轴承100，飞轮转子包括飞轮轴，转子组件10套设于飞轮轴的外周，其中，上述的转轴200可以为飞轮轴。通过采用上述永磁偏置径向磁轴承100，避免控制线圈22的脱落，并降低了转子组件10的损耗。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种永磁偏置径向磁轴承，其特征在于，包括转子组件和环设于所述转子组件周向的定子组件，所述转子组件与所述定子组件之间具有气隙，所述定子组件包括：

至少两个定子铁芯，至少两个所述定子铁芯沿轴向正对且间隔设置，所述定子铁芯包括环形的轭部以及连接于所述轭部且绕所述转子组件周向均匀分布的多个磁极，每个所述磁极沿径向自所述轭部的内侧朝靠近所述转子组件的方向延伸，同一所述定子铁芯的任意相邻两个所述磁极间隔设置且与所述轭部围合形成容置槽，所述容置槽具有朝向所述转子组件设置的槽口；

多个控制线圈，每个所述磁极上均设有一个所述控制线圈，所述容置槽用于供所述控制线圈穿过；

永磁体，所述永磁体夹设于至少两个相邻的所述轭部之间；

至少两组槽楔组件，至少两组所述槽楔组件分别安装于对应的所述定子铁芯，每组所述槽楔组件包括多个定子槽楔，同一所述槽楔组件的所述定子槽楔的数量与对应的所述定子铁芯的所述容置槽的数量相等且一一对应，所述定子槽楔设置于所述槽口。

2.如权利要求1所述的永磁偏置径向磁轴承，其特征在于，所述定子槽楔的两侧分别连接相邻的两个所述磁极，以密封所述槽口。

3.如权利要求2所述的永磁偏置径向磁轴承，其特征在于，所述定子槽楔设有第一连接件，所述磁极设有与所述第一连接件卡接配合的第二连接件，所述第一连接件和所述第二连接件中的一者为卡槽、另一者为凸起。

4.如权利要求1至3任一项所述的永磁偏置径向磁轴承，其特征在于，所述定子槽楔之朝向所述容置槽的一侧具有凹陷。

5.如权利要求4所述的永磁偏置径向磁轴承，其特征在于，所述凹陷呈V型。

6.如权利要求1至3任一项所述的永磁偏置径向磁轴承，其特征在于，所述永磁偏置径向磁轴承的中轴线到所述定子槽楔的距离与所述永磁偏置径向磁轴承的中轴线到所述磁极的距离相等；且/或，

所述定子槽楔和所述定子铁芯为同一种导磁材料制成的部件。

7.如权利要求1至3任一项所述的永磁偏置径向磁轴承，其特征在于，所述永磁体的数量为多个，多个所述永磁体沿所述转子组件的周向环形分布；

所述定子组件还包括用于夹设于相邻两个所述定子铁芯之间的隔磁件，所述隔磁件具有多个第一固定槽，所述第一固定槽的数量与夹设于相邻两个定子铁芯之间的所述永磁体的数量相同，一个所述永磁体安装于一个所述第一固定槽内。

8.如权利要求7所述的永磁偏置径向磁轴承，其特征在于，所述隔磁件还具有多个第二固定槽，所述第二固定槽的数量与一个所述定子铁芯的所述磁极的数量相同，正对设置于夹设有所述隔磁件的两个所述定子铁芯的两个所述控制线圈均部分容置于同一个所述第二固定槽内；且/或，

所述隔磁件包括支撑环，所述支撑环用于支撑所述槽楔组件。

9.如权利要求1至3任一项所述的永磁偏置径向磁轴承，其特征在于，所述磁极呈扇环形。

10.如权利要求1至3任一项所述的永磁偏置径向磁轴承，其特征在于，所述转子组件包括转子导磁环、隔磁环和至少两个转子铁芯；

所述转子导磁环用于套设于独立于所述永磁偏置径向磁轴承之外的转轴的外周；所述隔磁环和至少两个所述转子铁芯均套设于所述转子导磁环的外周，并且所述隔磁环沿轴向夹设于至少两个相邻的所述转子铁芯之间；

所述转子铁芯的数量和所述定子铁芯的数量相同且一一对应，并且所述转子铁芯的高度大于所述磁极的高度。

11.一种飞轮储能装置，其特征在于，包括：

飞轮转子，所述飞轮转子包括飞轮轴；

如权利要求1至10任一项所述的永磁偏置径向磁轴承，所述转子组件套设于所述飞轮轴的外周。