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CN101907131B - 一种具有容错功能的永磁偏置内转子径向磁轴承 - Google Patents

一种具有容错功能的永磁偏置内转子径向磁轴承 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种具有容错功能的永磁偏置内转子径向磁轴承，包括左外导磁环、右外导磁环、永磁体、左定子铁芯、右定子铁芯、激磁线圈、左转子铁芯、右转子铁芯、和内导磁环。左定子铁芯和右定子铁芯外部分别与左外导磁环和右外导磁环相连，永磁体位于左外导磁环和右外导磁环之间，左定子铁芯和右定子铁芯的内部分别是左转子铁芯和右转子铁芯，左转子铁芯和右转子铁芯与内导磁环相连，定子铁芯采用极靴形式，其外表面与转子的内表面之间形成气隙。永磁体给磁轴承提供的永磁偏置磁场，承担磁轴承所受的径向力，电磁线圈所产生的磁场其调节作用，用来改变相对两个定子铁芯磁极方向上磁场的强弱，并使得转子得到无接触支撑。

Description

一种具有容错功能的永磁偏置内转子径向磁轴承
技术领域
本发明涉及一种非接触混合式磁悬浮轴承，特别是涉及一种具有容错功能的永磁偏置内转子径向磁轴承。
背景技术
当前磁悬浮轴承分为纯电磁式和永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，前者使用电流大、功耗大，永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，电磁磁场提供辅助的调节承载力，永磁体产生的磁场承担主要的承载力，具有降低功率放大器损耗，减少电磁铁安匝数，缩小磁轴承的体积和重量等优点，所以永磁偏置的混合磁悬浮轴承得到了广泛的应用。在航空等要求高可靠性的领域，为了提高磁悬浮轴承系统的可靠性，要求具有容错功能，而目前具有容错功能的磁悬浮轴承多为纯电磁式，其结构示意图如图1所示，在具有冗余功能的径向磁轴承上用了6个线圈，其中每3个不相邻的磁极和线圈组成一个径向磁悬浮轴承，此结构的径向磁悬浮轴承相当于领个径向磁悬浮轴承同时工作，当其中一个出现故障时，另一个轴承仍可以正常工作。这种结构的径向磁轴承通过电流产生静态偏置磁场，功耗多、体积和重量大等缺点。专利一种具有冗余结构的永磁偏置径向磁轴承(专利号：200710063270.7)中，所述结构虽然可以实现冗余功能，但是由于其气隙磁场在圆周方向上存在磁密大小的波动，因此会导致转子在高速旋转时产生较大的涡流损耗，难以满足航天对功耗的要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有容错功能的永磁偏置内转子径向磁轴承，与现有容错功能的径向磁轴承相比，其体积小、重量轻且功耗低，易于控制以及可靠性能高等优点。
本发明的技术解决方案是：一种具有容错功能的永磁偏置内转子径向磁轴承，包括左外导磁环、右外导磁环、永磁体、左定子铁芯、右定子铁芯、激磁线圈、左转子铁芯、右转子铁芯和内导磁环，左定子铁芯和右定子铁芯径向外部分别与左外导磁环和右外导磁环相连，永磁体位于左外导磁环和右外导磁环之间，左定子铁芯和右定子铁芯的径向内侧分别是左转子铁芯和右转子铁芯，左转子铁芯和右转子铁芯与内导磁环相连，定子铁芯的内表面与转子铁芯的外表面之间形成气隙，左定子铁芯和右定子铁芯共组成16个磁极，左定子铁芯的8个磁极和右定子铁芯的8个磁极沿圆周均匀分布，且均为极靴形式，每个磁极上绕有激磁线圈，左定子铁芯互不相邻的4个磁极与右定子铁芯互不相邻的4个磁极以及它们上面绕有的线圈共同组成了两组定子磁极，两组磁极互为冗余，当一组磁极发生故障时，另一组磁极可以正常工作。
所述相邻定子铁芯磁极极靴之间圆周方向上的距离为定转子铁芯之间所述气隙的5倍～10倍，所述定子极靴的极尖角为10～30度。所述的永磁体采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料或钕铁硼永磁材料制成。
本发明提供的一种具有容错功能的永磁偏置内转子径向磁轴承，永磁体给磁轴承提供的永磁偏置磁场，承担磁轴承所受的径向力，电磁线圈所产生的磁场其调节作用，用来改变相邻两个定子铁芯磁极方向上磁场的强弱，并使得转子得到无接触支撑。左定子铁芯和右定子铁芯共组成16个磁极，左定子铁芯的8个磁极和右定子铁芯的8个磁极沿圆周均匀分布，每个磁极上绕有激磁线圈，左定子铁芯互不相邻的4个磁极与右定子铁芯互不相邻的4个磁极以及它们上面绕有的线圈共同组成了两组定子磁极，这样整个装置共组成了两组永磁偏置内转子径向磁轴承，可以实现容错功能。当其中一个径向磁轴承正常工作时，另一个径向磁轴承的激磁线圈不通电流，作为备用磁轴承。下面阐述径向磁轴承的永磁磁路与电磁磁路。
如图2所示，实线表示永磁磁路：磁通从永磁体N极出发，通过右外导磁环、右定子铁芯、气隙、右转子铁芯、内导磁环、左转子铁芯、气隙、左定子铁芯和左外导磁环，回到永磁体的S极，构成径向磁轴承的永磁磁路，在气隙中产生永磁偏置磁场。虚线表示电磁磁路(以+Y、-Y线圈同时通电情况下予以说明)：①磁通由左定子铁芯的定子磁极，沿径向通过气隙(如+Y方向气隙)、左转子铁芯，经与该定子铁芯磁极对称的定子铁芯磁极与转子之间的气隙(-Y方向气隙)，回到左定子铁芯的定子磁极，形成闭合磁回路，如图2和3中虚线所示；②磁通由右定子铁芯的定子磁极，沿径向通过气隙(如+Y方向气隙)、右转子铁芯，经与该定子铁芯磁极对称的定子铁芯磁极与转子之间的气隙(-Y方向气隙)，回到右定子铁芯的定子磁极，形成闭合磁回路，如图2和4中虚线所示。整个装置共组成两个径向的磁轴承，备用径向磁轴承的永磁磁路与正常工作径向磁轴承的永磁磁路相同，电磁磁路也分为两路。根据此原理，两组磁极互为冗余结构，当其中一个径向磁轴承发生故障时，另一个备用的径向磁轴承进入正常的工作状态，保证了整个系统的安全可靠地运行。
本发明与现有技术的优点在于：本发明提供的一种具有容错功能的永磁偏置内转子径向磁轴承，利用左定子铁芯和右定子铁芯的16个定子磁极及其激磁线圈，与左外导磁环和右外导磁环、永磁体、左转子铁芯、右转子铁芯以及内导磁环，构成了两个具有容错功能的永磁偏置的径向磁轴承，具有结构见到以实现等优点，而且当其中一个永磁偏置径向磁轴承发生故障时，另一个永磁偏置径向磁轴承将会进入正常的工作状态，保证了整个系统的可靠稳定的运行。除此之外，由于定子铁芯采用极靴形式，因此可以降低径向磁轴承定转子之间气隙的磁密波动，从而降低磁轴承的旋转功耗。
附图说明
图1现有技术中具有容错功能的径向磁轴承结构示意图；
图2本发明具有容错功能的永磁偏置内转子径向磁轴承剖面图；
图3本发明具有容错功能的永磁偏置内转子径向磁轴承左端截面图；
图4本发明具有容错功能的永磁偏置内转子径向磁轴承右端截面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
一种具有容错功能的永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：包括左外导磁环201、右外导磁环202、永磁体203、左定子铁芯204、右定子铁芯205、激磁线圈209、左转子铁芯206、右转子铁芯207和内导磁环208，左定子铁芯204和右定子铁芯205径向外部分别与左外导磁环201和右外导磁环202相连，永磁体203位于左外导磁环201和右外导磁环202之间，左定子铁芯204和右定子铁芯205的径向内侧分别是左转子铁芯206和右转子铁芯207，左转子铁芯206和右转子铁芯207与内导磁环208相连，定子铁芯的内表面与转子铁芯的外表面之间形成气隙210，左定子铁芯204和右定子铁芯205共组成16个磁极，左定子铁芯204的8个磁极和右定子铁芯205的8个磁极沿圆周均匀分布，且均为极靴结构，每个磁极上绕有激磁线圈209，左定子铁芯(204)互不相邻的第I磁极(301)、第III磁极(303)、第V磁极(305)和第VII磁极(307)与右定子铁芯(205)互不相邻的第I’磁极(401)、第III’磁极(403)、第V’磁极(405)和第VII’磁极(407)，或者左定子铁芯(204)互不相邻的第II磁极(302)、第IV磁极(304)、第VI磁极(306)和第VIII磁极(308)与右定子铁芯(205)互不相邻的第II’磁极(402)、第IV’磁极(404)、第VI’磁极(406)和第VIII’磁极(408)以及它们上面绕有的线圈(209)共同组成了两组定子磁极，两组定子磁极互为冗余，当一组定子磁极发生故障时，另一组定子磁极可以正常工作。
所述定子铁芯磁极均为极靴形式，且圆周方向上的相邻两个定子极靴之间的距离为定转子之间所述气隙210的5倍～10倍以防止磁极之间的耦合影响，一般第一类气隙为0.3mm～0.5mm，所以定子铁芯极靴之间的距离为1.5～5mm，且极尖角(图中所示的θ1)设计为10～30度以保证定子铁芯各部分磁密的均匀性和不饱和性，同时防止铁芯拐角处的磁密集中引起饱和的缺陷，另外，铁芯自身拐角处的角度范围(图中θ2所示)是85～95度，其作用也是避免铁芯自身有拐角而导致的磁密集中。
本发明提供的一种具有容错功能的永磁偏置内转子径向磁轴承，内导磁环208、左外导磁环201和右外导磁环202均采用导磁性能良好的材料制成，如电工纯铁等材料，左定子铁芯204、右定子铁芯205、左转子铁芯206和右转子铁芯207采用导磁性能良好的电工薄片钢板，如电工纯铁、电工硅钢板或硅钢薄带等磁性材料冲压迭制而成；永磁体203可采用磁性能良好的稀土永磁体或铁氧体永磁体或钕铁硼永磁体，永磁体沿轴向充磁，励磁线圈209用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种具有容错功能的永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：包括左外导磁环(201)、右外导磁环(202)、永磁体(203)、左定子铁芯(204)、右定子铁芯(205)、激磁线圈(209)、左转子铁芯(206)、右转子铁芯(207)和内导磁环(208)，左定子铁芯(204)和右定子铁芯(205)径向外部分别与左外导磁环(201)和右外导磁环(202)相连，永磁体(203)位于左外导磁环(201)和右外导磁环(202)之间，左定子铁芯(204)和右定子铁芯(205)的径向内侧分别是左转子铁芯(206)和右转子铁芯(207)，左转子铁芯(206)和右转子铁芯(207)与内导磁环(208)相连，定子铁芯的内表面与转子铁芯的外表面之间形成气隙(210)，左定子铁芯(204)和右定子铁芯(205)共组成16个磁极，左定子铁芯(204)的8个磁极和右定子铁芯(205)的8个磁极沿圆周均匀分布，且均为极靴形式，每个磁极上绕有激磁线圈(209)，相邻定子铁芯磁极极靴之间圆周方向上的距离为定转子铁芯之间的所述气隙(210)的5倍～10倍，定子极靴的极尖角为10～30度，左定子铁芯(204)互不相邻的第I磁极(301)、第III磁极(303)、第V磁极(305)和第VII磁极(307)与右定子铁芯(205)互不相邻的第I’磁极(401)、第III’磁极(403)、第V’磁极(405)和第VII’磁极(407)，或者左定子铁芯(204)互不相邻的第II磁极(302)、第IV磁极(304)、第VI磁极(306)和第VIII磁极(308)与右定子铁芯(205)互不相邻的第II’磁极(402)、第IV’磁极(404)、第VI’磁极(406)和第VIII’磁极(408)以及它们上面绕有的线圈(209)共同组成了两组定子磁极，两组定子磁极互为冗余，当一组定子磁极发生故障时，另一组定子磁极可以正常工作。
2.根据权利1所述的具有容错功能的永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(203)采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料或钕铁硼永磁材料制成。
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