CN102032270B - 一种永磁电磁混合径向轴承 - Google Patents

Abstract

一种永磁电磁混合径向轴承，由转子铁心、永磁体、定子铁心、线圈、空气隙、辅助气隙组成，4个定子铁心磁极沿+X、-X、+Y、-Y四个方向均布于圆周，并且周围绕制有线圈，4个永磁体间隔嵌于相邻的两个定子铁心磁极之间，并在定子圆周上呈90度放置，定子铁心内表面与转子铁心外表面留有一定的间隙，形成空气隙，在永磁体两侧的定子铁心之间形成不同大小的辅助气隙，在承重方向上采用不同大小的定子铁心磁极截面积，本发明解决了现有永磁电磁混合径向轴承重量较大的缺点，具有小体积、功耗低、性能可靠、利于控制等优点。

Description

一种永磁电磁混合径向轴承

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种功耗低的永磁电磁混合内转子径向轴承，可作为旋转部件的无接触支撑。

背景技术

磁悬浮轴承分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，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，因而这种轴承可大大减小控制电流，降低损耗。但目前的永磁偏置内转子径向磁轴承结构，有些是在普通径向电磁轴承的基础上，在电磁磁路上向放置永磁体，这样控制线圈所产生的磁通要穿过永磁体，由于永磁体磁阻很大，因而控制线圈要产生一定的电磁磁通需要较大的激磁电流，这显然会增加轴承的功耗；有些结构是将永磁体直接与定子叠片铁心相连，这样永磁磁路在垂直穿过定子铁心时会损失过多的磁动势，因而会大大削弱永磁体对转子轴的吸力。还有些结构是将永磁体通过导磁环与叠片铁心相连，电磁磁路经过叠片铁心形成回路，这样永磁磁动势不会在叠片铁心中产生损失，同时电励磁磁路也不会经过永磁体本身，但是这种结构的径向磁轴承其永磁磁路所在平面与电磁磁路所在平面相互垂直，因而会导致轴向长度较长，故不能满足体积小、重量轻的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种体积小、功耗低、加工制造方便的永磁电磁混合内转子径向轴承。

本发明的技术解决方案为：由转子铁心、永磁体、定子铁心、线圈、磁气隙、辅助气隙组成，4个定子铁心磁极均布于圆周上，其中4个平行充磁的永磁体间隔置于相邻两个定子铁心磁极之间，并在定子圆周上呈90度放置，4个定子铁心磁极沿+X、-X、+Y和-Y方向分布，并且其周围绕制有线圈，定子铁心内表面与转子铁心外表面留有间隙，形成磁气隙，永磁体采用钕铁硼制成。在永磁体两侧的定子铁心之间形成两个不同大小的辅助气隙，其中一个辅助气隙是另一个的2倍，承重方向上的定子铁心磁极大小不同。

所述的转子铁心和定子铁心均采用硅钢片沿轴向叠制而成。

所述的转子铁心和定子铁心采用的硅钢片片厚为0.2mm、0.35mm或0.5mm。

当+X方向承重时，所述的+X方向的定子铁心磁极宽度为-X方向的定子铁心磁极宽度的1.5～2倍；当+Y方向承重时，所述的+Y方向的定子铁心磁极宽度为-Y方向的定子铁心磁极宽度的1.5～2倍。

上述方案的原理是：永磁体给磁轴承提供永磁偏置磁场，承担磁轴承所受的径向力，线圈所产生的磁场起调节作用，用来改变X、Y方向上磁场的强弱，保持磁轴承定转子磁气隙均匀，并使转子得到无接触支承。如图2实线所示，本发明的永磁磁路主磁路路径为：磁通从永磁体N极出发，通过-X方向定子铁心磁极、-X方向磁气隙到转子铁心，然后经过+Y方向磁气隙、+Y方向的定子铁心磁极回到永磁体S极，形成磁轴承的主磁路，由于永磁体有4个，因此永磁磁路有4条(附图2中为了示意只画出两条)；如图2虚线所示，电磁磁路主磁路路径为：电磁磁通从+Y方向上的定子铁心磁极出发、经辅助气隙(为了清楚起见，附图2中只画经过一个辅助气隙的电磁磁路，实际上每个部分的电磁磁路同时经过两个辅助气隙)、+X和-X两个方向的定子铁心磁极以及磁气隙、转子铁心、+Y方向的磁气隙回到+Y方向上的定子铁心磁极，构成闭合回路，电磁磁路一共8条。这样不仅保证了电磁磁路不通过永磁体内部，减小了电磁磁路的磁阻，降低了电流，进而降低了轴承的功耗，同时又使得永磁磁路在任一径向截面内与电磁磁路共面，减小了轴向尺寸，并且定子磁极只需4个，因而大大减小了径向磁轴承的重量和体积。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明由于采用永磁磁场作为偏置磁场，与传统电磁轴承相比消除了在线圈电流中占主要分量的偏置电流，降低了绕组铜耗和控制功放损耗，因此功耗很低；与现有的永磁偏置磁轴承相比，本发明所述的永磁电磁混合的内转子径向磁轴承其永磁磁路与电磁磁路在任一径向截面中共面，减小径向磁轴承的轴向尺寸，并且该磁轴承只需4个定子铁心磁极，因而可以进一步减小径向磁轴承的重量和体积。另外，本发明采用了两个不同大小的辅助气隙的设计，使得定子铁心加工装配更加方便，使得磁轴承性能更为优化，避免了现有有些结构为了使得永磁体在气隙中产生足够的偏置磁场而采用部分铁心饱和损失一部分永磁体磁动势的缺陷，同时本发明采用了承重方向上不同大小定子磁极的结构，使得承重方向上定子磁极的出力不同，大大降低了轴承电流。

附图说明

图1为本发明的永磁电磁混合径向轴承端面图。

图2为本发明的带有磁路走向的永磁电磁混合径向轴承端面图。

具体实施方式

如图1所示，一种永磁电磁混合径向轴承，由转子铁心1、永磁体2、定子铁心3、线圈5、磁气隙4、辅助气隙6组成，4个定子铁心3磁极均布于圆周上，其中4个平行充磁的永磁体2间隔置于相邻两个定子铁心3磁极之间，并在定子圆周上呈90度放置，4个定子铁心3磁极沿+X、-X、+Y和-Y方向分布，并且其周围绕制有线圈5，永磁体2通过相邻的两个定子铁心3磁极形成X、Y方向上的偏置磁场。为了便于部件的加工装配，定子铁心3内表面与转子铁心1外表面留有0.5mm的磁气隙4，在永磁体2两侧的定子铁心3之间形成两个不同大小的辅助气隙6，其中一个辅助气隙长度是另一个的2倍，本实施例中的两个辅助气隙长度分别为0.8mm和1.6mm；永磁体2通过相邻的两个定子铁心3以及磁气隙4形成X、Y方向上的偏置磁场，永磁体磁化方向长度为5mm，垂直磁化方向长度为6mm，定子齿外径与定子铁心外径之间(即垂直永磁体磁化方向长度与两个辅助气隙的径向方向长度之和)的距离为2倍的垂直永磁体磁化方向长度，即12mm，这样的设计保证了永磁体自身在两个辅助气隙中的磁动势损失最小。

为了在轴承承重时减小功耗，使用本发明所述轴承时，承重方向上的定子铁心3宽度大端是小端的1.5～2倍。本实施例中，当+X方向承重时，所述的+X方向的定子铁心磁极宽度为-X方向的定子铁心磁极宽度的2倍；当+Y方向承重时，所述的+Y方向的定子铁心磁极宽度为-Y方向的定子铁心磁极宽度的2倍。由于承重方向正负侧的磁极面积不同，使得通入相同电流时在气隙中产生的力的大小不同，因此非对称结构的磁轴承结构特别适合于固定承载方式的场合。当-X方向承重时，所述的-X方向的定子铁心磁极宽度为+X方向的定子铁心磁极宽度的2倍；当-Y方向承重时，所述的-Y方向的定子铁心磁极宽度为+Y方向的定子铁心磁极宽度的2倍，不同大小的磁极宽度(相同的轴向长度条件下)可以使得偏置磁场在磁气隙中产生的大小不同的力，因此在相同承载力的条件下，可以减小线圈5中控制电流的大小，因此可以减小磁轴承功耗。

在具体应用时，本发明所述的永磁电磁混合径向轴承应成对使用。

本发明所用的转子铁心1、定子铁心3可用导磁性能良好的电工薄钢板如电工纯铁、电工硅钢板DR610、DR270、DW360或硅钢薄带等磁性材料冲压叠制而成，一般硅钢片片厚选为0.2mm、0.35mm或0.5mm。永磁体2的材料为磁性能良好(磁能积更大)的钕铁硼制成，也可以为稀土永磁体或铁氧体永磁体，线圈5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 (4)

1.一种永磁电磁混合径向轴承，其特征在于：由转子铁心(1)、永磁体(2)、定子铁心(3)、线圈(5)、磁气隙(4)、辅助气隙(6)组成，4个定子铁心(3)磁极均布于圆周上，其中4个平行充磁的永磁体(2)间隔置于相邻两个定子铁心(3)磁极之间，并在定子圆周上呈90度放置，4个定子铁心(3)磁极沿+X、-X、+Y和-Y方向分布，并且其周围绕制有线圈(5)，定子铁心(3)内表面与转子铁心(1)外表面留有间隙，形成磁气隙(4)，永磁体(2)采用钕铁硼制成，在永磁体(2)两侧的定子铁心(3)之间形成两个不同大小的辅助气隙(6)，其中一个辅助气隙是另一个的2倍，承重方向上的定子铁心(3)磁极大小不同。

2.根据权利要求1所述的永磁电磁混合径向轴承，其特征在于：所述的转子铁心(1)和定子铁心(3)均采用硅钢片沿轴向叠制而成。

3.根据权利要求1或2所述的永磁电磁混合径向轴承，其特征在于：所述的转子铁心(1)和定子铁心(3)采用的硅钢片片厚为0.2mm、0.35mm或0.5mm。

4.根据权利要求1所述的永磁电磁混合径向轴承，其特征在于：所述承重方向上的定子铁心(3)宽度大端是小端的1.5～2倍。

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