CN103925293B - 一种薄片转子径向混合磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种薄片转子径向混合磁轴承，径向定子圆盘空套在薄片转子上，径向定子圆盘由径向定子圆筒和三个径向定子片组成，三个径向定子片沿轴向依序固定在径向定子圆筒的内壁上，第一个径向定子片和第二个径向定子片之间留有第一个轴向空腔，第二个径向定子片和第三个径向定子片之间留有第二个轴向空腔，在两个轴向空腔中均放置一个径向控制线圈；薄片转子由转子磁轭和永磁体组成，转子磁轭同轴紧密嵌套在永磁体外部，永磁体是空心圆柱状且径向充磁；永磁体提供静态偏磁磁通，径向控制线圈提供径向控制磁通，径向控制磁通在径向气隙处与静态偏磁磁通叠加；本发明采用1块径向充磁的永磁体，减少绕制径向控制线圈的空间，增大径向承载力。

Description

一种薄片转子径向混合磁轴承

技术领域

本发明属于电气传动设备领域，是一种非接触磁悬浮轴承，特指一种薄片转子径向混合磁轴承，可作为5自由度磁轴承、飞轮系统、机床电主轴、离心机等高速传动部件的无接触悬浮支承。

背景技术

混合型磁轴承由永磁体提供静态偏磁磁通，由直流信号提供控制磁通，具有可以减小控制电流、降低损耗等优点。但是混合型磁轴承由于采用直流控制，而直流功率放大器价格高，体积大，一个径向磁轴承通常需要四路单极性或两路双极性功率放大电路，从而使径向磁轴承体积大，成本高，大大限制了其应用。目前，永磁偏磁径向混合磁轴承分为异极性和同极性结构，轴向长度可以做得较短，但是会产生磁滞损耗，而同极性结构磁轴承虽然能减小磁滞损耗，但是占用的轴向空间较大，不能满足磁悬浮飞轮、陀螺等所要求的体积小、重量轻的要求，并且不利于转子临界转速的提高。为了从减少磁轴承的体积，降低磁轴承功耗和生产成本，提高磁轴承的工作性能，扩大磁轴承的应用领域，需要有一种新的机械结构和磁路结构的永磁偏磁径向混合磁轴承。

中国专利公开号为CN101158374，名称为“三磁极的永磁偏置径向磁轴承”的专利文献提出的三磁极的永磁偏置径向磁轴承采用的是内转子和环形永磁体结构，采用外部磁极铁心与定子铁心共同构成磁通回路，缺点是增加了轴向长度，降低了临界转速，且径向控制磁通经过永磁体所在的磁极，增加了功耗，降低了工作效率。中国专利公开号为CN201326646，名称为“一种异极性永磁偏置轴向径向磁轴承”的专利文献提出了一种径向定子为对称布置的八磁极结构的直流式径向二自由度外转子混合磁轴承，采用双片八极同极性磁轴承结构来控制径向2个自由度，需要4路单极性（或2路双极性）直流功率放大电路驱动控制8个径向控制线圈，此结构的磁轴承重量和体积相对较大，因此不能满足磁悬浮飞轮等航天器所要求的体积小、重量轻的目的。中国专利公开号CN102305242A，名称为“一种径向-轴向三自由度交直流混合磁轴承”的专利文献提出的三磁极的永磁偏置径向-轴向磁轴承采用的是内转子和环形永磁体结构，缺点是采用两块轴向充磁的环形永磁体，增大了磁轴承的体积，减少了径向承载力，散热性能差，且安装困难。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有径向磁轴承结构复杂、承载力小、损耗大等不足，提供一种重量轻、承载力大、功耗低、应用领域广的薄片转子径向混合磁轴承。

本发明采用的技术方案是：本发明包括径向定子圆盘和薄片转子，径向定子圆盘空套在薄片转子上，径向定子圆盘由径向定子圆筒和三个径向定子片组成，三个径向定子片沿轴向依序固定在径向定子圆筒的内壁上，第一个径向定子片和第二个径向定子片之间留有第一个轴向空腔，第二个径向定子片和第三个径向定子片之间留有第二个轴向空腔，在两个轴向空腔中均放置一个径向控制线圈，三个径向定子片的内壁分别与薄片转子的外壁之间形成三个径向气隙；薄片转子由转子磁轭和永磁体组成，转子磁轭同轴紧密嵌套在永磁体外部，永磁体是空心圆柱状且径向充磁。

永磁体提供静态偏磁磁通，径向控制线圈提供径向控制磁通，径向控制磁通在径向气隙处与静态偏磁磁通叠加。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明中的薄片转子由转子磁轭和永磁体组成，与传统磁轴承相比，减小了磁轴承体积，增加了承载力，尤其适合应用在垂直轴风力发电机中。

2、相比于现有技术中采用2块径向充磁的永磁体提供静态偏磁磁通，本发明采用1块径向充磁的永磁体，减少了绕制径向控制线圈的空间，可以增大径向承载力，且散热性能好。

3、本发明将径向控制线圈绕制在定子片之间的空腔内，而磁轴承的其它部件不占用其所属空间，相比于背景技术中公开号为CN102305242A专利的径向-轴向三自由度交直流混合磁轴承，本发明可为径向控制线圈提供足够的空间，因此径向承载力明显增大，且散热性能好。

4、本发明结构合理紧凑，加工制造简单，便于装配，易于实现。

附图说明

图1为本发明薄片转子径向混合磁轴承的结构主视图；

图2为图1中薄片转子的立体结构放大示意图；

图3为本发明的磁通示意图；

图中：1.径向定子圆盘；2.径向控制线圈；3.空腔；5.薄片转子；6.转子磁轭；7.永磁体；8.转轴；11、12、13.径向定子片；14.径向定子圆筒；41、42、43.径向气隙；91、92.静态偏磁磁通；93、94.径向控制磁通。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括径向定子圆盘1和薄片转子5，薄片转子5套在转轴8外。径向定子圆盘1是磁轴承的外壳，位于磁轴承最外围，径向定子圆盘1横截面是中空圆柱形，径向定子圆盘1空套在薄片转子5上，并且与薄片转子5共轴心。

径向定子圆盘1由径向定子圆筒14和三个径向定子片11、12、13组成，三个径向定子片11、12、13和径向定子圆筒14均采用硅钢片叠压而成，确保导磁性能良好，磁滞低，并尽量降低涡流损耗与磁滞损耗。径向定子圆盘1位于最外圈，作为磁轴承的外壳，用以固定整个磁轴承。三个径向定子片11、12、13沿轴向依序固定在径向定子圆筒14的内壁上，可用螺丝将三个径向定子片11、12、13固定连接在径向定子圆筒14的内壁上。在轴向上，第一个径向定子片11和第二个径向定子片12之间留有第一个轴向空腔3，第二个径向定子片12和第三个径向定子片13之间留有第二个轴向空腔3。在第一个轴向空腔3和第二个轴向空腔3中各放置一个径向控制线圈2。三个径向定子片11、12、13的内壁分别与薄片转子5的外壁之间形成了三个径向气隙41、42、43，三个径向气隙41、42、43的径向气隙大小为0.25-0.4mm。

再参见图2，薄片转子5由转子磁轭6和永磁体7组成，转子磁轭6同轴紧密嵌套在永磁体7外部，永磁体7的结构是空心圆柱状，套在转轴8外，永磁体7径向充磁且采用稀土材料钕铁硼制成。转子磁轭6采用易切削碳素结构钢制成。

参见图3，本发明工作时，由永磁体7提供静态偏磁磁通91（图3中上部分带箭头的虚线磁路），静态偏磁磁通91从7永磁体的N极流出，依次经过转子磁轭6、径向气隙42、径向定子片12、径向定子圆筒14、径向定子片11、径向气隙41，然后进入转子磁轭6、永磁体7、径向定子片11、径向定子圆筒14，最后经过径向定子片12、径向气隙42回到永磁体的S极。静态偏磁磁通92（图3中下部分带箭头的虚线磁路）从永磁体7的N极流出，经过转子磁轭6、径向气隙42、径向定子片12、径向定子圆筒14、径向定子片13、径向气隙43、然后进入转子磁轭6、永磁体7、径向定子片13、径向定子圆筒14，最后经过径向定子片12、径向气隙42回到永磁体的S极。

本发明采用1个三相交流功率逆变器为径向控制线圈2提供控制电流，当转子位置发生偏移时，三相交流功率逆变器根据转子偏移量改变径向控制线圈2的电流的大小和方向，由径向控制线圈2提供径向控制磁通，径向控制磁通93在径向定子片11、径向气隙41、转子磁轭6、径向气隙43、径向定子片13与径向定子圆筒14之间形成磁回路（参见图3左部分带箭头的实线磁路），径向控制磁通94在径向定子圆筒14、径向定子片11、径向气隙41、转子磁轭6、径向气隙43与径向定子片13之间形成磁回路（参见图3右部分带箭头的实线磁路），径向控制磁通93、94在径向气隙41、42、43处与静态偏磁磁通91和静态偏磁磁92进行叠加，通过控制电流调整径向气隙41、42、43处磁场的大小和方向，就可进而调节径向悬浮力的大小和方向，克服外界扰动或负载，实现转子的稳定悬浮。

Claims (5)

1.一种薄片转子径向混合磁轴承，包括径向定子圆盘（1）和薄片转子（5），径向定子圆盘（1）空套在薄片转子（5）上，其特征是：径向定子圆盘（1）由径向定子圆筒（14）和三个径向定子片组成，三个径向定子片沿轴向依序固定在径向定子圆筒（14）的内壁上，第一个径向定子片和第二个径向定子片之间留有第一个轴向空腔，第二个径向定子片和第三个径向定子片之间留有第二个轴向空腔，在两个轴向空腔中均放置一个径向控制线圈（2），三个径向定子片的内壁分别与薄片转子（5）的外壁之间形成三个径向气隙；薄片转子（5）由转子磁轭（6）和永磁体（7）组成，转子磁轭（6）同轴紧密嵌套在永磁体（7）外部，永磁体（7）是空心圆柱状且径向充磁。

2.根据权利要求1所述一种薄片转子径向混合磁轴承，其特征是：永磁体（7）提供静态偏磁磁通，径向控制线圈（2）提供径向控制磁通，径向控制磁通在径向气隙处与静态偏磁磁通叠加。

3.根据权利要求2所述一种薄片转子径向混合磁轴承，其特征是：控制径向控制线圈（2）的电流以调节径向悬浮力的大小和方向。

4.根据权利要求1所述一种薄片转子径向混合磁轴承，其特征是：三个径向定子片和径向定子圆筒（14）均采用硅钢片叠压而成。

5.根据权利要求1所述一种薄片转子径向混合磁轴承，其特征是：三个径向气隙的大小为0.25-0.4mm。