CN106763186B - 一种具有永磁卸载力的轴向混合磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有永磁卸载力的轴向混合磁轴承，包括定子组件和同轴设置在定子组件内的转子组件；转子组件包括转轴和穿套在转轴上的转子推力盘；定子组件包括定子励磁线圈、永磁体、定子铁心及端部定子铁心，定子励磁线圈设置在定子铁心上设置的线圈槽内，永磁体为在轴线方向上置于定子铁心和端部定子铁心间的环形磁体，转子推力盘的上端面与定子铁心线圈槽上端部的下端面之间、转子推力盘的下端面与定子铁心线圈槽下内端部的上端面之间沿轴线方向设置有控制气隙，端部定子铁心的内表面与转轴末端之间沿轴向设有偏置气隙。本发明结构紧凑、尺寸小巧，其永磁体设置于定子组件部分，转子组件转速对其影响小，适应用于高速运行。

Description

一种具有永磁卸载力的轴向混合磁轴承

技术领域

本发明属于磁轴承领域，具体涉及一种具有永磁卸载力的轴向混合磁轴承。

背景技术

磁悬浮轴承是利用精确控制的电磁力将转子稳定悬浮，使定转子之间没有机械接触的一种高性能轴承。由于定、转子之间不存在机械上的接触，所以磁悬浮轴承的转子可达到很高的运转转速。同时，由于电磁力可以通过专门的控制系统精确调节，因此刚度和阻尼可调。磁悬浮轴承具有能耗低、寿命长、无润滑、无污染等优点，特别适合高速、真空和超洁净等特殊的应用场合。

按照磁悬浮轴承控制的自由度可以将磁悬浮轴承分为三类：单自由度磁轴承、两自由度磁轴承、多自由度磁轴承。在磁悬浮支承的高速转子系统中，除了转子旋转的一个自由度外，另外五个自由度是由磁轴承支承系统控制。单个自由度磁轴承主要是指控制转子在轴向方向上单向往复运动，两个、多个自由度磁轴承分布控制径向、径向-轴向等自由度。

单自由度磁悬浮轴承可按照磁力提供方式将轴向磁轴承分为三类：永磁被动轴向磁轴承、纯电励磁轴向磁轴承和永磁偏置混合轴向磁轴承。其中，永磁轴向磁轴承刚度小、轴承状态不可控，不适合大承载力高速场合；纯电励磁轴向轴承由于电励磁提供偏置磁场，待机损耗大；永磁偏置混合轴向轴承综合二者的优点，充分利用永磁体提供的偏置磁场，待机损耗小，状态可控。

现有的永磁偏置混合轴向磁轴承的结构都在一定程度上存在一些不足：

有些永磁偏置混合轴向磁轴承的永磁体放在转子的推力盘上，虽然简化了磁路模型，但是增加了安装工艺的难度，且永磁体低抗拉强度的特性限制了这种结构在高速场合的应用。

有些异极式永磁偏置混合轴向磁轴承采用转子双推力盘结构，将线圈嵌入转子双推力盘之间，这种结构的线圈安装困难，不利于拆卸，工程化难度较大。

有些异极式永磁偏置混合轴向磁轴承将永磁体置于定子铁心内，电励磁磁路与永磁磁路串联，造成线圈体积过大、永磁体的寿命降低，系统可靠性下降。

还有的异极式永磁偏置混合轴向磁轴承将永磁体固定在定子铁心上，作为偏置气隙的一个结构面，很难保证气隙大小的精度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种结构紧凑、尺寸小巧、适用于高速运行的具有永磁卸载力的轴向混合磁轴承。

本发明的目的是提供一种结构紧凑、可高速运行、轴向长度短、工程可行性高且可提供永磁卸载力的永磁偏置混合轴向轴承。

为实现上述目的，本发明所设计的一种具有永磁卸载力的轴向混合磁轴承包括定子组件和同轴设置在所述定子组件内的转子组件；所述转子组件包括转轴和穿套在转轴上的转子推力盘，所述转子推力盘为与所述转轴同轴设置圆环柱体，所述一种具有永磁卸载力的轴向混合磁轴承为沿所述转轴的轴线的回转体；所述定子组件包括定子励磁线圈、永磁体、定子铁心及端部定子铁心，所述定子励磁线圈设置在定子铁心上设置的线圈槽内，所述定子励磁线圈与所述转子推力盘的外圆周面在径向相对设置且之间具有间隙，所述永磁体为在轴线方向上置于所述定子铁心和所述端部定子铁心间的环形磁体，所述定子铁心上的定子铁心线圈槽上端部与定子铁心线圈槽下内端部之间形成容置所述转子推力盘的外圈的开口，所述转子推力盘的上端面与所述定子铁心线圈槽上端部的下端面之间沿轴线方向设置有控制气隙，所述转子推力盘的下端面与所述定子铁心线圈槽下内端部的上端面之间沿轴线方向设置有控制气隙，所述端部定子铁心的内表面与所述转轴末端之间沿轴向设有偏置气隙。

作为优选方案，所述转子推力盘的外径不大于所述线圈槽的内径。

作为优选方案，所述永磁体轴向充磁。

作为优选方案，所述控制气隙、所述偏置气隙的大小为0.5mm。

作为优选方案，所述定子铁心、所述端部定子铁心采用高导磁性能的电工纯铁材料制成。

作为优选方案，所述转轴采用高强度导磁合金钢材料制成，所述转子推力盘采用高强度的软磁材料或高导磁性能的电工纯铁制成。

本发明的有益效果是：本发明的一种具有永磁卸载力的轴向混合磁轴承具有以下优点：

(1)永磁体位于定子组件部分，转子转速几乎对其没有任何影响，有利于实现高转速；永磁体不参与工作气隙的直接构成，有利于提高结构加工精度。

(2)电励磁磁路和永磁磁路并联，解耦性能好；励磁电流对永磁体性能影响小，磁轴承的可靠性高。

(3)可通过永磁体在偏置气隙内产生的永磁卸载力抵消转子重力，有效减少了电励磁电流，降低了轴承待机损耗。

(4)电励磁磁路穿过转子铁心外圈，产生的涡流对转子影响较小，有利于提高磁轴承的动态性能。

附图说明

图1为本发明优选实施例的具有永磁卸载力的轴向混合磁轴承被二个经过轴线且相互垂直的截面截切后的立体结构示意图。

图2为图1中的具有永磁卸载力的轴向混合磁轴承的轴向截面结构示意图，其中虚线所示为永磁磁路。

图3为图1中的具有永磁卸载力的轴向混合磁轴承的轴向截面结构示意图，其中虚线所示为电励磁磁路。

图中各部件标号如下：转轴1、转子推力盘2、定子励磁线圈3、永磁体4、定子铁心5(其中，定子铁心线圈槽上端部51、定子铁心线圈槽下内端部52)、端部定子铁心6、控制气隙7、偏置气隙8。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

请参阅图1，本发明优选实施例提供的一种具有永磁卸载力的轴向混合磁轴承为沿其轴线的回转体结构，其包括定子组件和同轴磁悬浮在定子组件内的转子组件。

转子组件包括转轴1和转子推力盘2，转子推力盘2穿套在转轴1上。转子推力盘2具有一定轴向厚度的圆环，与转轴1同轴设置。转子推力盘2是转子组件的受力部件，承受定子组件所施加的轴向承载力。转轴1导磁，可采用高强度导磁合金钢材料制成。转子推力盘2的材料由于受转速影响可根据实际进行选择，如果应用高速场合需采用高强度的软磁材料，如果应用于中低速场合应选用高导磁性能的电工纯铁。

定子组件包括定子励磁线圈3、永磁体4、定子铁心5及端部定子铁心6。励磁线圈3设置在定子铁心5上设置的线圈槽内，励磁线圈3安装在线圈槽内部并进行灌胶处理将其固定。励磁线圈3与转子推力盘2的外圆周面在径向相对设置且之间具有间隙。永磁体4为环形磁铁，在轴向方向上位于定子铁心5和端部定子铁心6之间。为安装方便，永磁体4可采用多块拼装而成环形。定子铁心5上容置励磁线圈3的线圈槽的定子铁心线圈槽上端部51与定子铁心线圈槽下内端部52之间形成开口。转子推力盘2的外圈置于定子铁心线圈槽上端部51与定子铁心线圈槽下内端部52之间的开口内，转子推力盘1的外径不大于线圈槽内径(转子推力盘1不伸入线圈槽内)。转子推力盘2的上端面与定子铁心线圈槽上端部51的下端面之间沿轴向设置有控制气隙7，转子推力盘2的下端面与定子铁心线圈槽下内端部52的上端面之间沿轴向设置有控制气隙7。定子组件中定子铁心5及端部定子铁心6采用高导磁性能的电工纯铁材料制成。端部定子铁心6的内表面与转轴1末端之间沿轴向设有偏置气隙8。

在本实施例中，取全部气隙(控制气隙7、偏置气隙8)大小0.5mm，磁轴承产生的卸载力恰好等于转子组件的重力。

永磁体4与转轴1、转子推力盘2一起构成如图2中所示的永磁磁路。环形的永磁体4轴向充磁，可形成一条磁力回路。磁力线从永磁体4的N极出发，经端部定子铁心6、偏置气隙8、转轴1、转子推力盘2、控制气隙7、定子铁心5，回到永磁体4的S极。

定子励磁线圈3位于定子铁心5内，与转子推力盘2构成如图3所示的电励磁磁路。假定当励磁电流为正时，电励磁磁场方向向上，由于永磁偏置磁场分别在上、下工作气隙处产生方向相反的磁场(设定上气隙的偏置磁场向上)，两种磁场线性叠加，上控制气隙内磁场增强，下控制气隙内磁场削弱，转子推力盘2受到向上的承载力。同理，当励磁线圈的电流为负时，转子推力盘2受到向下的承载力。

本发明的一种具有永磁卸载力的轴向混合磁轴承的工作原理如下：由永磁体4提供混合轴向磁轴承的偏置磁场，由定子励磁线圈3来实现调节所需要的控制磁场。永磁磁路的路径为：永磁体4的N极→端部定子铁心6→偏置气隙8→转轴1→转子推力盘2→控制气隙7→定子铁心5→永磁体4的S极。励磁绕组产生的电励磁磁通路径为：定子铁心5→控制气隙7→转子推力盘2→控制气隙7→定子铁心5。永磁体4产生的永磁磁通穿过控制气隙7、偏置气隙8，并对转轴1产生抵消转子组件重力的永磁卸载力；永磁体4和定子励磁绕组3产生的永磁、电励磁磁场在两个控制气隙7中叠加或抵消，共同作用在转子推力盘2上产生控制力。

所述定子内的励磁绕组电流方向可以双向调节，假定当励磁电流为正时，电励磁磁场方向向上，由于永磁偏置磁场分别在两个控制气隙内产生方向相反的磁场(假定上控制气隙的磁场向上)，两种磁场线性叠加，上控制的磁场增强，下控制气隙的磁场削弱，转子推力盘受到向上的承载力；同理，当励磁线圈的电流为负时，转子推力盘受到向下的承载力。

与现有技术相比，本发明的一种具有永磁卸载力的轴向混合磁轴承具有以下特点：

(1)永磁体4位于定子组件部分，转子的转速几乎对其没有任何影响，有利于实现高转速；而且永磁体4不参与工作气隙的直接构成，有利于提高结构加工精度。

(2)电励磁磁路和永磁磁路并联，解耦性能好，励磁电流对永磁体性能影响小，磁轴承的可靠性高。

(3)可通过永磁体4在偏置气隙8内产生的永磁卸载力抵消转子组件重力，有效减少了电励磁电流，降低了轴承待机损耗。

(4)电励磁磁路穿过转子铁心5的外圈，产生的涡流对转子组件的影响较小，有利于提高磁轴承的动态性能。

综上所述，本发明的一种具有永磁卸载力的轴向混合磁轴承结构紧凑、轴向长度短、可应用于高速运行场合，适用于飞轮储能系统、卫星动量轮、高速机床等高速场合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种具有永磁卸载力的轴向混合磁轴承，包括定子组件和同轴设置在所述定子组件内的转子组件，其特征在于：所述转子组件包括圆柱形的转轴(1)和穿套在转轴(1)上的转子推力盘(2)，所述转子推力盘(3)为与所述转轴(1)同轴设置圆环柱体，所述一种具有永磁卸载力的轴向混合磁轴承为沿所述转轴(1)的轴线的回转体；所述定子组件包括定子励磁线圈(3)、永磁体(4)、定子铁心(5)及圆筒形的端部定子铁心(6)，所述定子励磁线圈(3)设置在定子铁心(5)上设置的线圈槽内，所述转子推力盘(1)的外径不大于所述线圈槽的内径，所述定子励磁线圈(3)与所述转子推力盘(2)的外圆周面在径向相对设置且之间具有间隙，所述永磁体(4)为在轴线方向上置于所述定子铁心(5)和所述端部定子铁心(6)间的环形磁体，所述永磁体(4)轴向充磁，所述定子铁心(5)上的定子铁心线圈槽上端部(51)与定子铁心线圈槽下内端部(52)之间形成容置所述转子推力盘(2)的外圈的开口，所述转子推力盘(2)的上端面与所述定子铁心线圈槽上端部(51)的下端面之间沿轴线方向设置有控制气隙(7)，所述转子推力盘(2)的下端面与所述定子铁心线圈槽下内端部(52)的上端面之间沿轴线方向设置有控制气隙(7)，所述端部定子铁心(6)的内表面与所述转轴(1)末端之间沿轴向设有偏置气隙(8)，所述控制气隙(7)、所述偏置气隙(8)的大小为0.5mm。

2.根据权利要求1所述的一种具有永磁卸载力的轴向混合磁轴承，其特征在于：所述定子铁心(5)、所述端部定子铁心(6)采用高导磁性能的电工纯铁材料制成。

3.根据权利要求2所述的一种具有永磁卸载力的轴向混合磁轴承，其特征在于：所述转轴(1)采用高强度导磁合金钢材料制成，所述转子推力盘(2)采用高强度的软磁材料或高导磁性能的电工纯铁制成。