CN1277060C - 一种低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承 - Google Patents

Abstract

低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承，由外导磁环、永磁体、定子铁心、激磁线圈、内导磁环、转子铁心组成，每个定子铁心组成4个定子磁极，2个定子铁心组成磁轴承左右两端8个定子磁极，分别组成X、Y轴正负四个方向的磁极，每个定子磁极绕制有激磁线圈，定子铁心外面是外导磁环，外导磁环与定子铁心相连，在两个外导磁环中间是永磁体，定子铁心内部是转子铁心，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，内导磁环安装在转子铁心内部，并将左右两端转子铁心连接起来，形成磁通路。本发明具有功耗低、体积小、重量轻、加工制造方便等优点，可作为电机、机床等机械设备中旋转部件的无接触支撑。

Description

一种低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承

所属技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承，可作为电机、机床等机械设备中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，另外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；由于存在上述缺陷，故现有的永磁偏置磁轴承存在功耗大、体积大、重量大的缺点。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种功耗低、体积小、重量轻、加工制造方便的低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承。

本发明的技术解决方案之一为：低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：由外导磁环、永磁体、定子铁心、激磁线圈、内导磁环、转子铁心组成，每个定子铁心组成4个磁极，2个定子铁心组成磁轴承左右两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子磁极绕制有激磁线圈，定子铁心外部为外导磁环，外导磁环与定子铁心相连，永磁体位于两个外导磁环中间，定子铁心内部为转子铁心，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，内导磁环安装在转子铁心内部，并将左右两端转子铁心连接起来，形成磁通路。

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，激磁线圈所产生的磁场起调节作用，用来改变每极下磁场的强弱，保持磁轴承定转子气隙均匀，并使转子得到无接触支撑。本发明的永磁磁路为：磁通从永磁体N极出发，通过一端外导磁环、定子铁心、气隙、转子铁心、内导磁环到另一端的转子铁心、气隙、定子铁心、外导磁环回到永磁体S极，形成磁悬浮轴承的主磁路，如图1所示。以某端Y轴正方向激磁线圈电流产生的磁通为例，其路径为：通过定子铁心形成的Y轴正方向磁极、Y轴正方向气隙到转子铁心、然后到另外三个方向气隙、定子铁心形成的另外三个方向磁极、回到定子铁心形成的Y轴正方向磁极，构成闭合回路，如图2所示。这样不仅保证了电激磁磁路不通过永磁体内部，减小了电激磁磁路的磁阻，降低了激磁电流，同时又保证了永磁体磁路不直接通过叠片的定子铁心，减小了永磁磁动势的损失。

本发明的技术解决方案之二为：低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：由外导磁环、永磁体、定子铁心、激磁线圈、内导磁环、转子铁心组成，每个定子铁心组成4个磁极，2个定子铁心组成磁轴承左右两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子磁极绕制有激磁线圈，定子铁心外部为外导磁环，外导磁环与定子铁心相连，在定子铁心内部是转子铁心，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，内导磁环安装在转子铁心内部，永磁体位于两个内导磁环中间，两个内导磁环将左右两端转子铁心连接起来，形成磁通路。

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，激磁线圈所产生的磁场起调节作用，用来改变每极下磁场的强弱，保持磁轴承定转子气隙均匀，并使转子得到无接触支撑。本发明的永磁磁路为：磁通从永磁体N极出发，通过一端内导磁环、转子铁心、气隙、定子铁心、外导磁环到另一端的定子铁心、气隙、转子铁心、另一端的内导磁环回到永磁体S极，形成磁悬浮轴承的主磁路，如图3所示。以某端Y轴正方向激磁线圈电流产生的磁通为例，其路径为：通过定子铁心形成的Y轴正方向磁极、Y轴正方向气隙到转子铁心、然后到另外三个方向气隙、定子铁心形成的另外三个方向磁极、回到定子铁心形成的Y轴正方向磁极，构成闭合回路，如图4所示。这样不仅保证了电激磁磁路不通过永磁体内部，减小了电激磁磁路的磁阻，降低了激磁电流，同时又保证了永磁体磁路不直接通过叠片的定子铁心，减小了永磁磁动势的损失。

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。同时该结构与传统电磁轴承相比，永磁电磁磁轴承产生铁耗的电磁磁场只有大小的变化，而无极性的变化，这使得磁轴承具有很低的铁耗，这进一步降低了功耗。与现有的永磁偏置磁轴承相比，本发明所述的低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承其永磁磁路与电激磁磁路分离，因电激磁磁路磁阻很低，很小的激磁电流就能产生较大的磁通，因而节省了功耗；由于该结构使得永磁磁路不直接穿过叠片的定子铁心，因而不会在定子铁心中损失永磁磁动势，故减小了永磁体的体积。

本发明的另一个优点是：在一个机械设备中，如果轴向长度较短，为适应安装尺寸的要求，所述的低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承两端的激磁线圈可单独控制，这样本发明可作为两个轴承使用，以减小轴向尺寸；如果设备的轴向长度较长，为更好的保证设备的运转稳定性，可成对使用所述的低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承，并使两轴承的距离尽量拉大，这时一个轴承左右两端的激磁线圈可进行串、并联联结，节省控制电路。

附图说明

图1为本发明技术解决方案之一的外磁钢、外激磁线圈低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承轴向截面图；

图2为本发明技术解决方案之一的外磁钢、外激磁线圈低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承轴向端面图；

图3为本发明技术解决方案之二的内磁钢、外激磁线圈低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承轴向截面图；

图4为本发明技术解决方案之二的内磁钢、外激磁线圈低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承轴向端面图。

具体实施方式

如图1、2所示，为本发明技术解决方案之一的外磁钢、外激磁线圈低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承，即本发明的基本形式，它由2个外导磁环1、1个永磁体2、2个定子铁心3、8个激磁线圈4、1个内导磁环5、2个转子铁心6、8个空气隙7组成，每个定子铁心3组成4个磁极，2个定子铁心3组成磁轴承左右两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子磁极绕制有激磁线圈4，定子铁心3外部是外导磁环1，外导磁环1与定子铁心3相连，在两个外导磁环1中间是永磁体2，定子铁心3的内部是转子铁心6，定子铁心3内表面与转子铁心6外表面留有一定的间隙，形成空气隙7，内导磁环5安装在转子铁心6的内部，并将左右两端转子铁心6连接起来，形成磁通路。该种形式的磁悬浮轴承也可将内导磁环5分为2个，在两者中间再加一个永磁体，使该永磁体与外导磁环1中间的永磁体2串联。

如图3、4所示，本发明技术解决方案之二的内磁钢、外激磁线圈低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承轴，它由外导磁环1、永磁体2、定子铁心3、激磁线圈4、内导磁环5、转子铁心6、空气隙7组成，每个定子铁心3组成4个磁极，2个定子铁心3组成磁轴承左右两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子磁极绕制有激磁线圈4，定子铁心3外部为外导磁环1，外导磁环1与定子铁心3相连，在定子铁心3内部是转子铁心6，定子铁心3内表面与转子铁心6外表面留有一定的间隙，形成空气隙7，内导磁环5安装在转子铁心6内部，永磁体2位于两个内导磁环5中间，内导磁环5将左右两端转子铁心6连接起来，形成磁通路。该种形式的磁悬浮轴承也可将外导磁环1分为2个，在两者中间再加一个永磁体，使该永磁体与内导磁环5中间的永磁体2串联。

上述本发明各技术方案所用的外导磁环1、内导磁环5均用导磁性能良好的材料制成，如电工纯铁、各种碳钢、铸铁、铸钢、合金钢、1J50和1J79等磁性材料等。定子铁心3、转子铁心6可用导磁性能良好的电工薄钢板如电工纯铁、电工硅钢板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79等磁性材料冲压迭制而成。永磁体2的材料为磁性能良好的稀土永磁体或铁氧体永磁体，永磁体2为一轴向圆环，沿轴向充磁。激磁线圈4用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。

Claims (10)

1、低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：由外导磁环(1)、永磁体(2)、定子铁心(3)、激磁线圈(4)、内导磁环(5)、转子铁心(6)组成，每个定子铁心(3)组成4个磁极，2个定子铁心(3)组成磁轴承左右两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子磁极绕制有激磁线圈(4)，定子铁心(3)外部为外导磁环(1)，外导磁环(1)与定子铁心(3)相连，永磁体(2)位于两个外导磁环(1)中间，定子铁心(3)内部为转子铁心(6)，定子铁心(3)内表面与转子铁心(6)外表面留有一定的间隙，形成空气隙(7)，内导磁环(5)安装在转子铁心(6)内部，并将左右两端转子铁心(6)连接起来，形成磁通路。

2、根据权利要求1所述的低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：所述的内导磁环(5)分为2个，在两者中间再加一个永磁体，使该永磁体与外导磁环(1)中间的永磁体(2)串联。

3、根据权利要求1或2所述的低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(2)为一轴向圆环，沿轴向充磁。

4、根据权利要求1或2所述的低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(2)采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成。

5、根据权利要求1或2所述的低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：所述的外导磁环(1)、内导磁环(5)均采用导磁性能良好的材料制成。

6、低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：由外导磁环(1)、永磁体(2)、定子铁心(3)、激磁线圈(4)、内导磁环(5)、转子铁心(6)组成，每个定子铁心(3)组成4个磁极，2个定子铁心(3)组成磁轴承左右两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子磁极绕制有激磁线圈(4)，定子铁心(3)外部为外导磁环(1)，外导磁环(1)与定子铁心(3)相连，在定子铁心(3)内部是转子铁心(6)，定子铁心(3)内表面与转子铁心(6)外表面留有一定的间隙，形成空气隙(7)，内导磁环(5)安装在转子铁心(6)内部，永磁体(2)位于两个内导磁环(5)中间，内导磁环(5)将左右两端转子铁心(6)连接起来，形成磁通路。

7、根据权利要求6所述的低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：所述的外导磁环(1)分为2个，在两者中间再加一个永磁体，使该永磁体与内导磁环(5)中间的永磁体(2)串联。

8、根据权利要求6或7所述的低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(2)为一轴向圆环，沿轴向充磁。

9、根据权利要求6或7所述的低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(2)采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成。

10、根据权利要求6或7所述的低功耗永磁偏置内转子径向磁轴承，其特征在于：所述的外导磁环(1)、内导磁环(5)均采用导磁性能良好的材料制成。

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