專利名稱:一種低功耗永磁偏置軸向混合磁軸承的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種低功耗永磁偏置軸向混合磁軸承，其組成包括定子盤、吸力盤、永磁環(huán)、隔磁環(huán)、轉(zhuǎn)軸與控制線圈繞組。定子盤由硅鋼片疊壓而成，其徑向內(nèi)側(cè)凹槽嵌入圓環(huán)形永磁體，圓環(huán)形永磁體采用稀土材料釹鐵硼制成，隔磁環(huán)分別嵌插在圓環(huán)形永磁體的兩側(cè)，控制線圈繞組繞制于軸向定子盤徑向外側(cè)凹槽內(nèi)，用以產(chǎn)生控制磁通。吸力盤也由硅鋼片疊壓而成，套裝在轉(zhuǎn)軸上。定子盤與吸力盤之間形成軸向氣隙；定子盤與轉(zhuǎn)軸之間形成徑向氣隙。永磁環(huán)、軸向氣隙、吸力盤與定子盤構(gòu)成完整的靜態(tài)偏磁磁通回路，定子盤、軸向氣隙和吸力盤構(gòu)成完整的控制磁通回路。本實用新型具有功耗低、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、易于實現(xiàn)等優(yōu)點。
【專利說明】一種低功耗永磁偏置軸向混合磁軸承

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種非接觸磁軸承，特指一種新型低功耗永磁偏置軸向混合磁軸承，適用于高速飛輪儲能、高速電主軸、無軸承電機(jī)等高速傳動領(lǐng)域的軸向無接觸懸浮支撐。

【背景技術(shù)】
[0002]相對于傳統(tǒng)機(jī)械軸承，磁軸承具有無摩擦、無磨損、高速度、噪音小及壽命長等優(yōu)點。由于定轉(zhuǎn)子之間沒有機(jī)械接觸，磁軸承的轉(zhuǎn)子可達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速，所以在高速飛輪儲能、高速電主軸、無軸承電機(jī)等高速傳動領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。按照勵磁方式的不同，磁軸承可以分為主動磁軸承、被動磁軸承和混合磁軸承(永磁偏置混合磁軸承)。由于混合磁軸承使用永磁體產(chǎn)生的磁場作為靜態(tài)偏置磁場，不僅使得電磁鐵的安匝數(shù)減少，大大降低了功率放大器的功耗，而且還縮小了磁軸承的體積，減輕了其重量。
[0003]國際上目前研宄的永磁偏置軸向磁軸承在結(jié)構(gòu)形式上大致可分為三種:一種是將永磁體置于轉(zhuǎn)子中，但其安裝難度增大，限制了其高速運(yùn)行；第二種磁軸承將懸浮轉(zhuǎn)子(一般是吸力盤)置于定子的兩側(cè)，軸向長度增加，臨界轉(zhuǎn)速低；第三種磁軸承中軸向控制磁通穿過永磁體，但對永磁體呈明顯的去磁作用，漏磁較大，在高速、高效的應(yīng)用場合受到限制。
[0004]雖然一些相關(guān)專利都克服了以上的不足，但是也都具有其自身的不足之處。中國專利公開號CN102900761A、名稱為“一種永磁偏置軸向混合磁軸承”，結(jié)構(gòu)緊湊，但是為了防止轉(zhuǎn)子偏心時產(chǎn)生偏心磁拉力，其在副氣隙處又增加了兩套控制繞組用以施加主動控制，這樣增加了磁軸承的徑向長度和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不利于磁軸承體積的縮小和成本的降低。中國專利公開號CN101038011、名稱為“三自由度交流混合磁軸承”，將徑向兩自由度和軸向單自由度結(jié)合起來，具有集成度高，體積小等優(yōu)點，但其缺陷是:徑向力和軸向力之間存在耦合，增加了控制系統(tǒng)的難度。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型的目的是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種新型永磁偏置軸向混合磁軸承。該磁軸承具有功耗低、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、易于實現(xiàn)等優(yōu)點。
[0006]本實用新型的技術(shù)解決方案是:
[0007]一種低功耗永磁偏置軸向混合磁軸承，包括定子組件和轉(zhuǎn)子組件；
[0008]所述定子組件包括一個定子盤、兩個永磁環(huán)、兩套控制線圈繞組、四個隔磁環(huán)；
[0009]所述永磁環(huán)分為第一永磁環(huán)和第二永磁環(huán)，所述第一永磁環(huán)和所述第二永磁環(huán)嵌入在所述定子盤內(nèi)側(cè)凹槽中；
[0010]所述隔磁環(huán)分為第一隔磁環(huán)、第二隔磁環(huán)、第三隔磁環(huán)、第四隔磁環(huán)；所述第一隔磁環(huán)和所述第二隔磁環(huán)分別嵌入在所述第一永磁環(huán)的兩側(cè)，所述第三隔磁環(huán)和所述第四隔磁環(huán)分別嵌入在所述第二永磁環(huán)的兩側(cè)；
[0011]所述控制線圈繞組分為第一控制線圈繞組、第二控制線圈繞組，所述第一控制線圈繞組和所述第二控制線圈繞組分別繞制于定子盤外側(cè)凹槽內(nèi)，用以產(chǎn)生控制磁通；
[0012]所述轉(zhuǎn)子組件包括吸力盤和轉(zhuǎn)軸，所述吸力盤套裝在所述轉(zhuǎn)軸上；
[0013]所述的定子盤與所述吸力盤之間形成主軸向氣隙和副軸向氣隙；所述定子盤與所述轉(zhuǎn)軸之間形成徑向氣隙；所述永磁環(huán)、軸向氣隙、吸力盤、定子盤構(gòu)成完整的靜態(tài)偏置磁通回路；所述定子盤、軸向氣隙、吸力盤構(gòu)成完整的控制磁通回路。
[0014]進(jìn)一步，所述第一永磁環(huán)和所述第二永磁環(huán)是圓環(huán)形的且軸向充磁，形狀大小相同，均采用稀土材料釹鐵硼制成。
[0015]進(jìn)一步，所述四個隔磁環(huán)大小相同，且為非導(dǎo)磁材料。
[0016]進(jìn)一步，所述隔磁環(huán)均由鋁、環(huán)氧樹脂材料構(gòu)成。
[0017]進(jìn)一步，所述的定子盤和吸力盤均由硅鋼片疊壓而成。
[0018]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有的優(yōu)點是:
[0019]I)有效降低了永磁體不可逆退磁的可能性，并方便主動懸浮的控制。
[0020]2)利用永磁磁場代替電磁鐵產(chǎn)生的磁場來作為靜態(tài)偏置磁場，減少了電磁鐵安匝數(shù)，縮小磁軸承體積，降低功率放大器功耗，提高磁軸承承載能力。
[0021]3)傳統(tǒng)的混合磁軸承只能單一地在主氣隙施加主動控制，為了防止轉(zhuǎn)子偏心時產(chǎn)生偏心磁拉力，相關(guān)專利在副氣隙處又增加了兩套控制繞組用以施加主動控制，而本實用新型控制繞組產(chǎn)生的控制磁通同時經(jīng)過主、副軸向氣隙，對主副軸向氣隙同時施加主動控制，不僅不容易產(chǎn)生偏心磁拉力，而且還省去了兩套繞組，磁軸承體積小，結(jié)構(gòu)簡單。
[0022]4)將永磁體置于轉(zhuǎn)子中，不僅安裝難度大，而且使得轉(zhuǎn)子的剛度降低，并減小了轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。本實用新型將永磁體嵌入在定子圓盤中，提高了轉(zhuǎn)子的剛度與臨界轉(zhuǎn)速，并且有效地避免了控制磁通對永磁體的去磁。
[0023]5)由于隔磁環(huán)的使用，大大地降低了永磁體的漏磁，提高了混合磁軸承的穩(wěn)定性。
[0024]6)不占用過大的徑向和軸向長度，增加了混合型磁懸浮軸承的適用范圍。
[0025]7)結(jié)構(gòu)簡單、控制方便且易于實現(xiàn)。

【附圖說明】

[0026]圖1為永磁偏置軸向混合磁軸承的軸向截面與磁通回路示意圖。
[0027]圖2為永磁偏置軸向混合磁軸承定子盤的徑向截面俯視示意圖。
[0028]圖中:1為定子盤，2為吸力盤，3為轉(zhuǎn)軸，4為主軸向氣隙，5為副軸向氣隙，6為徑向氣隙，7為第一控制線圈繞組，8為第二控制線圈繞組，9、10為控制線圈產(chǎn)生的控制磁通回路，11、12、13、14為永磁體產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁通回路，15為第一隔磁環(huán)，16為第二隔磁環(huán)，17為第三隔磁環(huán)，18為第四隔磁環(huán)，19為第一永磁環(huán)，20為第二永磁環(huán)。

【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步說明。
[0030]圖1是本實用新型的永磁偏置軸向混合磁軸承軸向截面與磁通回路示意圖，圖2是定子盤徑向截面俯視示意圖。定子盤I由硅鋼片疊壓而成，內(nèi)側(cè)凹槽分別嵌入圓環(huán)形第一永磁體19、第二永磁體20，第一永磁體19和第二永磁體20均采用稀土材料釹鐵硼制成，由非導(dǎo)磁材料構(gòu)成的第一隔磁環(huán)15、第二隔磁環(huán)16、第三隔磁環(huán)17、第四隔磁環(huán)18分別嵌插在圓環(huán)形第一永磁體19和第二永磁體20的兩側(cè)，以有效降低永磁體兩側(cè)的漏磁，第一控制線圈繞組7和第二控制線圈繞組8分別繞制于兩個軸向定子盤I外側(cè)凹槽內(nèi)，用以產(chǎn)生控制磁通。吸力盤2也由硅鋼片疊壓而成，套裝在轉(zhuǎn)軸3上。定子盤I與吸力盤2之間形成主軸向氣隙4和副軸向氣隙5 ;定子盤I與轉(zhuǎn)軸3之間形成徑向氣隙6。永磁環(huán)、軸向氣隙、吸力盤2與定子盤I構(gòu)成完整的靜態(tài)偏磁磁通回路，如圖1中帶箭頭的虛線所示；定子盤1、軸向氣隙和吸力盤2構(gòu)成完整的控制磁通回路，如圖1中帶箭頭的實線所示。
[0031]本實用新型的基本工作原理為:當(dāng)吸力盤2處于中間位置，即平衡位置時，由于其結(jié)構(gòu)的對稱性，兩邊永磁環(huán)產(chǎn)生的磁通在吸力盤2左邊的氣隙與右邊的氣隙處是相等的，此時，吸力盤2左邊與右邊受到的吸力相等；吸力盤2與左右永磁體之間的氣隙相等，即左右氣隙長度均為g(l，工程上，g(l—般取在0.2?1.5_。假設(shè)此時吸力盤2受到一個向右的擾動力，吸力盤2向右運(yùn)動，造成左邊的氣隙變大，氣隙中偏置磁通量變??；右邊的氣隙變小，氣隙中偏置磁通量變大。根據(jù)在磁極面積一定時磁場吸力與磁場磁通量的平方成正比，所以，向右的吸力大于向左的吸力，在沒有外界的幫助下，吸力盤2是無法回到平衡位置的。此時，位移傳感器檢測到吸力盤偏離參考位置向右的位移量，控制器將這一位移信號轉(zhuǎn)換成控制電流，這個電流流入控制繞組，在鐵芯和氣隙中建立一個控制磁場。右邊氣隙中的偏置磁通與控制磁通相減，使得右邊氣隙中的磁通量減小；而左邊氣隙中的偏置磁通與控制磁通相加，使得左邊氣隙中的磁通量增加。這樣，產(chǎn)生一個合力方向向左的吸力，將吸力盤2拉回平衡位置。同理，當(dāng)吸力盤2受到一個向左的擾動力時，分析過程與此相類似。這樣，新型永磁偏置軸向混合磁軸承通過帶有位移負(fù)反饋的控制器來調(diào)節(jié)控制繞組中電流的大小，可以將吸力盤2始終保持在平衡位置。
[0032]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種低功耗永磁偏置軸向混合磁軸承，其特征在于:包括定子組件和轉(zhuǎn)子組件； 所述定子組件包括一個定子盤(I)、兩個永磁環(huán)、兩套控制線圈繞組、四個隔磁環(huán)； 所述永磁環(huán)分為第一永磁環(huán)(19)和第二永磁環(huán)(20)，所述第一永磁環(huán)(19)和所述第二永磁環(huán)(20)嵌入在所述定子盤(I)內(nèi)側(cè)凹槽中； 所述隔磁環(huán)分為第一隔磁環(huán)(15)、第二隔磁環(huán)(16)、第三隔磁環(huán)(17)、第四隔磁環(huán)(18);所述第一隔磁環(huán)(15)和所述第二隔磁環(huán)(16)分別嵌入在所述第一永磁環(huán)(19)的兩側(cè)，所述第三隔磁環(huán)(17)和所述第四隔磁環(huán)(18)分別嵌入在所述第二永磁環(huán)(20)的兩側(cè)； 所述控制線圈繞組分為第一控制線圈繞組(7)、第二控制線圈繞組(8)，所述第一控制線圈繞組(7)和所述第二控制線圈繞組(8)分別繞制于定子盤(I)外側(cè)凹槽內(nèi)，用以產(chǎn)生控制磁通；所述轉(zhuǎn)子組件包括吸力盤(2)和轉(zhuǎn)軸(3)，所述吸力盤(2)套裝在所述轉(zhuǎn)軸(3)上；所述的定子盤⑴與所述吸力盤⑵之間形成主軸向氣隙⑷和副軸向氣隙(5);所述定子盤(I)與所述轉(zhuǎn)軸(3)之間形成徑向氣隙￠);所述永磁環(huán)、軸向氣隙、吸力盤(2)、定子盤(I)構(gòu)成完整的靜態(tài)偏置磁通回路；所述定子盤(I)、軸向氣隙、吸力盤(2)構(gòu)成完整的控制磁通回路。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁偏置軸向混合磁軸承，其特征在于:所述第一永磁環(huán)(19)和所述第二永磁環(huán)(20)是圓環(huán)形的且軸向充磁，形狀大小相同，均由稀土材料釹鐵硼構(gòu)成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁偏置軸向混合磁軸承，其特征在于:所述四個隔磁環(huán)大小相同，且為非導(dǎo)磁材料。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁偏置軸向混合磁軸承，其特征在于:所述的定子盤(I)和吸力盤(2)均由硅鋼片疊壓而成。
【文檔編號】F16C32-04GK204284204SQ201420501287
【發(fā)明者】劉賢興, 董今越, 杜懌 [申請人]江蘇大學(xué)