專利名稱：一種永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種非接觸磁懸浮軸承，特別是一種永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，可作為電機、機床等機械設備中旋轉(zhuǎn)部件的無接觸支撐。
背景技術：
磁懸浮軸承分純電磁式和永磁偏置加電磁控制的混合式磁懸浮軸承，前者使用電流大、功耗大，永磁偏置加電磁控制的混合式磁懸浮軸承，永磁體產(chǎn)生的磁場承擔主要的承載力，電磁磁場提供輔助的調(diào)節(jié)承載力，因而這種軸承可大大減小控制電流，降低損耗。但目前的永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承結(jié)構主要有以下幾種其一是在普通徑向電磁軸承的基礎上，在電磁磁路上放置永磁體，這樣控制線圈所產(chǎn)生的磁通要穿過永磁體內(nèi)部，由于永磁體磁阻很大，因而控制線圈要產(chǎn)生一定的電磁磁通需要較大的激磁電流，其二是將永磁體直接與定子疊片鐵心相連，這樣永磁磁路在穿過定子鐵心時會損失過多的磁動勢，因而會大大削弱永磁體對轉(zhuǎn)子軸的吸力，其三是定子鐵心橫跨于磁軸承左右兩端，定子磁極之間為極間隔磁，每個定子鐵心上繞制有線圈，永磁體通過導磁環(huán)與轉(zhuǎn)子鐵心相連，這種結(jié)構可以使得電勵磁磁路不經(jīng)過永磁體，并且還可以使永磁體不直接與疊片鐵心相連，但是電勵磁磁路在X方向和Y方向上存在嚴重的耦合，因而會使磁軸承的控制難度加大，其四是一個定子鐵心組成4個磁極，2個定子鐵心組成磁軸承左右兩端8個磁極，永磁體通過外導磁環(huán)與定子鐵心相連，每個定子鐵心上繞制有線圈，這種結(jié)構同樣可以使得電勵磁磁路不經(jīng)過永磁體，而且避免了永磁體直接與疊片的定子鐵心相連，但是由于電勵磁磁路在X方向和Y方向上仍然存在著嚴重的耦合，故同樣會使磁軸承的控制難度增大。鑒于上述原因，現(xiàn)有的永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承存在X方向和Y方向耦合嚴重的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種X方向和Y方向耦合小、易于控制、性能可靠的永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承。
本發(fā)明的技術解決方案之一為永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，由外導磁體、永磁體、定子鐵心、激磁線圈、內(nèi)導磁環(huán)、轉(zhuǎn)子鐵心、外隔磁體組成，其特征在于4個定子鐵心組成了X、Y正負方向上的4個定子磁極，它們之間通過外隔磁體連接，8個定子鐵心組成磁軸承左右兩端8個磁極，每個定子磁極繞制有激磁線圈，定子鐵心外部為外導磁體，永磁體位于兩個外導磁體之間，外導磁體與永磁體之間形成第二氣隙，用以構成電勵磁磁通路。定子鐵心內(nèi)部為轉(zhuǎn)子鐵心，定子鐵心內(nèi)表面與轉(zhuǎn)子鐵心外表面留有一定的間隙，形成空氣隙，內(nèi)導磁環(huán)安裝在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，并將左右兩端轉(zhuǎn)子鐵心連接起來，形成磁通路。此外，上述第二氣隙的長度應大于2倍空氣隙的長度。
上述方案的原理是永磁體通過定子鐵心、氣隙、轉(zhuǎn)子鐵心、內(nèi)導磁環(huán)、外導磁體構成磁路，用以給磁軸承提供永磁偏置磁場，承擔磁軸承所受的徑向力；由于第二氣隙的存在，可以使得電勵磁磁路通過定子鐵心、氣隙、轉(zhuǎn)子鐵心、內(nèi)導磁環(huán)、外導磁體和第二氣隙構成回路；其中第二氣隙的長度要大于2倍空氣隙的長度，這是為了減少永磁體通過第二氣隙構成磁路產(chǎn)生的磁通損失。由于定子鐵心之間用外隔磁體隔開，可以使得電勵磁磁路不會在X方向和Y方向上產(chǎn)生耦合，使得對磁軸承的控制更加容易。以Y軸正向磁路為例，本發(fā)明的永磁磁路為磁通從永磁體N極出發(fā)，通過一端外導磁體、定子鐵心、氣隙、轉(zhuǎn)子鐵心、內(nèi)導磁環(huán)到另一端的轉(zhuǎn)子鐵心、氣隙、定子鐵心、外導磁體回到永磁體S極，形成磁懸浮軸承的主磁路，如圖1實線所示。電磁磁路為一端的定子鐵心、氣隙、轉(zhuǎn)子鐵心、內(nèi)導磁環(huán)、另一端的轉(zhuǎn)子鐵心、氣隙、定子鐵心、外導磁體以及第二氣隙構成閉合回路，如圖1虛線所示。這種結(jié)構不僅保證了電勵磁磁路不通過永磁體內(nèi)部，減小了電勵磁磁路的磁阻，降低了勵磁電流，同時又保證了永磁體磁路不直接通過疊片的定子鐵心，減小了永磁磁動勢的損失，又由于外隔磁體將各個定子磁極隔開，因而消除了電勵磁磁路X方向和Y方向的耦合，這樣可以使得控制更加簡單。
本發(fā)明的技術解決方案之二為永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，由外導磁體、永磁體、定子鐵心、激磁線圈、內(nèi)導磁環(huán)、轉(zhuǎn)子鐵心組成，其特征在于4個定子鐵心組成了X、Y方向上的4個定子磁極，它們之間通過外隔磁體連接，8個定子鐵心組成磁軸承左右兩端8個磁極，左右兩端的定子鐵心通過外導磁體相連，每個定子磁極繞制有激磁線圈，定子鐵心內(nèi)部為轉(zhuǎn)子鐵心，定子鐵心內(nèi)表面與轉(zhuǎn)子鐵心外表面留有一定的間隙，形成空氣隙，內(nèi)導磁環(huán)安裝在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，永磁體位于兩個內(nèi)導磁環(huán)之間，永磁體與內(nèi)導磁環(huán)之間形成第二氣隙，用以構成電勵磁磁路。另外，上述第二氣隙的長度應大于2倍空氣隙的長度。
上述方案的原理是永磁體通過定子鐵心、氣隙、轉(zhuǎn)子鐵心、內(nèi)導磁環(huán)、外導磁體構成回路，用以給磁軸承提供永磁偏置磁場，承擔磁軸承所受的徑向力；由于第二氣隙的存在，可以使得電勵磁磁路通過定子鐵心、氣隙、轉(zhuǎn)子鐵心、內(nèi)導磁環(huán)、第二氣隙和外導磁體構成回路；其中第二氣隙的長度要大于2倍空氣隙的長度，這是為了減少永磁體通過第二氣隙構成磁路產(chǎn)生的磁通損失。由于定子鐵心之間用外隔磁體隔開，可以使得電勵磁磁路不會在X方向和Y方向上產(chǎn)生耦合，使得對磁軸承的控制更加容易。以Y軸正向磁路為例，本發(fā)明的永磁磁路為磁通從永磁體N極出發(fā)，通過一端內(nèi)導磁環(huán)、轉(zhuǎn)子鐵心、氣隙、定子鐵心、外導磁體到另一端的定子鐵心、氣隙、轉(zhuǎn)子鐵心、另一端的內(nèi)導磁環(huán)回到永磁體S極，形成磁懸浮軸承的主磁路，如圖3實線所示。電磁磁路為一端的轉(zhuǎn)子鐵心、氣隙、定子鐵心、外導磁體、另一端的定子鐵心、氣隙、轉(zhuǎn)子鐵心、內(nèi)導磁環(huán)以及第二氣隙構成閉合回路，如圖3虛線所示。這種結(jié)構不僅保證了電勵磁磁路不通過永磁體內(nèi)部，減小了電勵磁磁路的磁阻，降低了勵磁電流，同時又保證了永磁體磁路不直接通過疊片的定子鐵心，減小了永磁磁動勢的損失，又由于外隔磁體將各個定子磁極隔開，因而消除了電勵磁磁路X方向和Y方向的耦合，這樣可以使得控制更加簡單。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于本發(fā)明由于利用外導磁體和永磁體之間的第二氣隙，使得電勵磁磁路通過定子鐵心、氣隙、轉(zhuǎn)子鐵心、內(nèi)導磁環(huán)、第二氣隙和外導磁體閉合，從而避免電勵磁磁路經(jīng)過永磁體內(nèi)部，由于該結(jié)構使得永磁磁路不直接穿過疊片的定子鐵心，因而不會在定子鐵心中損失永磁磁動勢，又由于外隔磁體將各個定子鐵心隔開，從而消除了電勵磁磁路X方向和Y方向的耦合，這可以使得控制更加簡單。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是在一個機械設備中，如果軸向長度較短，為適應安裝尺寸的要求，所述的永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承兩端的激磁線圈可單獨控制，這樣本發(fā)明可作為兩個軸承使用，以減小軸向尺寸；如果設備的軸向長度較長，為更好的保證設備的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，可成對使用所述的永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，并使兩軸承的距離盡量拉大，這時一個軸承左右兩端的激磁線圈可進行串、并聯(lián)聯(lián)結(jié)，節(jié)省控制電路。


圖1為本發(fā)明技術解決方案之一的外磁鋼、外激磁線圈永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承軸向截面圖；圖2為本發(fā)明技術解決方案之一的外磁鋼、外激磁線圈永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承軸向端面圖；圖3為本發(fā)明技術解決方案之二的內(nèi)磁鋼、外激磁線圈永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承軸向截面圖；圖4為本發(fā)明技術解決方案之二的內(nèi)磁鋼、外激磁線圈永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承軸向端面圖。
具體實施例方式
如圖1、2所示，為本發(fā)明技術解決方案之一的外磁鋼、外激磁線圈永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，即本發(fā)明的基本形式，它由2個外導磁體1、1個永磁體2、8個定子鐵心3、8個外隔磁體9、8個激磁線圈4、1個內(nèi)導磁環(huán)5、2個轉(zhuǎn)子鐵心6組成，4個定子鐵心3組成了X、Y方向上的4個定子磁極，8個定子鐵心3組成了磁軸承左右兩端X、Y方向上的定子磁極，8個外隔磁體9連接磁軸承左右兩端X、Y方向上的定子鐵心3，每個定子磁極繞制有激磁線圈4，定子鐵心3外部為外導磁體1，永磁體2位于兩個外導磁體1之間，外導磁體1與永磁體2之間形成第二氣隙8，用以構成電勵磁磁通路。定子鐵心3內(nèi)部為轉(zhuǎn)子鐵心6，定子鐵心3內(nèi)表面與轉(zhuǎn)子鐵心6外表面留有一定的間隙，形成空氣隙7，內(nèi)導磁環(huán)5安裝在轉(zhuǎn)子鐵心6內(nèi)部，并將左右兩端轉(zhuǎn)子鐵心6連接起來，形成磁通路。
如圖3、4所示，本發(fā)明技術解決方案之二的內(nèi)磁鋼、外激磁線圈永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承軸，它由1個外導磁體1、1個永磁體2、8個定子鐵心3、8個激磁線圈4、2個內(nèi)導磁環(huán)5、2個轉(zhuǎn)子鐵心6組成，4個定子鐵心3組成了X、Y方向上的4個定子磁極，8個定子鐵心3組成了磁軸承左右兩端X、Y方向上的定子磁極，8個外隔磁體9連接磁軸承左右兩端X、Y方向上的定子鐵心3，每個定子磁極繞制有激磁線圈4，定子鐵心3外部為外導磁體1，外導磁體1與定子鐵心3相連，定子鐵心3內(nèi)部為轉(zhuǎn)子鐵心6，定子鐵心3內(nèi)表面與轉(zhuǎn)子鐵心6外表面留有一定的間隙，形成空氣隙7，內(nèi)導磁環(huán)5安裝在轉(zhuǎn)子鐵心6內(nèi)部，永磁體2位于兩個內(nèi)導磁環(huán)5之間，永磁體2與內(nèi)導磁環(huán)5之間形成第二氣隙8，用以構成電勵磁磁路。
上述本發(fā)明各技術方案所用的外導磁體1、內(nèi)導磁環(huán)5均用導磁性能良好的材料制成，如電工純鐵、各種碳鋼、鑄鐵、鑄鋼、合金鋼、1J50和1J79等磁性材料等。定子鐵心3、轉(zhuǎn)子鐵心6可用導磁性能良好的電工薄鋼板如電工純鐵、電工硅鋼板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79等磁性材料沖壓迭制而成。永磁體2的材料為磁性能良好的稀土永磁體或鐵氧體永磁體，永磁體2為一軸向圓環(huán)，沿軸向充磁。外隔磁體9的材料為銅、鋁、鈦合金等金屬。激磁線圈4用導電良好的電磁線繞制后浸漆烘干而成。
權利要求
1.永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，由外導磁體(1)、永磁體(2)、定子鐵心(3)、激磁線圈(4)、內(nèi)導磁環(huán)(5)、轉(zhuǎn)子鐵心(6)組成，其特征在于4個定子鐵心(3)組成了X、Y正負方向上的4個定子磁極，它們之間通過外隔磁體(9)連接，8個定子鐵心(3)組成磁軸承左右兩端8個磁極，每個定子磁極繞制有激磁線圈(4)，定子鐵心(3)外部為外導磁體(1)，永磁體(2)位于兩個外導磁體(1)之間，外導磁體(1)與永磁體(2)之間形成第二氣隙(8)，用以構成電勵磁磁路，定子鐵心(3)內(nèi)部為轉(zhuǎn)子鐵心(6)，定子鐵心(3)內(nèi)表面與轉(zhuǎn)子鐵心(6)外表面留有一定的間隙，形成空氣隙(7)，內(nèi)導磁環(huán)(5)安裝在轉(zhuǎn)子鐵心(6)內(nèi)部，并將左右兩端轉(zhuǎn)子鐵心(6)連接起來，形成磁通路。
2.根據(jù)權利要求1所述的永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于所述的第二氣隙(8)的長度應大于2倍空氣隙(7)的長度。
3.根據(jù)權利要求1所述的永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于所述的外隔磁體(9)的材料為銅、鋁、鈦合金。
4.根據(jù)權利要求1所述的永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于所述的永磁體(2)采用稀土永磁材料或鐵氧體永磁材料制成。
5.根據(jù)權利要求1所述的永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于所述的外導磁體(1)、內(nèi)導磁環(huán)(5)均采用導磁性能良好的材料制成。
6.根據(jù)權利要求1所述的永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于所述的永磁體(2)為一軸向圓環(huán)，沿軸向充磁。
7.永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，由外導磁體(1)、永磁體(2)、定子鐵心(3)、激磁線圈(4)、內(nèi)導磁環(huán)(5)、轉(zhuǎn)子鐵心(6)組成，其特征在于4個定子鐵心(3)組成了X、Y正負方向上的4個定子磁極，它們之間通過外隔磁體(9)連接，8個定子鐵心(3)組成磁軸承左右兩端8個磁極，每個定子磁極繞制有激磁線圈(4)，定子鐵心(3)外部為外導磁體(1)，外導磁體(1)與定子鐵心(3)相連，定子鐵心(3)內(nèi)部為轉(zhuǎn)子鐵心(6)，定子鐵心(3)內(nèi)表面與轉(zhuǎn)子鐵心(6)外表面留有一定的間隙，形成空氣隙(7)，內(nèi)導磁環(huán)(5)安裝在轉(zhuǎn)子鐵心(6)內(nèi)部，永磁體(2)位于兩個內(nèi)導磁環(huán)(5)之間，永磁體(2)與內(nèi)導磁環(huán)(5)之間形成第二氣隙(8)，用以構成電勵磁磁路。
8.根據(jù)權利要求7所述的永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于所述的第二氣隙(8)的長度應大于2倍空氣隙(7)的長度。
9.根據(jù)權利要求7所述的永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于所述的外隔磁體的材料為銅、鋁、鈦合金。
10.根據(jù)權利要求7所述的永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于所述的永磁體(2)采用稀土永磁材料或鐵氧體永磁材料制成。
11.根據(jù)權利要求7所述的永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于所述的外導磁體(1)、內(nèi)導磁環(huán)(5)均采用導磁性能良好的材料制成。
12.根據(jù)權利要求7所述的永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于所述的永磁體(2)為一軸向圓環(huán)，沿軸向充磁。
全文摘要
永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承由外導磁體、永磁體、定子鐵心、外隔磁體、激磁線圈、內(nèi)導磁環(huán)、轉(zhuǎn)子鐵心組成，4個定子鐵心組成了X、Y正負方向上的4個定子磁極，它們之間通過外隔磁體連接，8個定子鐵心組成磁軸承左右兩端8個磁極，每個定子磁極繞制有激磁線圈，定子鐵心外面是外導磁體，外導磁體與定子鐵心相連，永磁體位于兩個外導磁體之間，定子鐵心內(nèi)部是轉(zhuǎn)子鐵心，定子鐵心內(nèi)表面與轉(zhuǎn)子鐵心外表面留有一定的間隙，形成空氣隙，外導磁體與永磁體之間形成第二氣隙，用以構成電勵磁磁路，內(nèi)導磁環(huán)安裝在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，并將左右兩端轉(zhuǎn)子鐵心連接起來，形成磁通路。本發(fā)明解決了現(xiàn)有永磁偏置混合磁軸承X、Y方向耦合嚴重的缺點，具有性能可靠、利于控制的優(yōu)點。
文檔編號F16C32/04GK1667286SQ200510011530
公開日2005年9月14日 申請日期2005年4月6日 優(yōu)先權日2005年4月6日
發(fā)明者房建成, 孫津濟, 馬善振 申請人:北京航空航天大學