專利名稱：低損耗的永磁偏置徑向磁軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的低損耗永磁偏置徑向磁軸承屬磁軸承中的混合磁軸承。二、 背景技術(shù)磁懸浮軸承又簡稱為磁軸承，是利用定子和轉(zhuǎn)子之間的磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮 于空間，使定子和轉(zhuǎn)子之間沒有機(jī)械接觸的一種新型高性能軸承。由于定、轉(zhuǎn)子 之間不存在機(jī)械上的接觸，所以磁懸浮軸承的轉(zhuǎn)子可達(dá)到很高的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，并且 具有機(jī)械磨損小、能耗低、壽命長、無潤滑、無污染等優(yōu)點(diǎn)，特別適合高速、真 空和超潔凈等特殊的應(yīng)用場合。目前，磁軸承按照磁力提供的方式分為以下幾種第一種是主動磁軸承，這 種磁軸承線圈中存在偏置電流，以提供偏置磁場，由控制電流流經(jīng)控制繞組產(chǎn)生 的控制磁通與偏置磁通進(jìn)行疊加，從而產(chǎn)生可控的懸浮力，體積、重量和功耗都 比較大。第二種是被動磁軸承，這種磁軸承的懸浮力完全由永磁體提供，其所需 的控制器簡單，懸浮功耗小，但是剛度和阻尼都較小， 一般運(yùn)用于僅在一個方向 上支撐物體或者是減輕作用在傳統(tǒng)軸承上的負(fù)荷。第三種是混合磁軸承，這種磁 軸承采用永磁材料替代主動磁軸承中的電磁鐵來產(chǎn)生偏置磁場，電磁鐵提供的只 是平衡負(fù)載或干擾的控制磁場，大大降低了因偏置電流產(chǎn)生的功率損耗，電磁鐵 所需的安匝數(shù)只是主動磁軸承的一半，縮小了磁軸承的體積，減輕了其重量，并 提高了承載能力。目前國際上研究的永磁偏置徑向磁軸承結(jié)構(gòu)形式分為異極性和同極性結(jié)構(gòu)， 異極性結(jié)構(gòu)軸向長度可以做得較短，但是會產(chǎn)生磁滯損耗，而同極性的結(jié)構(gòu)的磁 軸承磁滯損耗大大減小，但是普通同極性磁軸承結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所需控制繞組多， 功耗大，同時為了便于套裝控制繞組，定子磁極之間有留有空隙，導(dǎo)致氣隙磁密 中含有齒諧波分量，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，交替地處于定子齒或空隙下，其上的磁密以 較高的頻率交變，交變的磁密在轉(zhuǎn)子鐵心上會產(chǎn)生較大的渦流損耗，導(dǎo)致磁軸承 的損耗增大。三、 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，功耗低，占用軸向 空間小的同極性永磁偏置徑向磁軸承。本發(fā)明的低損耗永磁偏置徑向磁軸承，包括定子組件和轉(zhuǎn)子組件，其特征在于 所述定子組件，包括徑向定子、控制繞組、環(huán)形永磁體和外部磁極鐵心，其中徑
向定子為四齒兩對極結(jié)構(gòu)的徑向定子，四個齒間不留間隙，在徑向定子的四個齒 上繞有控制繞組，相對兩個齒上的控制繞組串聯(lián)聯(lián)接，環(huán)形永磁體貼裝在徑向定 子的外端部，外部磁極鐵心套裝在徑向定子的外圓上，其內(nèi)端面與環(huán)形永磁體外 端接觸。所述轉(zhuǎn)子組件包括轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)子鐵心套裝在轉(zhuǎn)子上，置于徑向 定子和外部磁極鐵心內(nèi)。這種磁軸承的基本工作原理(以水平方向?yàn)槔?是當(dāng) 轉(zhuǎn)子位于中間位置，即平衡位置時，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，環(huán)形永磁體產(chǎn)生的磁通 在轉(zhuǎn)子右面的氣隙和左面的氣隙處是相等的，此時左右吸力相等。如果在此時轉(zhuǎn) 子受到一個向右的外擾力，轉(zhuǎn)子就會偏離平衡位置向右運(yùn)動，造成環(huán)形永磁體產(chǎn) 生的左右氣隙的磁通變化，即左面的氣隙增大，磁通減小；右面的氣隙減小，磁 通增大。由于磁場吸力與磁通的平方成正比，因此左邊的吸力小于右邊的吸力， 在加入控制磁通前，轉(zhuǎn)子將無法回到平衡位置。此時位移傳感器檢測出轉(zhuǎn)子偏離 其參考位置的位移量，控制器將這一位移信號變換成控制信號，功率放大器又將 此控制信號變換成控制電流，這個電流流經(jīng)電磁線圈繞組使鐵心內(nèi)產(chǎn)生一個電磁 磁通，這個電磁磁通與氣隙中的永磁磁通疊加，使轉(zhuǎn)子左面氣隙中的磁通增加， 右面氣隙中的磁通減小，產(chǎn)生一個向左的吸力，將轉(zhuǎn)子拉回平衡位置。同理，不 論轉(zhuǎn)子受到向左、向右、向上或向下的外擾動，帶位置負(fù)反饋的永磁偏置徑向磁 軸承通過控制器控制勵磁繞組中的電流，調(diào)節(jié)各氣隙磁通的大小，始終能保持轉(zhuǎn) 子在平衡位置。這種永磁偏置徑向磁軸承利用 一個徑向充磁的環(huán)形永磁體來建立靜態(tài)偏置 磁場，通過外部磁極鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心、徑向定子形成閉合磁路，徑向定子由硅鋼 片疊壓而成，為四齒兩對極結(jié)構(gòu)，為減小氣隙中磁密的變化，消除齒諧波影響， 減少轉(zhuǎn)子鐵心中的渦流損耗，磁極間不留有間隙，在四個齒上繞有控制繞組，相 對的兩個齒上的繞組串聯(lián)相接，產(chǎn)生控制磁通與偏置磁通疊加，產(chǎn)生可控磁懸浮 力，使轉(zhuǎn)子始終保持在平衡位置。該型磁軸承結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，功耗 低，軸向占用空間小，在飛輪儲能、空調(diào)壓縮機(jī)、渦輪分子泵等高速應(yīng)用場合具 有廣闊的應(yīng)用前景。將其利用于航空航天和艦艇等國防領(lǐng)域則更具有重要意義。 四

圖1是低損耗永磁偏置徑向磁軸承結(jié)構(gòu)平面示意圖。圖1中標(biāo)號名稱1、徑向定子。2、控制繞組。3、轉(zhuǎn)子。4、轉(zhuǎn)子鐵心。5、 環(huán)形永磁體。6、外部磁極鐵心。
圖2是低損耗永磁偏置徑向磁軸承原理圖。圖2中標(biāo)號名稱A是氣隙，實(shí)線表示永磁偏置磁通，單虛線表示徑向控制 繞組產(chǎn)生的控制磁通。 五具體實(shí)施方式
圖1是本發(fā)明的永磁偏置徑向磁軸承結(jié)構(gòu)示意圖，圖中的徑向定子1由硅鋼 片疊壓而成，為兩對極結(jié)構(gòu)，共有四齒，為減少氣隙中磁密的變化，消除齒諧波 影響，減少轉(zhuǎn)子鐵心中的渦流損耗，齒間沒有間隙，在四個齒上繞有控制繞組2， 相對的兩個齒上的繞組串聯(lián)相接，環(huán)形永磁體5貼裝在徑向定子1的外部的位置， 外部磁極鐵心6為電工純鐵制成，為進(jìn)一步減小磁滯和渦流損耗，轉(zhuǎn)子鐵心4 由硅鋼片疊壓而成，外部磁極鐵心6套裝在徑向定子1外圓上，其內(nèi)端面與環(huán)形 永磁體5接觸，套裝在轉(zhuǎn)子3上的轉(zhuǎn)子鐵心4置于定子1和外部磁極鐵心6內(nèi)。 環(huán)形永磁體產(chǎn)生的偏置磁通依次經(jīng)過外部磁極鐵心、徑向氣隙A、轉(zhuǎn)子鐵心、徑 向氣隙和徑向定子構(gòu)成回路，如圖2中的實(shí)線所示。由控制繞組產(chǎn)生的控制磁通 只經(jīng)過徑向氣隙，不經(jīng)過氣隙A，如圖2中的虛線所示。
權(quán)利要求
1、一種低損耗的永磁偏置徑向磁軸承，包括定子組件和轉(zhuǎn)子組件。其特征在于所述定子組件，包括徑向定子(1)、控制繞組(2)、環(huán)形永磁體(5)和外部磁極鐵心(6)，其中徑向定子(1)為四齒兩對極結(jié)構(gòu)的徑向定子，四個齒間不留間隙，在徑向定子(1)的四個齒上繞有控制繞組(2)，相對兩個齒上的控制繞組串聯(lián)聯(lián)接，環(huán)形永磁體(5)貼裝在徑向定子(1)的外端部，外部磁極鐵心(6)套裝在徑向定子(1)的外圓上，徑向定子(1)的內(nèi)端面與環(huán)形永磁體(5)外端接觸，所述轉(zhuǎn)子組件包括轉(zhuǎn)子(3)和轉(zhuǎn)子鐵心(4)，轉(zhuǎn)子鐵心(4)套裝在轉(zhuǎn)子(3)上，置于徑向定子(1)和外部磁極鐵心(6)內(nèi)。
全文摘要
一種低損耗的永磁偏置徑向磁軸承，屬混合磁軸承。包括徑向定子(1)、控制繞組(2)、徑向充磁的環(huán)形永磁體(5)、外部磁極鐵心(6)和套有轉(zhuǎn)子鐵心(4)的轉(zhuǎn)子(3)。利用徑向充磁的環(huán)形永磁體來建立靜態(tài)偏置磁場，通過外部磁極鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心、徑向定子形成閉合磁路，徑向定子(1)由硅鋼片疊壓而成，為四齒兩對極結(jié)構(gòu)，為減少轉(zhuǎn)子鐵心中的渦流損耗，磁極間不留有間隙，在四個齒上繞有控制繞組(2)，相對的兩個齒上的繞組串聯(lián)相接，產(chǎn)生控制磁通與偏置磁通疊加，產(chǎn)生可控磁懸浮力，使轉(zhuǎn)子始終保持在平衡位置。該磁軸承結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，功耗低，軸向占用空間小，在飛輪儲能、渦輪分子泵等高速應(yīng)用場合具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號F16C32/04GK101158375SQ20071013518
公開日2008年4月9日 申請日期2007年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月7日
發(fā)明者磊 梅, 王曉剛, 王曉琳, 趙旭升, 鄧智泉 申請人:南京航空航天大學(xué)