本發(fā)明屬于磁懸浮軸承技術領域，更具體地，涉及一種低轉子損耗的異極性永磁偏置混合徑向磁軸承。

背景技術：

伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，高速和超高速電機得到日益廣泛的應用。但電機轉速的提升，對軸承性能的要求也越來越高，傳統(tǒng)機械軸承已無法滿足其需求。相比之下，磁軸承由于具有無摩擦磨損、轉子位移精度高、可支承轉速高、無需潤滑油、壽命長等優(yōu)點，在真空、超凈、超高速等場合有著非常廣闊的應用前景，因此也受到日益廣泛的關注。

按照磁力提供的方式，磁軸承通?？煞譃槿悾罕粍哟泡S承、主動磁軸承和永磁偏置混合磁軸承。其中，永磁偏置混合磁軸承兼具了被動磁軸承和主動磁軸承的優(yōu)點，充分利用了永磁體來提供偏置磁場，降低了系統(tǒng)的待機損耗，也因此成為了學者研究的熱點。但是從目前發(fā)展來看，永磁偏置混合磁軸承結構仍然在一定程度上存在不足，主要體現(xiàn)如下：

(1)同極性混合偏置磁軸承，其永磁體在定子磁極上產生的磁極性相同，因此這類磁軸承轉子的鐵心損耗較小，但由于偏置磁通和控制磁通的流通路徑不在一個平面上，其軸向長度相對較長，影響電機臨界轉速的提高，且漏磁相對較大。

(2)異極性混合偏置磁軸承，較具代表的是日本學者Okada等人提出的一種定子八極結構(Y.Okada,H.Koyanayi,and K.Kakihara,“New concept of miracle magnetic bearings,”in Proc.9th Int.Symp.Magnetic Bearings,Lexington,KY,Aug.2004,pp.89–95.)，這種結構的偏置磁通和控制磁通的流通路徑在同一個平面上，因此其軸向長度較短，臨界轉速高，且漏磁較小。但由于其永磁體在定子磁極上產生的磁極性不同，轉子在高速運行下會產生較大的鐵心損耗，不利于轉子的散熱，從而限制了其在真空、超高速等場合的應用。

因此，需要開發(fā)一種新型的異極性永磁偏置混合徑向磁軸承，要求其軸向長度較短，臨界轉速高且高速運行環(huán)境下鐵心損耗小，以適合于真空、超高速等場合的應用。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種異極性混合偏置磁軸承，通過減小定子磁極的數(shù)目來降低氣隙磁場翻轉的頻率，從而減小轉子在高速運行下的鐵心損耗，由此解決在高速真空場合下，磁軸承轉子損耗大、散熱難、溫升高的技術問題。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種異極性混合偏置磁軸承，其包括定子、轉子、永磁體、控制線圈和轉軸，其中，所述轉子設置在所述定子內部，且相對于所述定子可進行旋轉，定子與轉子之間留有工作氣隙；所述永磁體對稱設置于所述定子的相鄰兩齒之間；所述轉軸設置在所述轉子的內部，并隨著該轉子一同轉動；此外，所述控制繞組纏繞在所述定子的定子極上且同一方向(X方向或Y方向)上的兩個線圈之間形成串聯(lián)。

對于所述定子而言，其具有四個定子極，是傳統(tǒng)八極異極性永磁偏置混合徑向磁軸承定子極數(shù)量的一半，且定子齒的末端向兩邊延伸至與永磁體相接，由此使得定子極的面積增加；另外，為了防止永磁體被定子鐵心短路，還在X方向的定子齒上引入了輔助氣隙，由此使得永磁體產生的磁通經過工作氣隙并形成氣隙偏置磁場。

進一步地，所述定子鐵心和轉子鐵心均由多層無取向硅鋼片軸向疊壓而成；所述永磁體的材料為高磁性能稀土永磁材料；所述轉軸的材料為高強度鋼。

進一步地，嵌放于定子鐵心內的永磁體為規(guī)則長方體，按兩兩相隔90度的方式嵌入定子鐵心相鄰兩齒之間，充磁方向采用周向充磁，且相鄰兩塊永磁體大小相同、充磁方向相反。

進一步地，所述輔助氣隙的大小要遠大于所述工作氣隙的大小，以減小漏磁通，所述工作氣隙的大小譬如為0.5mm，所述輔助氣隙的大小譬如為2mm。

進一步地，所述輔助氣隙處采用不導磁材料進行填充，以加固機械結構。

總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，能夠取得下列有益效果：

(1)永磁體安裝在定子齒之間，定子上只有四個能進行主動控制的定子磁極，不存在不能實施主動控制的永磁體磁極，這樣使得轉子偏心時位移負剛度較小，高速運轉時產生的振動也較小。

(2)控制磁路不經過永磁體，調節(jié)控制電流不會引起永磁體的不可逆失磁，提高了系統(tǒng)可靠性；控制磁路和永磁偏置磁路解耦性好，有利于控制系統(tǒng)設計。

(3)定子主動控制極面積增大，增加了控制范圍，提高了轉子懸浮穩(wěn)定性。

(4)通過結構設計，減少了定子磁極數(shù)目，降低了氣隙磁場翻轉的頻率，從而有效降低了轉子在高速運行下的鐵心損耗。

(5)磁軸承在徑向各個方向均能滿足承載力要求，且在Y方向上具有更高的懸浮性能，特別適合臥式系統(tǒng)承載轉子重力的要求，有利于轉子的快速起浮。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中異極性永磁偏置混合徑向磁軸承的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例的永磁偏置磁路示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例的控制磁路示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：

1-定子鐵心、2-轉子鐵心、3-控制線圈、4-輔助氣隙、5-轉軸、6-永磁體。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

圖1為本發(fā)明中異極性永磁偏置混合徑向磁軸承的結構示意圖，由圖可知，其包括定子鐵心1、轉子鐵心2、控制線圈3、輔助氣隙4、轉軸5以及永磁體6。

其中，各個部件間的連接關系為：所述轉子鐵芯2設置在所述定子鐵芯1中間處，且相對于所述定子鐵芯能進行旋轉，定子鐵芯1與轉子鐵芯2之間留有工作氣隙；所述永磁體6具有多個，多個永磁體6對稱嵌裝在所述定子鐵芯的相鄰兩齒之間；所述轉軸5設置在所述轉子鐵芯的中間處，并能隨著該轉子鐵芯2一同轉動。此外，所述控制繞組3纏繞在所述定子鐵芯的定子極上，且同一方向(X或Y)上的兩個線圈或者控制繞組之間形成串聯(lián)。

對于所述定子而言，其具有四個定子極，是傳統(tǒng)八極異極性永磁偏置混合徑向磁軸承定子極數(shù)量的一半，且定子齒的末端向兩邊延伸至與永磁體相接，由此使得定子極的面積增加；另外，為了防止永磁體被定子鐵心短路，還在X方向的定子齒上引入了輔助氣隙，由此使得永磁體產生的磁通經過氣隙并形成氣隙偏置磁場。

圖2和圖3分別為磁軸承的永磁偏置磁路示意圖和控制磁路示意圖，如圖2和3所示，永磁偏置磁路和控制磁路在結構上對稱分布，且都為徑向磁路。

本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，定子極數(shù)為四，每個極上都分別纏繞有控制線圈；四個控制線圈根據(jù)所在方向(X向或Y向)分為兩組，每組里面的兩個線圈串聯(lián)相接。轉子在初始時刻位于中間平衡位置。

下面將以Y方向為例，對上述組件的工作過程進行說明：

初始時，轉子位于中間平衡位置時，四個塊狀永磁體在工作氣隙處產生的偏置磁通相等，轉子所受的合力為零。假定轉子受到-Y方向的擾動并發(fā)生偏移，造成Y方向上的氣隙偏置磁通發(fā)生變化(-Y方向大，+Y方向小)，此時Y方向上的控制線圈會產生如圖3所示的控制磁通，該控制磁通與工作氣隙中的偏置磁通疊加，導致+Y方向氣隙磁通得到增強，-Y方向氣隙磁通得到減弱，共同作用后產生一個沿+Y方向的吸力，將轉子拉回原來的平衡位置。

當轉子受到X方向的擾動并發(fā)生偏移時，其過程與上面類似。因此，不論轉子受到X還是Y方向上的外擾動，都能通過控制線圈的作用使轉子保持在平衡位置。

在本發(fā)明的一個實施例中，定子鐵心1和轉子鐵心2均由硅鋼片軸向疊壓而成，厚度為0.2mm、0.35mm或0.5mm，以減小鐵心內部的渦流損耗；控制線圈3分為兩組，分別繞在定子鐵心1的四個極上，受功率放大器控制，線圈匝數(shù)譬如為160匝；工作氣隙設置為譬如0.5mm，輔助氣隙4設置譬如為2mm，輔助氣隙處采用環(huán)氧樹脂材料進行填充；轉軸5采用譬如高強度45號鋼；永磁體6采用具有高磁性能的譬如燒結釹鐵硼材料，以產生足夠的偏置磁通；永磁體6加工為片狀結構，嵌放于定子鐵心兩齒之間，兩兩相隔90度，充磁方向采用周向充磁，且相鄰兩塊永磁體大小相同、充磁方向相反；永磁偏置磁路和控制磁路在同一個平面上，都為徑向磁路。

本發(fā)明的工作原理是：由永磁體6提供磁軸承懸浮的偏置磁場，由控制線圈3產生需要的控制磁場。永磁體的主磁通路徑為：永磁體N極→定子鐵心→工作氣隙→轉子鐵心→工作氣隙→定子鐵心→永磁體S極。此外，有一部分漏磁的磁通路徑為：永磁體N極→定子鐵心→輔助氣隙→定子鐵心→永磁體S極?？刂凭€圈產生的控制磁場磁通路徑為：定子鐵心→工作氣隙→轉子鐵心→工作氣隙→定子鐵心。永磁體6和控制線圈3產生的磁場在兩邊氣隙中一邊加強一邊減弱，共同作用在轉子上產生承載力。

本發(fā)明的電機結構與現(xiàn)有技術中八極的異極性永磁偏置混合徑向磁軸承結構的主要差別在于，引入輔助氣隙改變了磁路設計，從而使得定子極數(shù)由八極減小到四極，從而降低了氣隙磁場翻轉的頻率，最終有效減小了轉子在高速運轉下的鐵心損耗。

本發(fā)明中的異極性永磁偏置混合徑向磁軸承在具體應用中應成對使用，并且可以通過搭配軸向磁軸承，實現(xiàn)對轉子的五自由度控制。

本發(fā)明磁軸承具有如下優(yōu)點：(1)結構上只有主動磁極，消除了被動磁極在轉子偏心時帶來的不平衡磁拉力；(2)控制磁路不經過永磁體，不會使得永磁體發(fā)生不可逆退磁，提高了系統(tǒng)運行可靠性；(3)減少了定子磁極數(shù)目，降低了氣隙磁場翻轉的頻率，從而有效降低了轉子在高速運行下的鐵心損耗。

本發(fā)明中，定子鐵心和定子指代同一事物，轉子鐵心和轉子指代同意事物。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。