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一种永磁偏置磁悬浮轴承

阅读：338发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种永磁偏置磁悬浮轴承专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种永磁偏置磁悬浮轴承，包括轴向磁悬浮轴承以及放置在轴向磁悬浮轴承内部的径向磁悬浮轴承，永磁体连接轴向导磁环与径向定子铁芯，同时提供轴向与径向的偏置磁场；锥形推力盘前后面为平面，与轴向导磁环形成轴向磁间隙；轴向线圈位于轴向导磁环内部上下两侧，提供轴向控制磁场；径向定子铁芯中心形成锥形孔，锥形推力盘外部为锥形转子叠层；锥形转子叠层外侧圆周边缘为锥形，边缘锥形面与径向定子铁芯的锥形孔表面相平行，形成锥形径向磁间隙；径向磁通在每个径向磁极处产生一个垂直径向锥形面的力，因此径向磁轴承在输出径向力的同时可提供一个轴向卸载力，实现一个较小的轴向电流、较小的轴向推力盘即可提供大的轴向载荷，减小了轴向磁轴承负担。该结构具有空间利用率高，体积小，功耗低的优点。，下面是一种永磁偏置磁悬浮轴承专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于：由轴向导磁环(1)、轴向线圈(2)、径向线圈(9)、锥形转子叠层(4)、锥形推力盘(6)、转子轴(5)、锥形径向定子铁芯(3)、永磁体圆环(10)构成，锥形径向定子铁芯(3)与径向线圈(9)放置于轴向导磁环(1)内部，永磁体圆环(10)连接轴向导磁环(1)与锥形径向定子铁芯(3)，同时提供轴向与径向偏置磁场，并且将轴向控制磁场与径向控制磁场分隔开；锥形径向定子铁芯(3)由多层硅钢片叠成，多个所述硅钢片的内径自上而下逐渐减小，形成内部锥形孔，锥形推力盘(6)外部是锥形转子叠层(4)；锥形转子叠层(4)的半径自上而下逐渐减小，叠层边缘外侧面形成圆锥曲面，与锥形径向定子铁芯(3)内径表面平行，构成锥形径向气隙；径向线圈(9)套在锥形径向定子铁芯(3)，提供控制磁场；轴向线圈(2)包括两个线圈，分别放置于轴向导磁环(1)内部的上下两侧；锥形推力盘(6)与转子轴(5)连接。
2.根据权利要求1所述的永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于：所述的磁悬浮轴承中，为保证轴向气隙在合理的工作范围内，所述锥形推力盘(6)的厚度为所述径向定子铁芯(3)厚度的1.2～1.5倍。
3.根据权利要求1所述的永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于：所述的磁悬浮轴承中所述径向定子铁芯(3)包括4个定子齿部与连接定子齿部的定子轭部，由导磁性能良好的硅钢片制成，每个齿部构成一个磁极，外面绕有4个径向线圈(9)，4个线圈极性相同。
4.根据权利要求1所述的永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于：所述的磁悬浮轴承中所述轴向导磁环(1)为上下两个相同圆环以及中间圆环组成的一体式结构，选用导磁性能良好，强度较高的电工纯铁为材料。
5.根据权利要求1所述的永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于：所述的磁悬浮轴承中所述永磁体圆环(10)为圆环状，径向充磁，由铁氧体永磁材料或稀土永磁材料制成。
6.根据权利要求1所述的永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于：所述的磁悬浮轴承中所述锥形推力盘(6)外部为锥形转子叠层(4)，该叠层由导磁性能良好的硅钢叠片制成，所述锥形推力盘(6)与所述转子轴(5)采用强度较高的导磁材料40Cr制成。

说明书全文

一种永磁偏置磁悬浮轴承

技术领域

[0001] 本发明涉及非接触磁轴承的技术领域，特别是一种小体积低功耗永磁偏置三自由度磁悬浮轴承，可作为压缩机、鼓风机、分子泵等机械设备中旋转部件的无接触支撑。

背景技术

[0002] 磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损、高速度、易于控制及寿命长等优点。由于定转子之间没有机械接触，磁轴承的转子可达到很高的转速，因此在高速旋转机械中，磁轴承有着独一无二的优势。当磁轴承应用于鼓风机、压缩机等场合时，叶轮进出口压力差在转子上产生非常大的轴向载荷，因此对轴向磁轴承的设计提出了较高的要求。为了提高轴向磁轴承的最高承载力，常用的技术手段有：

[0003] 1、增大轴向定子线圈电流，这种方法会导致线圈铜耗增加，线圈温度升高，损耗增加，同时，大的电流会限制电子功率器件的选择。

[0004] 2、增大推力盘半径，这种方法会增大的转子风摩损耗，增大转子表面线速度，降低转子动力学安全裕度，降低系统控制的稳定性。

[0005] 3、增加轴向线圈匝数，增加轴向导磁部件尺寸。这种方法会让磁轴承体积增加。

[0006] 由此可见，在现有技术手段下，要提高轴向承载力，会影响损耗，体积等其他方面的性能指标。

发明内容

[0007] 本发明要解决的技术问题为：在保证磁轴承体积小、损耗低的情况下，尽可能增大磁轴承的轴向负载能力。

[0008] 本发明采用的技术方案为：一种永磁偏置磁悬浮轴承，包括轴向磁悬浮轴承以及放置在轴向磁悬浮轴承内部的径向磁轴承，轴向磁轴承导磁环与内部径向磁轴承定子铁芯通过永磁体圆环连接起来，所述永磁体圆环为径向充磁，同时提供轴向与径向的偏置磁场；锥形推力盘前后面为平面，与所述轴向导磁环形成轴向气隙；轴向线圈位于所述轴向导磁环内部上下两侧，提供轴向控制磁场；径向定子铁芯中心形成锥形孔，所述锥形推力盘外部是锥形转子叠层，所述锥形转子叠层的圆周边缘为锥形，边缘锥形面与所述径向定子铁芯的锥形孔表面相平行，形成锥形径向间隙；径向磁通在每个径向磁极处产生一个垂直径向锥形面的力，因此所述径向磁悬浮轴承在输出径向力的同时可提供一个轴向卸载力，实现一个较小的轴向电流、较小的轴向推力盘即可提供大的轴向载荷，减小了轴向磁轴承负担。

[0009] 根据本发明，该磁悬浮轴承中，所述锥形推力盘的厚度为所述径向定子铁芯厚度的1.2～1.5倍。

[0010] 根据本发明，所述的磁悬浮轴承中所述径向定子铁芯包括4个定子齿部与连接定子齿部的定子轭部，由导磁性能良好的硅钢片制成，每个齿部构成一个磁极，外面绕有径向线圈，4个线圈极性相同。

[0011] 根据本发明，所述的磁悬浮轴承中轴向导磁环为上下两个相同圆环以及中间圆环组成的一体结构，选用导磁性能良好的电工纯铁为材料；

[0012] 根据本发明，所述的磁悬浮轴承中永磁体圆环为圆环状，径向充磁，由铁氧体永磁材料或稀土永磁材料制成。

[0013] 根据本发明，所述的磁悬浮轴承中锥形推力盘与转子轴连接，组成转动部分，锥形推力盘外部为锥形转子叠层，锥形转子叠层由导磁性能良好的硅钢叠片制成，锥形推力盘与转子轴采用强度较高的导磁材料40Cr制成。

[0014] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0015] (1)本发明结构紧凑，空间利用率极高，体积小，方便安装、拆卸，增加了磁悬浮轴承的适用范围；

[0016] (2)本发明径向磁悬浮轴承利用锥形结构，在提供径向力的同时，也可以分担轴向力，无需增加轴向磁悬浮轴承的结构尺寸，就能提高系统的整体轴向负载能力，减小了磁悬浮轴承的轴向长度；

[0017] (3)本发明用永磁体提供偏置磁场，即减小了线圈匝数，使线圈所占空间减小，又使线圈中通入电流减小，线圈产生的铜耗降低。附图说明

[0018] 图1是本发明具体实施方式中提供的小体积低功耗磁悬浮轴承结构示意图；

[0019] 图2是图1的左视图；

[0020] 图3是本发明实施例提供的磁悬浮结构的磁路示意图；

[0021] 图4是图3的左视图；

[0022] 图5为具体实施方式中磁悬浮轴承结构转子的受力方向示意图。

[0023] 图中：1为轴向导磁环；2为轴向线圈；3为锥形径向定子铁芯；4为锥形转子叠层；5为转子轴；6为锥形推力盘；7为轴向气隙；8为锥形径向间隙；9为径向线圈；10为永磁体圆环；11为径向铁芯轭部。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

[0025] 如图1,图2所示，本发明的基本形式为：轴向导磁环1、轴向线圈2、径向线圈9、锥形转子叠层4、锥形推力盘6、转子轴5、一个锥形径向定子铁芯3、一个永磁体圆环10。轴向导磁环1与内部锥形径向定子铁芯3通过永磁体圆环10连接起来，永磁体圆环10为径向充磁，同时提供轴向与径向的偏置磁场；锥形推力盘6前后面为平面，与轴向导磁环1形成轴向磁间隙；两组轴向线圈分别位于轴向导磁环1内部上下两侧，提供轴向控制磁场；锥形径向定子铁芯3由多个硅钢片叠制而成，多个硅钢片的内径自上侧到下侧逐渐减小，形成内部锥形孔，锥形转子叠层4的外表面与上述锥形径向定子铁芯3的锥形孔表面相平行，形成锥形径向磁间隙；在本实例实施中，锥形径向定子铁芯3有四个磁极，每个磁极外面套有一个径向线圈。磁极数不限于四，也可以是其他合理数值。

[0026] 本发明具体工作原理如下：永磁磁路如图3，永磁体圆环10产生的磁通从N极出发，经过轴向导磁环1,轴向气隙7,锥形推力盘6,锥形转子叠层4,锥形径向间隙8,锥形径向定子铁芯3，最后回到永磁体圆环10的S极，在这个过程中，永磁磁通同时经过轴向间隙和经向间隙，永磁体圆环10同时为轴向磁轴承和径向磁轴承提供偏置磁场。锥形径向定子铁芯3与锥形转子叠层4圆周边缘采用锥形结构，因此永磁磁通在每个径向磁极处产生一个垂直径向转子表面的力，该力在z方向形成一个分力。

[0027] 轴向控制磁路如图3所示，两个轴向线圈极性相同，产生的控制磁通经过轴向导磁环1，两个轴向气隙7，锥形推力盘6。其中，在一侧轴向气隙中，轴向控制磁通与永磁磁通方向相同；在另一侧轴向气隙中，轴向控制磁通与永磁磁通方向相反，从而可以调节锥形推力盘两侧气隙磁场大小，达到改变轴向磁力的目的，图5所示，F1为轴向力方向。

[0028] 锥形径向定子铁芯3为四齿对称结构，定子齿上绕有控制绕组，相对两个齿上的绕组串联相接，产生方向一致的控制磁通。径向控制磁路以Y方向磁极线圈通电后产生的磁通为例,如图4，电磁磁场分别通过Y+方向定子磁极,径向定子铁芯3，Y-方向定子磁极，Y-方向径向气隙，最后通过锥形转子叠层4，Y+方向径向气隙，形成闭合回路。在径向气隙中，径向线圈中通过控制电流形成调节磁场，与永磁体圆环10产生的偏置磁场进行叠加，使转子一侧气隙中的磁通增加，另一侧气隙中的磁通减小从而产生可主动调节的径向电磁力，图5所示，F2为径向力方向。

[0029] 上述发明技术方案中，推力盘的厚度为所述锥形径向定子铁芯3厚度的1.2～1.5倍。锥形径向定子铁芯3包括4个定子齿部与连接齿部的径向定子铁芯轭部，由导磁性能良好的硅钢片叠成，从而减少涡流损耗，每个定子齿部构成一个磁极，外面绕有径向控制线圈，4个线圈极性相同。轴向导磁环1为上下两个相同圆环以及中间圆环组成的一体结构，选用导磁性能好，强度较高的电工纯铁为材料。永磁体圆环10为圆环状，径向充磁，由铁氧体永磁材料或稀土永磁材料制成。锥形推力盘6与转子轴5连接，锥形推力盘6外部为锥形转子叠层4，锥形转子叠层4由导磁性能良好的硅钢叠片制成，锥形推力盘6与转子轴5采用强度较高的导磁材料40Cr制成。

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