一种无推力盘径轴向一体化永磁偏置磁轴承

摘要

无推力盘径轴向一体化永磁偏置磁轴承，由永磁体、导磁环、径向定子铁心、径向线圈、转子铁心、环形磁极、轴向定子铁心、轴向线圈、螺纹环、转轴组成。永磁体提供偏置磁场，偏置磁通和轴向控制磁通通过环形磁极传导，环形磁极和螺纹环间形成环形气隙，环形气隙长度大于径向气隙长度。磁轴承通过径向定子4个磁极，以差动方式出力。磁轴承轴向无推力盘，采用螺纹环端面出力，螺纹环用以压紧转子铁心。现有径轴向一体化磁轴承在轴向采用推力盘出力，增大了转子外径、线速度和风摩损耗，降低了转子力学安全裕度和临界转速。本发明解决了现有径轴向一体化磁轴承在轴向采用推力盘出力存在的缺点，具有降低损耗，提高转子力学安全裕度和临界转速的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种无推力盘径轴向一体化永磁偏置磁轴承，可作为电机、机床等机械设备中旋转部件的无接触支撑。

背景技术

应用于高速旋转机械的磁悬浮技术，往往要求磁轴承动态性能好、可靠性高，特别应用于刚性转子高速旋转机械时，还要求转子一阶频率高，风摩损耗小，如磁悬浮电动机驱动的鼓风机、压缩机以及发电系统的涡轮发电机等。传统的磁悬浮系统需要配置两个径向磁轴承和一个轴向磁轴承，来约束转子的五个自由度。为了提高磁悬浮涡轮机械的动态性能，提高效率，缩小体积，提升功率密度，需要将一个径向磁轴承和一个轴向磁轴承进行集成，并且采用永磁体为径向和轴向提供偏置磁场，这就是径轴向一体化永磁偏置磁轴承，如图1所示。该结构在一定程度上，缩小了体积，减小了损耗，提高了转子一阶频率，提升了动态性能。但其轴向依靠推力盘出力，而推力盘增大转子的外径，增大风摩损耗，增大转子表面线速度，降低转子力学安全裕度，影响转子动态性能。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有径轴向一体化永磁偏置磁轴承存在推力盘的不足，提出一种无推力盘径轴向一体化永磁偏置磁轴承，该结构可以降低损耗，提高转子力学安全裕度和转子动态性能。

本发明的技术解决方案为：无推力盘径轴向一体化永磁偏置磁轴承，由永磁体、导磁环、径向定子铁心、径向线圈、转子铁心、环形磁极、轴向定子铁心、轴向线圈、螺纹环、转轴组成，永磁体为一轴向圆环，沿轴向充磁，永磁体夹在导磁环和环形磁极之间，为磁轴承提供偏置磁场，并隔离径向和轴向控制磁场，实现径向和轴向控制解耦。径向定子铁心与转子铁心之间形成径向气隙，永磁偏置磁通和轴向控制磁通通过环形磁极传导，环形磁极和导磁螺纹环之间形成环形气隙，环形气隙长度大于径向气隙长度。磁轴承径向定子铁心包含4个磁极，磁极之间通过轭部连接，磁极外绕制有径向线圈，以差动方式出力。磁轴承轴向去掉推力盘，采用螺纹环端面出力，螺纹环用以压紧转子铁心。轴向定子铁心和环形磁极之间为轴向线圈，轴向定子铁心和螺纹环端面之间留有一定间隙，形成轴向气隙。无推力盘径轴向一体化永磁偏置磁轴承，其特征在于：轴向去掉推力盘，采用螺纹环端面出力。环形气隙长度为径向气隙长度的1.5～2.0倍。所述的永磁体为一轴向圆环，沿轴向充磁。所述的径向定子铁心和转子铁心为导磁性能良好的电工薄钢板磁性材料冲压迭制而成；导磁环、环形磁极、轴向定子铁心和螺纹环均采用导磁性能良好的材料，如电工纯铁、1J50或硅钢的任意一种制成。轴向气隙长度为径向气隙长度的1～1.5倍。

上述方案的原理是：本发明去掉轴向推力盘，在轴向采用螺纹环端面出力，引入环形磁极，以闭合永磁磁路和轴向控制磁路，设计环形气隙的长度大于径向气隙。永磁体为磁轴承径向和轴向提供偏置磁场，永磁磁场通过导磁环、径向定子铁心、径向气隙、径向转子铁心、螺纹环，分为两路经过环形气隙和轴向气隙，再分别经过环形磁极和轴向定子铁心，然后汇聚为一路，形成闭合回路。电磁磁场在径向通过径向定子铁心和导磁环、径向气隙、径向转子铁心构成闭合回路；电磁磁场在轴向通过轴向定子铁心、环形磁极、环形气隙、螺纹环、轴向气隙构成闭合回路。在径向气隙，永磁偏置磁场和径向线圈产生的电磁磁场进行叠加产生径向电磁力。在轴向气隙，永磁偏置磁场和轴向线圈产生的电磁磁场进行叠加产生轴向电磁力。相比于现有的径轴向一体化永磁偏置磁轴承，该结构去掉了轴向推力盘，提升了系统性能。本发明的永磁磁路为：磁通从永磁体N极出发，通过导磁环、径向定子铁心、径向气隙、转子铁心、螺纹环，分为两路经过环形气隙和轴向气隙，再分别经过环形磁极和轴向定子铁心，然后汇聚为一路，回到永磁体S极，形成永磁回路，如图2所示。电磁磁路在径向以X正方向磁极线圈通电后产生的磁通为例：电磁磁场通过X正方向定子磁极和导磁环、分为三路分别通过X负方向、Y正方向和Y负方向定子铁心磁极，经过三个磁极相应的气隙，汇聚到径向转子铁心，经过X正方向气隙回到X正方向磁极构成闭合回路，如图3所示；电磁磁场在轴向的磁路为：电磁磁场通过轴向定子铁心、环形磁极、环形气隙、螺纹环、轴向气隙回到轴向定子铁心磁极构成闭合回路如图4所示。

本发明与现有技术相比的优点在于：现有径轴向一体化磁轴承在轴向采用推力盘出力，推力盘增大转子的外径，增大风摩损耗，增大转子表面线速度，降低转子力学安全裕度，降低临界转速，影响转子动态性能。本发明去掉径轴向一体化磁轴承的轴向推力盘，采用导磁螺纹环端面出力，具有降低损耗，提高转子力学安全裕度和转子动态性能的优点。

附图说明

图1为现有的在轴向采用推力盘出力的径轴向一体化永磁偏置磁轴承；

图2为本发明技术解决方案的无推力盘径轴向一体化永磁偏置磁轴承永磁磁路截面图；

图3为本发明技术解决方案的无推力盘径轴向一体化永磁偏置磁轴承径向电磁磁路截面图；

图4为本发明技术解决方案的无推力盘径轴向一体化永磁偏置磁轴承轴向电磁磁路截面图；

具体实施方式

如图2所示，为本发明技术解决方案的无推力盘径轴向一体化永磁偏置磁轴承，即本发明的基本形式，它由1个永磁体1、1个导磁环2、1个径向定子铁心3、1个径向激磁线圈4、1个径向转子铁心6、1个环形磁极7、1个轴向定子铁心8、1个轴向激磁线圈9、1个导磁螺纹环11、1个转子轴13组成。环形永磁体1夹在导磁环2和环形磁极7之间，为磁轴承提供偏置磁场，并隔离径向和轴向控制磁场，实现径向和轴向控制解耦。径向定子铁心3与转子铁心6之间形成径向气隙5，永磁偏置磁通和轴向控制磁通通过环形磁极7传导，环形磁极7和导磁螺纹环11之间形成环形气隙10，环形气隙10长度大于径向气隙5长度，并且环形气隙10长度为径向气隙5长度的1.5～2.0倍，径向气隙一般在0.2～0.6毫米之间，环形气隙一般在0.3～1.2毫米之间。当转子径向位移很小时，环形磁极7出力极小。磁轴承径向定子铁心3包含4个磁极，磁极之间通过轭部连接，磁极外绕制有径向激磁线圈4，径向气隙处永磁偏置磁场和径向控制磁场叠加，以差动方式出力。磁轴承轴向去掉推力盘，采用导磁螺纹环11端面出力，导磁螺纹环11用以压紧径向转子铁心3叠片。轴向定子铁心8和环形磁极7之间为轴向激磁线圈9，轴向定子铁心8和导磁螺纹环11端面之间留有一定间隙，形成轴向气隙12，永磁偏置磁场和轴向控制磁场在气隙处叠加，产生轴向电磁力。

上述本发明技术方案所用的导磁环2、环形磁极7、轴向定子铁心8和导磁螺纹环11均用导磁性能良好的材料制成，如电工纯铁、各种碳钢、铸铁、铸钢、合金钢、1J50和1J79等磁性材料。径向定子铁心3和径向转子铁心6可用导磁性能良好的电工薄钢板如电工纯铁、电工硅钢板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79等磁性材料冲压迭制而成。永磁体1的材料为磁性能良好的稀土永磁体或铁氧体永磁体，永磁体1为一轴向圆环，沿轴向充磁。径向激磁线圈4和轴向激磁线圈9用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。