一种倾斜磁化竖直气隙式磁悬浮重力补偿器

摘要

本发明属于磁悬浮技术领域，所述倾斜磁化竖直气隙式磁悬浮重力补偿器，包括定子和动子，且二者之间存在气隙；定子包括定子框架、定子永磁体、定子绕组和定子基座；定子永磁体、定子绕组安装在定子框架上，定子框架安装在定子基座上；动子包括动子框架和动子永磁体；动子永磁体安装在动子框架上。所述倾斜磁化竖直气隙式磁悬浮重力补偿器，利用定子永磁体与动子永磁体之间的相互作用力实现对磁悬浮系统中悬浮对象重力的补偿；倾斜磁化竖直气隙式磁悬浮重力补偿器具有结构简单、易于制造、无摩擦、无磨损、无需润滑、刚度低、行程大的优点。

说明书

技术领域

本发明属于磁悬浮技术领域，具体涉及一种磁悬浮重力补偿器。

背景技术

基于磁悬浮技术的装置，例如磁悬浮飞轮储能系统、磁悬浮旋转电机、磁悬浮平面电机等，具有无摩擦、无磨损、高速、高精度等优势，被广泛应用于现代工业的多个领域。

相比于传统的采用机械轴承支承其转子或动子的装置，磁悬浮装置利用磁悬浮技术使其转子或动子悬浮，避免了磁悬浮装置的转子或动子与固定部分之间的机械接触，具有无摩擦、无磨损、无需润滑、高精度、长寿命等优势，在高速飞轮储能、精密制造等领域有广阔的应用前景。

通常，磁悬浮装置利用通电线圈与永磁体或铁磁性材料或导体板之间的相互作用产生悬浮力。然而，这种工作方式往往会产生较多的热量，导致温度升高，影响系统性能。因此，磁悬浮装置往往采用重力补偿器抵消悬浮对象的重力，以实现降低系统发热、提高系统精度的目的。

本技术领域研究人员针对重力补偿器已经做了一些研究，如专利CN106953551A公开了一种命名为“磁悬浮重力补偿器”的重力补偿装置，所述磁悬浮重力补偿器由定子、动子组成，通过定子永磁体与动子菱形永磁体阵列之间的相互作用实现对磁悬浮系统中运动质量的补偿；然而，所述磁悬浮重力补偿器动子采用菱形永磁体阵列，导致装置行程较小，而且增加了制造的难度，不利于其应用。相应地，本技术领域存在着发展一种行程更大、易于制造的重力补偿器的技术需求。

发明内容

为达到上诉目的，本发明提供了一种倾斜磁化竖直气隙式磁悬浮重力补偿器，包括定子、动子；

其中，所述定子包括：长方体形状的定子框架、长方体形状的定子永磁体、截面为矩形的环状的定子绕组、长方体形状的定子基座，定子绕组的数量为2个；

所述定子框架上开设有用于放置定子永磁体的第一凹槽和放置定子绕组的两个第二凹槽，两个所述第二凹槽分别对称开设在定子框架的第一侧面和第二侧面上，且围绕所述第一凹槽设置；所述定子永磁体嵌入在定子框架上的第一凹槽固定，两个所述定子绕组嵌入在定子框架上对应的第二凹槽固定；

所述定子框架的底端与定子基座垂直连接；

其中，所述动子包括：长方体形状的动子基座、动子框架、长方体形状的动子永磁体，动子永磁体的数量为4个；

所述动子框架与动子基座的底面固定连接，动子框架为两个对称设置的框架部件，且两个框架部件相对的一侧中间形成一个空腔，该空腔两侧的每个框架部件表面均设置有上下排列的2个槽体，该4个动子永磁体分别嵌入在动子框架上的4个槽体内；

所述定子框架插入所述空腔内，相应的位于定子框架上的定子永磁体和定子绕组处于该空腔内。

优选地，所述定子永磁体和第一凹槽的数量均为1个，所述第一凹槽贯通定子框架上相对的第一侧面和第二侧面设置，所述定子永磁体嵌入在定子框架上的第一凹槽内固定设置，所述定子永磁体被2个所述定子绕组环绕。

优选地，所述定子永磁体和第一凹槽的的数量均为2个，所述第一凹槽分别位于定子框架上相对的第一侧面和第二侧面，每个第一凹槽均被设置在同一侧面上的第二凹槽环绕包围，两个定子永磁体分别嵌入在两个第一凹槽内固定设置，每个定子永磁体均被一个对应的环形的定子绕组环绕。

进一步地，以一垂直于空腔延伸方向的平面去截该重力补偿器作为观察的剖视面，以该剖视面的水平方向为Y轴方向，竖直向上方向为Z轴正方向，垂直该剖视面的方向为X轴方向；

在该坐标系下定义定子永磁体的充磁方向沿着Y轴正方向；

在该坐标系下的YZ平面内，四个动子永磁体分布在该YZ坐标系内的四个象限中，定义处于第三象限内的动子永磁体的充磁方向为Y轴正向逆时针旋转θ角度，则处于第一象限的动子永磁体充磁方向与第三象限的动子永磁体充磁方向相反，则处于第二象限的动子永磁体充磁方向为180°-θ，则处于第四象限的动子永磁体充磁方向与第二象限的动子永磁体充磁方向相反，其中θ是大于0°且小于90°的角。

优选地，所述定子框架、定子基座、动子框架均采用非铁磁性材料制成。

本发明提供的一种倾斜磁化竖直气隙式磁悬浮重力补偿器，包括定子、动子；

其中，所述定子包括：圆环形的定子框架、圆环形的定子永磁体、圆环形的定子绕组、圆形的定子基座，定子绕组数量为4个；

所述定子框架的内侧和外侧的环向设有用于放置定子永磁体的第一凹槽和放置定子绕组的4个第二凹槽，四个所述第二凹槽分别设置在定子框架的内侧和外侧且每定子框架的每一侧均设置两个第二凹槽，且位于同一侧的两个第二凹槽之间被第一凹槽隔开；所述定子永磁体嵌入在定子框架上的第一凹槽内固定，四个所述定子绕组分别嵌入在定子框架上的对应的第二凹槽内固定；

所述定子框架的底端与定子基座垂直连接；

其中，所述动子包括：圆形的动子基座、动子框架、圆环形的动子永磁体；

所述动子永磁体数量为4个，所述动子框架与动子基座的底面固定连接，动子框架为两个同心设置圆环形框架部件，且两个框架部件相对的一侧中间形成一个空腔，该空腔两侧的每个框架部件表面均设置有2个环形的槽体，该4个动子永磁体分别嵌入在动子框架上的4个槽体内；

所述定子框架插入所述空腔内，相应的位于定子框架上的定子永磁体和定子绕组处于该空腔内。

优选地，所述定子永磁体和第一凹槽的数量均为2个，用于2个所述定子永磁体嵌入放置的第一凹槽分别设置在定子框架的内侧和外侧，每一侧的第一凹槽在竖直方向上的两边分别设置有一第二凹槽，每一侧的两个定子绕组之间均设置有一定子永磁体。

优选地，所述定子永磁体沿着定子框架的环向间隔设置，用于所述定子永磁体嵌入放置的第一凹槽贯通定子框架的内侧和外侧，第一凹槽沿着定子永磁体的环向间隔设置，所述定子永磁体为多段弧形结构。

进一步地，以一垂直于空腔延伸方向的平面去截该重力补偿器作为观察的剖视面，以该剖视面的水平方向为Y轴方向，竖直向上方向为Z轴正方向，垂直该剖视面的方向为X轴方向；

在该坐标系下，定义定子永磁体的充磁方向沿着Y轴正方向；

在该坐标系下的YZ平面，四个动子永磁体分布在该YZ坐标系内的四个象限中，定义处于第三象限内的动子永磁体的充磁方向为Y轴正向逆时针旋转θ角度，则处于第一象限的动子永磁体充磁方向与第三象限的动子永磁体充磁方向相反，则处于第二象限的动子永磁体充磁方向为180°-θ，则处于第四象限的动子永磁体充磁方向与第二象限的动子永磁体充磁方向相反；其中θ是大于0°且小于90°的角。

优选地，所述定子框架、定子基座、动子框架均采用非铁磁性材料制成。

本发明的有益效果为：动子运动行程较大；动子刚度低；易于制造。

附图说明

图1为矩形状的磁悬浮重力补偿器的三维结构示意图；

图2为实施例一的磁悬浮重力补偿器的正剖视图；

图3为实施例一和实施例三的磁悬浮重力补偿器剖视平面永磁体的充磁方向示意图；

图4为实施例一的磁悬浮重力补偿器的定子的三维结构示意图；

图5为实施例一的磁悬浮重力补偿器的定子剖面的三维结构示意图；

图6为实施例一的磁悬浮重力补偿器的定子框架三维结构示意图；

图7为实施例二的磁悬浮重力补偿器的正剖视图；

图8为实施例二和实施例四的磁悬浮重力补偿器的剖视平面的永磁体的充磁方向示意图；

图9为圆形状的磁悬浮重力补偿器的三维结构示意图；

图10为实施例三的磁悬浮重力补偿器的定子的三维结构示意图；

图11为实施例三的磁悬浮重力补偿器的定子剖面的三维结构示意图；

图12为实施例三的磁悬浮重力补偿器沿着径向的剖视图；

图13为实施例三的磁悬浮重力补偿器的定子永磁体排列示意图；

图14为实施例四的磁悬浮重力补偿器沿着径向的剖视图；

图15为实施例四的磁悬浮重力补偿器的定子永磁体排列示意图；

图16为实施例五的磁悬浮重力补偿器的三维结构示意图；

图17为实施例五的磁悬浮重力补偿器的正剖视图；

图18为实施例五和实施例七的磁悬浮重力补偿器的剖视平面的永磁体的充磁方向示意图；

图19为实施例六的磁悬浮重力补偿器的正剖视图；

图20为实施例六和实施例八的磁悬浮重力补偿器的剖视平面的永磁体的充磁方向示意图；

图21为实施例七的磁悬浮重力补偿器的沿着径向的剖视图；

图22为实施例八的磁悬浮重力补偿器的沿着径向的剖视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种倾斜磁化竖直气隙式磁悬浮重力补偿器作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

本发明提供一种倾斜磁化竖直气隙式磁悬浮重力补偿器，如图1所示，包括定子1和动子2；

实施例一、请参阅附图2-6，该定子1包括：长方体形状的定子框架11、长方体形状的定子永磁体12、截面为矩形的环状定子绕组13、长方体形状的定子基座14，其中定子绕组13数量为2个，分别为定子绕组131和定子绕组132；

如图4-6所示，所述定子框架11上开设有用于放置定子永磁体12的第一凹槽和放置定子绕组13的两个第二凹槽，其中，第一凹槽贯通定子框架11上相对的第一侧面和第二侧面设置，两个所述第二凹槽分别对称开设在定子框架11的第一侧面和第二侧面上，且围绕所述第一凹槽设置；所述定子永磁体12嵌入在定子框架11上的第一凹槽固定，两个所述定子绕组131和132分别嵌入在定子框架11上的对应的第二凹槽内固定，所述定子绕组131和132均绕设在定子永磁体12的外部。

所述定子框架11的底端与定子基座14垂直连接。

如图2所示，动子2包括：长方体形状的动子基座21、动子框架22，长方体形状的动子永磁体24；所述动子框架22与动子基座21的底面固定连接，动子框架22为两个对称设置的框架部件，且两个框架部件相对的一侧中间形成一个空腔23，该空腔23两侧的每个框架部件表面均设置有上下排列的2个槽体，且位于不同框架部件的相对的2个槽体高度一致；所述动子永磁体24数量为4个，分别为动子永磁体241、242、243和244，该4个动子永磁体分别嵌入在动子框架21上的4个槽体内。

所述定子1的定子框架11插入所述空腔23内，相应地，位于定子框架11上的定子永磁体12和定子绕组13处于该空腔23内。

用一垂直于空腔23延伸的方向的平面去截该重力补偿器作为观察的剖视面，如图2和图3所示，该剖视面内的定子1为“凸”形结构；该剖视面内的动子2为倒“凹”形结构。

如图2和图3所示，以该剖视面内的水平方向为Y轴方向，竖直向上方向为Z轴正方向，垂直该剖视面的方向为X轴方向(即空腔23的延伸方向)，利用右手定则建立直角坐标系，定义定子永磁体12的充磁方向沿着Y轴正方向；

如图3所示，该剖视面为在该坐标系下的YZ平面，四个动子永磁体24分布在该YZ坐标系内的四个象限中，定义处于第三象限内的动子永磁体243的充磁方向为绕Y轴正方向逆时针旋转θ角度，则处于第一象限的动子永磁体241充磁方向与第三象限的动子永磁体243充磁方向相反，则处于第二象限的动子永磁体242充磁方向为180°-θ，则处于第四象限的动子永磁体244充磁方向与第二象限的动子永磁体242充磁方向相反；其中θ是大于0°且小于90°的角。

实施例二、请参阅附图7、8，本实施例与上述实施例一提供的磁悬浮重力补偿器的区别在于，该实施例的定子永磁体12的数量为2个，相应地，在定子框架11上相对的第一侧面和第二侧面上对称设置有两个第一凹槽，每个第一凹槽均被设置在同一侧面上的第二凹槽环绕包围，两个定子永磁体12分别嵌入设置在两个第二凹槽中，因此每个定子永磁体12均被一个对应的环形定子绕组13环绕，且两个定子永磁体12的充磁方向相同，即沿着Y轴正方向。

实施例三、请参阅附图9-13，本实施例提供的磁悬浮重力补偿器包含：定子7、动子8；

该定子7包括：圆环形的定子框架71、圆环形的定子永磁体72、圆环形的定子绕组73、圆形的定子基座74，其中定子永磁体72的数量为2个，定子绕组73数量为4个；

如图10-13所示，所述定子框架71的内侧和外侧环向分别设有用于放置定子永磁体72的两个第一凹槽和放置定子绕组73的四个第二凹槽，位于定子框架71同侧的第一凹槽在竖直方向上的两边分别设置有一第二凹槽，定子框架71的内侧和外侧的四个第二凹槽的形状与定子绕组73的形状相匹配，两个所述定子永磁体721和722分别嵌入在定子框架71上的相应的第一凹槽内固定，四个所述定子绕组731、732、733和734分别嵌入在定子框架11上的相应的第二凹槽内固定。

所述定子框架71的底端与定子基座74垂直连接。

如图12所示，动子8包括：圆形的动子基座81、动子框架82，圆环形的动子永磁体84；所述动子框架82与动子基座81的底面固定连接，动子框架82为两个间隔设置的圆环形框架部件，即两个框架部件相对的一侧中间形成一个空腔83，该空腔83两侧的每个框架部件表面均设置有2个环形的槽体，且位于不同框架部件的相对的2个槽体高度一致；所述动子永磁体84数量为4个，分别为动子永磁体841、842、843和844，该4个动子永磁体分别嵌入在动子框架81上的4个槽体内。

所述定子7的定子框架71插入所述空腔83内，相应地，位于定子框架71上的定子永磁体72和定子绕组73处于该空腔83内。

用一垂直于空腔83延伸的方向的平面去截该重力补偿器作为观察的剖视面，如图12所示，该剖视面内的定子7为对称的两个“凸”形结构；该剖视面内的动子8为对称的两个倒“凹”形结构。

如图12所示，以该剖视面的水平方向(即动子基座81或定子基座74的径向方向)为Y轴方向，竖直向上方向为Z轴正方向，垂直该剖视面的方向为X轴方向，利用右手定则建立直角坐标系，定子永磁体72的充磁方向沿着Y轴正方向(即动子基座81或定子基座74的径向指向圆心的方向)。

请参阅图12，该剖视面为在该坐标系下的YZ平面，四个动子永磁体84分布在该YZ坐标系内的四个象限中，定义处于第三象限内的动子永磁体843的充磁方向为绕Y轴正向逆时针旋转θ角度，则处于第一象限的动子永磁体841充磁方向与第三象限的动子永磁体843充磁方向相反，则处于第二象限的动子永磁体842充磁方向为180°-θ，则处于第四象限的动子永磁体844充磁方向与第二象限的动子永磁体842充磁方向相反；其中是大于0°且小于90°的角。

实施例四、请参见附图14、15，本实施例与上述实施例三提供的磁悬浮重力补偿器的区别为该实施例的定子永磁体72的设置方式为沿着定子框架71径向贯穿该定子框架71的内外侧表面。

如图15所示，当定子永磁体72贯穿定子框架71的内外两侧面嵌入时，定子永磁体72为不连续的多段弧形，位于定子框架71上环向设有若干个贯穿该定子框架71内外侧表面的不连续第一凹槽，该些第一凹槽之间通过定子框架71上预留的筋711隔开，多段所述定子永磁体72对应嵌入在该定子框架71的各段第一凹槽内并固定，若干个第一凹槽之间通过定子框架71上预留的筋711连接，保证定子框架71在竖直方向上结构的连续性。图15中设置的第一凹槽数量为4个，当然第一凹槽数量还可以是大于1的任一数量。

实施例五、请参阅附图16-18，本实施例与上述实施例一提供的磁悬浮重力补偿器的区别在于：本实施例中不包含定子绕组。

实施例六、请参阅附图19、20，本实施例与上述实施例二提供的磁悬浮重力补偿器的区别在于：本实施例中不包含定子绕组。

实施例七、请参阅附图21，本实施例与上述实施例三提供的磁悬浮重力补偿器的区别在于：本实施例中不包含定子绕组。

实施例八、请参阅附图22，本实施例与上述实施例四提供的磁悬浮重力补偿器的区别在于：本实施例中不包含定子绕组。

其中，上述提供的所有实施例的定子框架11，71、定子基座14，74和动子框架22，82均采用非铁磁性材料制成。

本发明提供的磁悬浮重力补偿器工作时，所述定子框架插入所述动子的空腔内，由于磁力的相互作用，在水平方向上磁力抵消，竖直方向的磁力克服重力，使得动子悬浮在定子上方，定子与动子之间无机械接触。

进一步地，设置有定子绕组的所有实施例，所述的定子绕组通电后，根据电磁感应原理提供一个额外的补偿磁场，对动子提供一个可控的磁力补偿值。

本发明的磁悬浮重力补偿器的动子运动行程较大，动子刚度低，易于制造。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。