能够平衡磁悬浮轴承中静态载荷的方法及其结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种能够平衡磁悬浮轴承中静态载荷的方法及其结构；所述能够平衡磁悬浮轴承中静态载荷的方法，其对于需要平衡静态载荷的自由度，采用磁极面积不相等的两个差动电磁铁，以使得由静态荷载所产生的控制电流趋于零即可。由此可知：本发明通过将采用差动形式的磁悬浮轴承中的两个电磁铁磁极面积大小设计为不同的方法进行静态载荷的平衡，简化了流体机械的结构设计，提高了流体机械的效率和可靠性。
【专利说明】能够平衡磁悬浮轴承中静态载荷的方法及其结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种能够平衡磁悬浮轴承中静态载荷的方法及其结构，属于磁悬浮轴承领域。
【背景技术】
[0002]主动磁悬浮轴承是利用电磁力将被悬浮物悬浮于空间、使被悬浮物与定子之间实现无机械接触的一种高性能轴承。与传统的滚动轴承和滑动轴承相比，主动磁悬浮轴承有两大优点:1.没有机械接触，无需润滑系统，不存在滑油泄漏污染问题；2.支承力可控。因此主动磁悬浮轴承不仅可以应用于高转速、真空、超净及极端温度和压力等特殊工作环境；而且可以利用其支承力可控的特点对被悬浮物的振动进行振动平衡，减小系统的振动，提高系统的性能，在高速旋转机械(鼓风机、压缩机、发动机、泵和汽轮机等)中具有广阔的应用前景。
[0003]采用主动磁悬浮轴承支承时，往往存在一定的静态载荷(如重力、流体压力等)，通常主动磁悬浮轴承在任一自由度上均采用面积相等的一对差动电磁铁结构(如图1所示)，由于静态载荷的存在，将会使两个差动电磁铁励磁线圈中的电流不相等，即一个线圈电流大，一个线圈电流小。如静态载荷大的话，将使其中的一个线圈电流过大而影响其使用寿命，严重的会使线圈烧坏，造成严重事故。因此，必须采取有效方法对静态载荷予以平衡，来保证机械的可靠运行。对于由流体机械叶轮产生的沿轴向的流体压力(静态载荷)，目前一般采用以下两种平衡方法:(I)在被悬浮物上设置平衡盘，选择合适的安装位置，使平衡盘的两侧保持一定的气压差，从而产生一个与叶轮产生的沿轴向的流体压力相反的载荷，从而平衡掉一部分静态载荷，这种方法的不足是需要增加一个平衡盘而且会降低效率；(2)在流体机械叶轮产生的沿轴向的流体压力的反方向施加一个电磁力或永磁力，从而平衡掉一部分静态载荷，这种方法的不足是需要增加磁铁，导致结构复杂。本发明的新结构是采用磁极面积不相等的差电磁铁，磁极面积大的电磁铁提供的电磁力有两方面的作用，一是实现磁悬浮，二是平衡静态载荷。在结构上与传统的磁悬浮轴承基本相同，均是采用一对差动的电磁铁，差别仅仅是差动的电磁铁的磁极面积不相等，结构非常简单。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术的不足，提供一种能够平衡磁悬浮轴承中静态载荷的方法，其采用磁极面积不相等的两个差动电磁铁，即可以平衡掉前述两个差动电磁铁所处的自由度上所具有的静态载荷；本发明能够有效平衡静态载荷、工艺简单且可靠。
[0005]为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案:
一种能够平衡磁悬浮轴承中静态载荷的方法，对于需要平衡静态载荷的自由度，采用磁极面积不相等的两个差动电磁铁，以使得由静态荷载所产生的控制电流趋于零即可。
[0006]本发明的另一技术目的是提供一种能够平衡静态载荷的磁悬浮轴承新结构，在任一自由度上，均具有两个差动电磁铁，所述的各自由度上对应的两个差动电磁铁中，处于需要平衡静态载荷的自由度上的两个差动电磁铁的磁极面积不相等。
[0007]作为本发明的进一步改进，处于需要平衡静态载荷的自由度上的两个差动电磁铁中，电磁力方向与静态载荷方向相同的差动电磁铁的磁极面积相对于电磁力方向与静态载荷方向相反的差动电磁铁的磁极面积较小。
[0008]作为本发明的进一步改进，在需要平衡静态载荷的自由度上的两个差动电磁铁的磁极面积的比例，按照所需平衡的静态载荷大小而定。
[0009]作为本发明的进一步改进，所述磁悬浮轴承新结构为径向磁悬浮轴承结构。
[0010]作为本发明的进一步改进，所述磁悬浮轴承新结构为轴向磁悬浮轴承结构。
[0011]根据以上的技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下的优点:
本发明通过将采用差动形式的磁悬浮轴承中的两个电磁铁磁极面积大小设计为不同的方法进行静态载荷的平衡，简化了流体机械的结构设计，提高了流体机械的效率和可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为传统的磁悬浮原理图，一对差动电磁铁的磁极面积相等。
[0013]图2为本发明的磁悬浮原理图，一对差动电磁铁的磁极面积不相等。
[0014]图3为本发明的8极(两对差动电磁铁)径向磁悬浮轴承结构，每一对差动电磁铁的磁极面积不相等，能够平衡垂直向下的重力或其他力F。
[0015]图4为本发明的一种轴向磁悬浮轴承结构，一对差动电磁铁的磁极面积不相等，能够平衡向左的轴向力F。
[0016]图5为本发明的另一种轴向磁悬浮轴承，其中一个电磁铁的磁极从图4中的轴向移到了径向，相当于减小了这个电磁铁的磁极面积。
【具体实施方式】
[0017]以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
[0018]本发明所述能够平衡磁悬浮轴承中静态载荷的方法，对于需要平衡静态载荷的自由度，采用磁极面积不相等的两个差动电磁铁，以使得由静态荷载所产生的控制电流趋于零即可；由此可知，本发明将一个自由度上的两个电磁铁的磁极面积大小设计为不同，使两个电磁铁在气隙磁感应强度和线圈电流相等的情况下，通过面积大小不同所产生的电磁力差来平衡被悬浮物上的静态载荷。
[0019]本发明根据上述的技术理念，提供了一种能够平衡静态载荷的磁悬浮轴承新结构，在任一自由度上，均具有两个差动电磁铁，所述的各自由度上对应的两个差动电磁铁中，处于需要平衡静态载荷的自由度上的两个差动电磁铁的磁极面积不相等；处于需要平衡静态载荷的自由度上的两个差动电磁铁中，电磁力方向与静态载荷方向相同的差动电磁铁的磁极面积相对于电磁力方向与静态载荷方向相反的差动电磁铁的磁极面积较小；在需要平衡静态载荷的自由度上的两个差动电磁铁的磁极面积的比例，按照所需平衡的静态载荷大小而定。
[0020]以下将结合几个实施例详细地说明本发明的可行性。
[0021]图1是磁悬浮的基本原理图,在垂直方向米用一对差动形式的电磁铁，其中1、2为电磁铁，3为被悬浮物。通常情况，一对差动电磁铁即上下电磁铁的磁极面积相等，气隙中产生的磁感应强度为:
? NI
2 j
其中#为线圈匝数;/为通入线圈中的电流为被悬浮物与电磁铁之间的气隙；为真空磁导率为电磁铁的磁极面积。所产生的电磁力为:
『B2A μ?ΑΝ2Ι2
当被悬浮物受到一个静态载荷F作用时，为了使被悬浮物仍然悬浮在平衡位置，上下电磁铁所产生的电磁力将不再相等，即上下电磁铁线圈中的电流不再相等,此时上下电磁铁电磁力的合力为:
『P r M0MI2 Γμ0 +Ims2 H2l M0AN210Isi
Zi0 = Z11 - #2 =---1A-) - {-J J=-2-
4 %X0X0
其中Iq为无静态载荷、被悬浮物处于平衡位置(一对差动电磁铁的中间)时的偏置电流;/m为由于静态载荷而产生的控制电流为被悬浮物处于平衡位置时，电磁铁与被悬浮物之间的气隙。
[0022]当静态载荷为Z7时,应该有: ψ _ /^o I Ο! m _ F (I)
、 X02
当主动磁悬浮轴承设计完成后，A, N, 10和A为固定值，随着静态载荷的增加，控制电流人也会随着增加，上电磁铁中的实际电流为(Λ)+人)，下电磁铁中的实际电流为(J0-1)，导致上下电磁铁线圈中的电流差加大。从而使一个电磁铁工作在大电流，另一个电磁铁工作在小电流，从而使一个电磁铁的励磁线圈温度偏高，这种差动形式的主动磁悬浮轴承可靠性偏低。
[0023]当采用上下电磁铁磁极面积次、為不同时(磁极面积次、為的最佳比例是使控制电流人=0)，假定人=0，根据图2，当被悬浮物仍然悬浮在平衡位置时，上下两个电磁铁电磁力的合力为:
Bi a? P MtAN2 ,,o、2 Λ4^2/?β、2 Mo^2f A A、
F0 = F1-P2 =: ■:1—) — - V~) ?:~~AA - ^2/
4 X04 Xq 4?
当静态载荷为Z7时，应该有:
^ (2)
式(2 )表明，静态载荷可以通过一对磁极面积不相等的差动电磁铁来平衡，而不会导致差动电磁铁励磁线圈电流不相等的情况。
[0024]对于径向磁悬浮轴承，可设计成如图3所示2对极差动结构，即8极电磁铁结构(也可以是12极、16极、18极或24极)，每一对极的两个电磁铁的面积不相等，能够平衡向下的重力或其他的力F，其中1、2、5、6为电磁铁，3为被悬浮物，4为励磁线圈。
[0025]对于轴向磁悬浮轴承，可以设计成如图4所示的电磁铁结构，左边电磁铁的磁极面积小，右边电磁铁的磁极面积大，能够平衡向左的轴向力F，其中1、2为电磁铁，3为被悬浮物；4为励磁线圈。可以采用如图5所示的电磁铁结构，左边电磁铁的外环磁极从图4中的轴向移到了图5中的径向，相当于减小了一半的磁极面积，也可以平衡向左的轴向力F，其中1、2为电磁铁，3为被悬浮物；4为励磁线圈。
【权利要求】
1.一种能够平衡磁悬浮轴承中静态载荷的方法，其特征在于:对于需要平衡静态载荷的自由度，采用磁极面积不相等的两个差动电磁铁，以使得由静态荷载所产生的控制电流趋于零即可。
2.一种能够平衡静态载荷的磁悬浮轴承新结构，在任一自由度上，均具有两个差动电磁铁，其特征在于，所述的各自由度上对应的两个差动电磁铁中，处于需要平衡静态载荷的自由度上的两个差动电磁铁的磁极面积不相等。
3.根据权利要求2所述能够平衡静态载荷的磁悬浮轴承新结构，其特征在于，处于需要平衡静态载荷的自由度上的两个差动电磁铁中，电磁力方向与静态载荷方向相同的差动电磁铁的磁极面积相对于电磁力方向与静态载荷方向相反的差动电磁铁的磁极面积较小。
4.根据权利要求3所述能够平衡静态载荷的磁悬浮轴承新结构，其特征在于，在需要平衡静态载荷的自由度上的两个差动电磁铁的磁极面积的比例，按照所需平衡的静态载荷大小而定。
5.根据权利要求4所述能够平衡静态载荷的磁悬浮轴承新结构，其特征在于，所述磁悬浮轴承新结构为径向磁悬浮轴承结构。
6.根据权利要求4所述能够平衡静态载荷的磁悬浮轴承新结构，其特征在于，所述磁悬浮轴承新结构为轴向磁悬浮轴承结构。
【文档编号】F16C32/04GK104214218SQ201410387668
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月7日 优先权日:2014年8月7日
【发明者】徐龙祥, 金超武 申请人:南京航空航天大学