电磁轴承组合式转子铁芯的制作方法

本发明涉及一种电磁轴承组合式转子铁芯。

背景技术：

电磁轴承是一种磁悬浮支撑的无接触式轴承。它具有应用极限转速高，无需润滑，摩擦阻力小，可靠性高，支撑刚度可调可控等优点。电磁轴承支撑是依靠可控制的带有电磁铁芯的电磁线圈产生的电磁力来完成的。

磁轴承对其定子的电磁铁芯和转子的铁磁铁芯的外形尺寸都有较高的精度要求，这是由于电磁轴承属于一种机电一体化的精密的器件，它悬浮控制的间隙小，铁芯承受的支撑力变化大，安装配合要求精度高。除此之外，磁轴承的定子和转子铁芯还要有较高的电磁性能要求，它要求铁芯的顽磁性小，电磁涡流损失小，磁通性能要好。而磁轴承的转子铁芯一般是一个套在转子轴外部的，与转子轴紧固安装成一体的，管状零件。就磁轴承的转子来看，其位移量的测量精度和测量值的稳定性也是影响磁轴承的性能的关键因素之一。目前电磁轴承转子位移多采用电涡流式传感器测量，电涡流传感器适用于一般导电的金属材料的位移测量，但如果被测的金属体具有一定铁磁特性，则会对测量系统带来一定的涡流能量损失，而且由于铁磁性的被测金属体，由于有电磁感应和一定的磁滞效应，它会对位移测量的动态过程的瞬态响应值的测量精度产生不利影响。

电磁轴承尺寸精度的较高要求和电磁特性的多样性要求，对电磁轴承转子铁芯的结构方案设计和材料选择提出了许多限制，使得以往的只采用一种材料的转子铁芯设计方案难以保证高性能的电磁轴承在结构上的优化和在性能上的进一步提升。

以往磁轴承的转子铁芯一种是用硅钢片叠置而成，另一种是采用电工纯铁铁磁材料整体加工而成。采用硅钢片叠置而成的磁轴承转子铁芯，由于在制造过程中尺寸精度上难以保证，所以在电磁轴承的设计中不得不留有更大的尺寸公差，这就在一定程度上牺牲了电轴承的综合性能，使得电磁轴承难以做到在有限的体积下达到较高性能。采用软铁磁材料做成的整体式磁轴承转子铁芯，虽然在加工上上容易做到较高的尺寸精度，但其材料的电磁性能不是很好，它的磁电涡流损失相对大一些，磁通性能也不是不如硅钢片，顽磁性也相对高一些。另外，磁轴承的转子铁芯在工作时需要传递较大的支撑力，转子铁芯与转子轴间的安装配合也是其性能保障的重要因素。

近年来，在其他技术领域也有人提出了组合式电磁铁芯方案。比如，专利CN1674168A，一种组合式电磁铁芯，介绍了软铁和铁氧体的组合，其作用是拓宽了铁芯的适应磁场变化的频率范围，在高频段和低频段均有良好的磁通性能，用于改善摩托车点火线圈的高低频点火 性能；专利CN1858865A提出了一个用于电流互感器的组合铁芯，它采用铁基纳米晶合金和硅钢片组合铁芯代替以往采用的高成本的坡膜合金，或钴基非晶合金等等。这些文献所介绍的技术内容与本发明所述的技术内容相比，在对铁芯的性能要求上，在应用领域上有明显不同。2013年本发明人，哈尔滨工程大学滕万庆等，提出了一种组合式径向电磁轴承定子铁芯的制作方法，并申请了国家发明专利，专利号：ZL20130020287.X。2015年该专利被授权。在后续的研究工作中，我们又对电磁轴承转子铁芯进行了性能优化和结构改进。采用了新的组合方案，解决了转子铁芯所特有的，与定子铁芯不同的，性能优化和结构改进方面的问题。本发明说明书的下面的内容具体的阐述了我们提出的磁轴承组合式转子铁芯的一种新的制作方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种电磁轴承组合式转子铁芯，本发明的技术解决问题是：提供一种新的组合式电磁轴承转子铁芯设计和制造案。它克服了现有的磁轴承转子铁芯一些不足，该转子铁芯与以往的电磁轴承转子铁芯相比所具有优点是：具有较好的机械加工特性，能够很好的保证成品转子的外形尺寸精度；该转子铁芯的电磁性能好，电涡流损失小，磁通性能高，顽磁性小；同时该转子铁芯位移测量的动态响应性好，测量值稳定。它是保证电磁轴整体结构紧凑，性能良好的一个很好的转子铁芯设计制造方案。

本发明的目的是这样实现的：由上至下依次包括上段转子电磁铁芯、中间段转子电磁铁芯和下段转子金属芯，上段转子电磁铁芯、中间段转子电磁铁芯和下段转子金属芯通过铆接件连接，上段转子电磁铁芯采用的是整体式金属铁磁材料，中间段转子电磁铁芯采用的是叠片式硅钢片铁磁材料，下段转子金属芯采用的是非导磁的黄铜材料，铆接件采用非导磁金属材料。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.上段转子电磁铁芯采用材料是电工纯铁DT4。

2.下段转子金属芯采用的材料是H70。

本发明的技术原理是：磁轴承的电磁转子铁芯与一般用于电磁感应的电磁铁芯，如变压器中的电磁铁芯，有所不同。它是在一种可控的变化较大的电磁场中工作的，并且在工作中还要承受较大的动态支撑力的作用，它的工作环境还存在着高速旋转运动和较强的机械振动。这些因素一方面要求转子铁芯的磁通性能要好，另一方面它要求铁芯能够很好的完成轴承支承力的传递。因此要求管状的转子铁芯和被套合的轴之间在装配上要有很紧密的过盈配合。除此之外，电磁轴承本身的结构也非常紧凑，这也要求磁轴承的定子、转子铁芯零件的尺寸精度要比较高。而在下部的位移测量段，则要求磁轴承转子铁芯金属材料的导电性要好，机 械加工性能要好，没有铁磁效应。这样用一种材料制成的磁轴承转子铁芯很难达到既有好的磁通新能，又有较高的铁芯零件的尺寸精度，又有好的位移可测性能。本发明采用组合式铁芯结构方案，从原理上讲就本发明是利用不同材料的性能，既保证铁芯的磁通性能优良，有保证组合式铁芯具有较高的零件尺寸精度和转子位移的良好可测性。其中中段转子铁芯的采用了磁通性能好的材料，上段转子铁芯采用了加工性能好的铁磁材料，下段转子铁芯采用了导电性和加工性好的非铁磁性有色金属材料。为了不干扰转子铁芯整体的磁特性，铆接件材料采用了无导磁特性的金属材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：现有的磁轴承转子铁芯很难做到在保证有较高的零件尺寸精度的前提下，具有很好的磁通特性和较低的电磁涡流损失，同时又具有良好的位移测量动态稳定性。本发明采用了多种材料组合结构，这使得电磁轴承转子铁芯的尺寸精度、磁特性和位移测量的动态稳定性都得到了很好地保证。本发明提出的组合式磁轴承转子铁芯方案为磁轴承整体的进一步紧凑设计提供了有利条件，或为在外形尺寸不变的条件下，磁轴承的支撑力进一步提升提供了有利条件。本发明适用于制作具有较高外形尺寸精度，较好磁通性能，较低电磁涡流损失，转子位子测量精度高，电磁干扰小的电磁轴承的转子铁芯，它针对的是径向电磁轴承转子铁芯的制作。

附图说明

图1是本发明的俯视方向的示意图；

图2是本发明主视方向的示意图；

图3(a)是组合前磁通密度等值云图，图3(b)是组合后磁通密度等值云图；

图4是本发明在电磁轴承中的安装形式示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图4，本发明涉及一种电磁轴承转子铁芯的设计和制作，特别涉及对性能、外形尺寸精度和转子位子测量精度有较高要求的组合式电磁轴承转子铁芯。这种电磁轴承的转子铁芯适用于一种径向电磁轴承铁芯的制成，电磁轴承在飞轮储能，现代高速车床，水下舰船、航空、航天陀螺定位等方面有着广泛的应用。

如图1所示，本发明由上段转子电磁铁芯1，中间段转子电磁铁芯2，下段转子金属芯3和铆接件4构成。整个铁芯是有不同的加工特性和不同的电磁特性的材料组合而成。上段转子铁芯1采用的是整体式金属铁磁材料，如电工纯铁DT4，中间段转子铁芯2采用的是叠片式硅钢片铁磁材料，下段转子金属芯3采用的是非导磁的黄铜材料，如H70，铆接件4采用的是非导磁金属材料。铁芯整体铆接成一体后，经浸漆定型，可进行进一步机械加工，使之 能够达到较高的外形尺寸精度。

本发明的转子铁芯的少量制作方法为，首先可将初步下料的上段、中段、下段转子铁芯的原料毛坯叠加在一起铆接，再经过线切割加工而成图2所示的转子铁芯形状，然后经浸漆进行零件定形。浸漆定形后，转子铁芯材料的层与层之间粘接牢固，形成一体，铁芯零件的各方向尺寸就变得稳定了。再经过磨削加工，转子铁芯零件的各方向尺寸就会达到一个较高的精度。

本发明的技术方案中，不同材料的组合保证了转子铁芯的各方面性能。其中段转子铁芯选用的是硅钢片材料，型号为：50W470。硅钢片的电磁性能较好，但材料的尺寸稳定性较差，特别是轴向尺寸，由于是靠多片材料叠置而成，尺寸非常不稳定，且叠片定型后不易进行机械再加工。上段转子铁芯采用的是电工纯铁材料，型号为：DT4。该材料可以有一定厚度，经过定形后再机械加工可以保证零件的轴向尺寸精度。电工纯铁在磁通性能和低电磁涡流损失性能上虽然不如硅钢片好，但其性能是不错的，加之所占的份额在转子铁芯总体份额中比较少，对整个铁芯磁通性能的影响会很小。实例中，模拟计算的结果，影响不超过2％。参见图3。下段转子铁芯采用的有色金属黄铜材料，型号为：H70。下段转子铁芯的作用是用于转子在旋转过程中位移的实时测量。

实例中，转子铁芯的磁通性能由转子铁芯的组合材料来保证，铁芯的径向尺寸由线切割加工来保证，转子铁芯的轴向尺寸靠转子整体浸漆定形后的磨削加工来保证。图4所示为一个组合式转子铁芯实施的实例，图中：磁轴承定子7、本发明的组合式磁轴承转子5和被支撑轴6。转子铁芯外径60mm，内径33mm，组合转子轴向总长度78mm，其中上段轴向长度2mm，中段轴向长度58mm，下段轴向长度18mm。

本发明的组合式磁轴承电磁铁芯，有上转子电磁铁芯，中间转子电磁铁芯，位移测量段下转子铁芯，铆接件构成。上电磁转子铁芯件采用的是电工纯铁材料，该材料以机械加工性能好为主要特征，同时兼顾材料的电磁性能，磁通特性较好，顽磁性小；中间转子电磁铁芯件采用另外一种硅钢片叠成的铁芯材料，该材料主要以电磁性能好为主要特征，其机械加工性能不必太好；下转子铁芯采用的是黄铜材料，该材料的特点是机械加工特性好，对电涡流位移传感器的测量动态特性好，测量值的稳定性高，下转子铁芯是用于转子位移测量的部分；铆接材料则采用非导磁的金属材料。如铝，或不导磁的不锈钢等材料。

本发明提出了一种组合式电磁轴承转子的技术方案。本方案所述的组合式磁轴承电磁转子由转子上部1，转子中部2，转子下部3，铆接件4构成。转子上部由环状电工纯铁制成，转子中部由环形电磁硅钢片叠制而成，转子下部由黄铜材料制成。组合转子制作时先将转子上部、转子中部电磁硅钢叠片、转子下部的黄铜材料的原料毛坯铆接在一起，经线切割加工， 加工成图1所示的外形，再经过浸漆定型后，进行机械精加工，以保证铁芯成型的尺寸精度。本方案的突出特征是，通过电工软铁(牌号：DT4)、电磁硅钢片和黄铜(牌号：H70)三种不同材料的组合方式，制成径向磁轴承的转子电磁铁芯。这种组合方案充分利用了三种材料的性能特点，能够保证外形精度高的前提下，制成磁性能好、转子位移测量精度高的磁轴承转子电磁铁芯，以满足磁轴承的对转子电磁铁芯的性能要求。