一种环状磁极结构以及具有环状磁极结构的轴向磁轴承的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种磁悬浮轴承结构，特别涉及一种环状磁极结构以及具有环状磁极结构的轴向磁轴承。
【背景技术】
[0002]磁悬浮轴承是通过定转子之间的磁力作用，支承转子悬浮于空间设定位置的新型机电一体化轴承。由于其转子和定子之间没有任何机械接触，故无磨损，大大降低了机械能耗和噪音，且无需润滑、无油污染、使用寿命长，适用于高速、真空等特殊环境。近年来，国际上已将磁悬浮轴承成功应用于机床、离心压缩机、真空分子泵、人工心脏等设备。
[0003]传统五自由度磁悬浮轴承系统由两组径向磁轴承和一组轴向磁轴承组成，分别控制径向四个平动自由度和轴向的一个平动自由度，每组磁轴承都通过各个自由度上的位移传感器、控制器和功率放大器等器件，实现闭环控制，提供各自自由度悬浮所需的磁力，实现转子在空间中的五自由度悬浮。传统五自由度磁悬浮系统缺点是体积较大，功耗高。某一自由度磁轴承提供多自由度承载力的磁悬浮系统，能够降低主动控制的自由度，减小系统功耗和体积。
[0004]传统轴向磁轴承的径向承载力较小，在轴向磁轴承提供径向悬浮力的系统中，径向难以承受大的干扰力；径向刚度低，难以在径向发生位移后迅速回到平衡位置。其物理原因在于磁极结构，内侧为圆形平面，外侧磁极为单一环状平面，当发生径向位移时，气隙磁通中轴向磁通比例较高，径向磁通分量较小，因此导致径向力与径向刚度较小。径向承载力直接决定了磁轴承系统的径向悬浮性能，提高轴向磁轴承径向承载力和刚度，是轴向磁轴承实现单自由度主动控制磁悬浮系统的关键。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的就是为了解决上述技术问题，提供了一种环状磁极结构以及具有环状磁极结构的轴向磁轴承，采用环状磁极结构，使得轴向磁轴承磁极间的气隙磁场中，磁通轴向分量比例降低，磁通径向分量比例增加，从而达到提高轴向磁轴承径向力与径向刚度的目的。
[0006]为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:
[0007]一种环状磁极结构，包括:铁心的内侧磁极和外侧磁极；所述内侧磁极为圆柱状，外侧磁极为圆筒状，内侧磁极设置在外侧磁极的内部；在所述内侧磁极和外侧磁极的同一侧端面上至少有一个端面开有至少一圈沟槽，所述沟槽在内外侧磁极端面上形成同心圆环结构。
[0008]所述铁心为定子铁心，与所述定子铁心磁极相对的转子铁心的磁极结构与所述定子铁心磁极结构相同，并且内侧磁极和外侧磁极端面的同心圆环结构尺寸相同；
[0009]通过环状磁极结构改变定转子铁心气隙磁场的磁感应强度和磁场分布，从而增强定子铁心与转子铁心之间的径向作用力。
[0010]一种具有环状磁极结构的轴向磁轴承，其特征是，包括磁悬浮转子，沿所述磁悬浮转子的轴向两端分别设置用于提供转子轴向悬浮力与径向悬浮力的轴向磁轴承，所述转子轴向两端的轴向磁轴承成对称分布；
[0011]所述磁悬浮转子铁心和定子铁心的磁极均为环状磁极结构，转子铁心与定子铁心的磁极相对布置，磁极结构以及内侧磁极和外侧磁极端面的同心圆环结构尺寸均相同。
[0012]通过控制两侧轴向磁轴承与转子之间气隙处的磁通，产生轴向恢复力，使转子在轴向保持主动的稳定悬浮；
[0013]当转子发生某一径向位移时，轴向磁轴承与转子之间的电磁力将产生径向分力，所述径向分力方向与转子径向位移方向相反，指向轴心，所述径向分力使转子回到径向平衡位置，从而保持转子的径向悬浮；
[0014]当转子沿径向轴发生微小角偏移时，所述两侧轴向磁轴承的径向分力产生一个恢复力矩，使转子回到平衡位置。
[0015]在所述转子轴向或者径向分别设置轴向位移传感器，所述轴向位移传感器与控制器连接，所述控制器分别通过功率放大器与磁悬浮转子轴向两端轴向磁轴承的线圈连接。
[0016]所述轴向位移传感器设置在转子径向时，转子上布置用于提供传感器信号源的永磁环，永磁环采用轴向充磁，永磁环位置与传感器处于同一轴向位置。
[0017]如果转子径向选择被动悬浮，则不需要安装径向位移传感器；
[0018]如果转子径向需要主动控制，则需要在转子径向安装用于测量转子径向位移的径向位移传感器，径向位移传感器共有四个，布置在转子外侧，分为两组，每组两个传感器成90度垂直安装，对径向位移进行检测。
[0019]所述轴向磁轴承为电磁轴承或者电磁永磁混合磁轴承。
[0020]本实用新型有益效果:
[0021](I)采用环状磁极后，轴向磁轴承的径向力与径向刚度得到明显增强；可以选择内侧磁极采用环状结构、外侧磁极采用环状结构或者内外侧磁极同时采用环状结构等不同结构，调控轴向磁轴承的径向力与径向刚度。
[0022](2)本实用新型结构简单，只需在磁极处利用机械加工工艺，将磁极面加工成多环状结构，其余结构与传统磁轴承结构基本一致，或者将多环状磁极结构应用到本实用新型的轴向磁轴承结构中，利用轴向磁轴承的径向力，作为转子径向悬浮力，从而省去了径向磁轴承。
[0023](3)当发生径向位移时，这种结构减小了磁极间轴向磁通的比例，增加了磁极间径向磁通的比例，从而使定子与转子之间的径向力增加。
[0024](4)研宄表明，通过改变环状磁极的径向厚度可以改变轴向磁轴承的轴向力和径向力。针对不同轴向和径向负载，可以只改变环状磁极参数，改变轴向磁轴承轴向与径向悬浮特性。
[0025](5)本实用新型的轴向磁轴承结构将磁悬浮系统主动控制自由度降低到最低，省去了多余主动自由度控制所需的控制器、功率放大器、电磁线圈等部件，简化了五自由度磁悬浮轴承支撑结构。
【附图说明】
[0026]图1为本实用新型环状磁极用于轴向磁轴承系统结构示意图；
[0027]图2为本实用新型环状磁极轴向磁轴承定子端面图；
[0028]图3为本实用新型环状磁极轴向磁轴承转子端面图；
[0029]图4为本实用新型轴向位移传感器沿径向布置结构示意图；
[0030]图5为本实用新型径向位移传感器布置结构径向剖面示意图；
[0031]图6 (a)为无径向位移时传统磁轴承气隙磁场分布图；
[0032]图6(b)为无径向位移时环状磁极磁轴承气隙磁场分布图；
[0033]图7 (a)为发生径向位移时传统磁轴承气隙磁场分布图；
[0034]图7 (b)为发生径向位移时环状磁极磁轴承气隙磁场对比图；
[0035]其中，1.定子铁心，2.线圈，3.转子铁心，4.磁路磁通，5.转子，6.外侧磁极，7.内侧磁极，8.径向位移传感器，9.控制器，10.轴向位移传感器，11.功率放大器，12.沟槽，13.永磁环。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图和实施例，对本实用新型的【具体实施方式】作进一步详细描述。
[0037]一种环状磁极结构，包括:铁心的内侧磁极7和外侧磁极6 ;所述内侧磁极7为圆柱状，外侧磁极6为圆筒状，内侧磁极6设置在外侧磁极7的内部；在所述内侧磁极6和外侧磁极7的端面上至少有一个端面开有至少一圈沟槽12，所述沟槽12在内外侧磁极端面上形成同心圆环结构。
[0038]该环状磁极结构可以应用到传统磁轴承结构中，只需在磁极处利用机械加工工艺，将磁极面加工成多环状结构，其余结构与传统磁轴承结构基本一致。定子铁心I的内侧磁极7为圆柱状，外侧磁极6为圆筒状，在内外侧磁极端面处有沟槽12结构，使磁极面形成多个同心圆环形状；转子铁心3磁极与定子铁心I相对，表面沟槽结构相同，也为多个同心圆环形状，并且转子铁心的环状磁极尺寸与定子铁心相同。
[0039]通过环状磁极结构改变定转子铁心气隙磁场的磁感应强度和磁场分布，从而增强定子铁心I与转子铁心3之间的径向作用力。
[0040]该环