专利名称：一种具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承，可作为磁悬浮飞轮、磁悬浮控制力矩陀螺、航空发动机、分子泵、高速机床和卫星等系统中旋转部件的无接触支撑部件。
背景技术：
由于磁悬浮轴承具有无接触、不需润滑、寿命长、噪声小、控制精度高等优点，可广泛应用于航空、航天和机械加工等领域。在航空发动机、航天器等要求高可靠性的领域，为提高磁悬浮轴承系统的可靠性，要求磁悬浮轴承系统具有冗余和容错功能。现有结构的永磁偏置轴向磁轴承采用永磁体产生偏置磁场，但不能实现冗余，因此可靠性低。而现有的具有冗余结构的轴向磁轴承采用主动磁轴承结构，即在一个轴承体内通过绕制两组激磁线圈来实现冗余结构，其结构示意图如图1所示，当某一个激磁线圈出现故障时，另一个激磁线圈可以正常工作，由于通过电流产生偏置磁场，故存在功耗大的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有冗余结构的功耗小、易于控制和高可靠性的低功耗轴向磁轴承。
本发明的技术解决方案之一为一种具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承，其特征在于由轴承体、激磁线圈、永磁体、导磁环、气隙、辅助气隙和悬浮体组成，永磁体紧贴在轴承体，导磁环紧贴在永磁体上并与轴承体之间形成辅助气隙，轴承体包括外部磁极和中部磁极，外部磁极、中部磁极、导磁环与悬浮体之间形成气隙，外部磁极、中部磁极、导磁环与悬浮体之间形成气隙，永磁体在气隙中产生偏置磁通，轴承体内绕制两组激磁线圈，激磁线圈用来产生控制磁通，激磁线圈、永磁体和导磁环组成互为冗余的轴向磁轴承定子。本发明所述的轴向磁轴承定子在一个装置中应成对使用，并与悬浮体组成互为冗余的轴向磁轴承。
上述方案的原理是通过永磁体给磁轴承提供偏置磁场，激磁线圈所产生的电磁场起调节作用，用来改变每极下磁场的强弱，保持磁轴承定转子之间的气隙均匀，并使悬浮体得到无接触稳定支撑。本发明的轴向磁轴承定子在轴承体内绕制两组激磁线圈，这两组激磁线圈、定子磁极、永磁体和导磁环组成互为冗余的轴向磁轴承定子，当轴向磁轴承定子上的一个激磁线圈通电正常工作时，另一个激磁线圈不通过电流，作为备用激磁线圈。轴向磁轴承的磁路分为永磁磁路和电磁磁路，永磁磁路在气隙中产生偏置磁通(如图2中虚线所示)，电磁磁路产生控制磁通(如图2中实线所示)，以一个轴向磁轴承定子为例说明磁路。永磁磁路分为两路，其中一路永磁磁路为磁通从永磁体N极出发，通过轴承体、轴承体的中部磁极、气隙、悬浮体、气隙和导磁环回到永磁体S极，如图2中的虚线所示；另一路永磁磁路为磁通从永磁体N极出发，通过轴承体、轴承体的外部磁极、气隙、悬浮体、气隙和导磁环回到永磁体S极，如图2中的虚线所示。电磁磁路也分为两路，以轴承体内部激磁线圈产生的电流为例，其中一路为电磁磁通经过轴承体、轴承体的中部磁极、气隙、悬浮体、气隙、导磁环和辅助气隙构成闭合回路，如图2中的实线所示；另一路为电磁磁通经过轴承体、轴承体的外部磁极、气隙、悬浮体、气隙、导磁环和辅助气隙构成闭合回路，如图2中的实线所示。备用的轴向磁轴承的永磁磁路与正常工作轴向磁轴承的永磁磁路相同，而电磁磁路也分为两路，其中一路为电磁磁通经过轴承体的外部磁极、气隙、悬浮体、气隙、轴承体的中部磁极和轴承体构成闭合回路，如图4中的实线所示；另一路为电磁磁通经过轴承体的外部磁极、气隙、悬浮体、气隙、导磁环、辅助气隙和轴承体构成闭合回路，如图4中的实线所示。在其中轴向磁轴承的一个激磁线圈发生故障时，另一个备用激磁线圈进入正常工作状态，实现了轴向磁轴承的冗余，从而保证了磁轴承系统的高可靠性。
本发明的技术解决方案之二为一种具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承，其特征在于由轴承体、激磁线圈、永磁体、导磁环、气隙、辅助气隙和悬浮体组成，永磁体紧贴在轴承体，导磁环紧贴在永磁体上并与轴承体之间形成辅助气隙，轴承体包括中部磁极和内部磁极，内部磁极、中部磁极、导磁环与悬浮体之间形成气隙，永磁体在气隙中产生偏置磁通，轴承体内绕制两组激磁线圈，激磁线圈用来产生控制磁通，激磁线圈、永磁体和导磁环组成互为冗余的轴向磁轴承定子。本发明所述的轴向磁轴承定子在一个装置中应成对使用，轴向磁轴承定子与悬浮体组成互为冗余的轴向磁轴承。方案二与方案一相比，永磁体移至激磁线圈径向外部。
上述方案的原理是通过永磁体给磁轴承提供偏置磁场，激磁线圈所产生的电磁场起调节作用，用来改变每极下磁场的强弱，保持磁轴承定转子之间的气隙均匀，并使悬浮体得到无接触稳定支撑。本发明的轴向磁轴承定子在轴承体内绕制两组激磁线圈，这两组激磁线圈、定子磁极、永磁体和导磁环组成互为冗余的轴向磁轴承定子，当轴向磁轴承定子上的一个激磁线圈通电正常工作时，另一个激磁线圈不通过电流，作为备用激磁线圈。轴向磁轴承的磁路分为永磁磁路和电磁磁路，永磁磁路在气隙中产生偏置磁通(如图5中虚线所示)，电磁磁路产生控制磁通(如图5中实线所示)，以一个轴向磁轴承定子为例说明磁路。永磁磁路分为两路，其中一路永磁磁路为磁通从永磁体N极出发，通过轴承体、轴承体的中部磁极、气隙、悬浮体、气隙和导磁环回到永磁体S极，如图5中的虚线所示；另一路永磁磁路为磁通从永磁体N极出发，通过轴承体、轴承体的内部磁极、气隙、悬浮体、气隙和导磁环回到永磁体S极，如图5中的虚线所示。电磁磁路也分为两路，以轴承体内部激磁线圈产生的电流为例，其中一路为电磁磁通经过轴承体内部磁极、气隙、悬浮体、气隙、轴承体中部磁极和轴承体成闭合回路，如图6中的实线所示；另一路为电磁磁通经过轴承体内部磁极、气隙、悬浮体、气隙、导磁环、辅助气隙和轴承体构成闭合回路，如图5中的实线所示。备用的轴向磁轴承的永磁磁路与正常工作轴向磁轴承的永磁磁路相同，而电磁磁路也分为两路，其中一路为电磁磁通经过轴承体的内部磁极、气隙、悬浮体、气隙、导磁环、辅助气隙和轴承体构成闭合回路，如图7中的实线所示；另一路为电磁磁通经过轴承体的中部磁极、气隙、悬浮体、气隙、导磁环、辅助气隙和轴承体构成闭合回路，如图7中的实线所示。在其中轴向磁轴承的一个激磁线圈发生故障时，另一个备用激磁线圈进入正常工作状态，实现了轴向磁轴承的冗余，从而保证了磁轴承系统的高可靠性。
本发明与现有技术相比的优点在于本发明利用两组激磁线圈、轴承体及其两个磁极、永磁体和导磁环组成互为冗余的轴向磁轴承定子，结构简单，当其中一个激磁线圈发生故障时，另一个备用的激磁线圈可进入正常工作状态，从而保证了整个系统的安全可靠运行。
本发明的另一个优点是本发明的低功耗轴向磁轴承通过永磁体产生偏置磁场，并且通过辅助气隙使永磁磁路与电磁磁路分离，电磁磁通不经过永磁体，因而电磁磁路磁阻很低，很小的激磁电流就能产生较大的磁通，可显著降低具有冗余结构的轴向磁轴承功耗。另外，在轴向磁轴承中采用多个磁极，增加了磁极面积，提高了轴向磁轴承的承载力。
图1为具有冗余结构的轴向主动磁轴承结构示意图；图2为本发明技术解决方案之一的具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承的轴向截面图；图3为本发明技术解决方案之一的具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承的轴向端面图(沿永磁体剖面图)；图4为本发明技术解决方案之一的具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承备用轴向磁轴承磁路示意图。
图5为本发明技术解决方案之二的具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承的轴向截面图；图6为本发明技术解决方案之二的具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承的轴向端面图(沿永磁体剖面图)；图7为本发明技术解决方案之二的具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承备用轴向磁轴承磁路示意图。
具体实施例方式
如图2、图3和图4所示，为本发明技术解决方案之一的一种具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承，即本发明的基本形式。它由轴承体9、激磁线圈2和3、永磁体4、导磁环5、气隙7、辅助气隙10和悬浮体6组成，永磁体4紧贴在轴承体9上，导磁环5紧贴在永磁体4上并与轴承体9在轴向形成辅助气隙10，轴承体9包括外部磁极91和中部磁极92，外部磁极91、中部磁极92、导磁环5与悬浮体6之间形成气隙7，永磁体4在气隙7中产生偏置磁通，轴承体9内绕制两组激磁线圈2和3，激磁线圈2和3用来产生控制磁通，激磁线圈2、永磁体4和导磁环5以及激磁线圈3、永磁体4和导磁环5组成互为冗余的轴向磁轴承定子。正常工作时，激磁线圈2通电流产生控制磁通，激磁线圈3不通电流，作为备用激磁线圈，当激磁线圈2发生故障时，激磁线圈3通电流产生控制磁通。
如图5、图6和图7所示，为本发明技术解决方案之二的一种具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承，方案二与方案一相比，永磁体移至激磁线圈径向外部。它由轴承体9、激磁线圈2和3、永磁体4、导磁环5、气隙7、辅助气隙10和悬浮体6组成，永磁体4紧贴在轴承体9上，导磁环5紧贴在永磁体4上并与轴承体9在轴向形成辅助气隙10，轴承体9包括中部磁极92和内部磁极93，中部磁极92、内部磁极93、导磁环5与悬浮体6之间形成气隙7，永磁体4在气隙7中产生偏置磁通，轴承体9内绕制两组激磁线圈2和3，激磁线圈2和3用来产生控制磁通，激磁线圈3、永磁体4和导磁环5以及激磁线圈2、永磁体4和导磁环5组成互为冗余的轴向磁轴承定子。正常工作时，激磁线圈3通电流产生控制磁通，激磁线圈2不通电流，作为备用激磁线圈，当激磁线圈3发生故障时，激磁线圈2通电流产生控制磁通。
上述本发明技术方案所用的导磁环5和轴承体9均采用导磁性能良好的材料制成，如电工纯铁、各种低碳钢、1J50和1J79等磁性材料。永磁体4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4为一圆环，沿轴向充磁。激磁线圈2和激磁线圈3用导电良好的电磁线绕制后真空浸漆烘干而成。
权利要求
1.一种具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承，其特征在于由轴承体(9)、激磁线圈(2)和(3)、永磁体(4)、导磁环(5)、气隙(7)、辅助气隙(10)和悬浮体(6)组成，永磁体(4)紧贴在轴承体(9)上，导磁环(5)紧贴在永磁体(4)上并与轴承体(9)在轴向形成辅助气隙(10)，轴承体(9)包括外部磁极(91)和中部磁极(92)，外部磁极(91)、中部磁极(92)、导磁环(5)与悬浮体(6)之间形成气隙(7)，永磁体(4)在气隙(7)中产生偏置磁通，轴承体(9)内绕制两组激磁线圈(2)和(3)，激磁线圈(2)和(3)用来产生控制磁通，激磁线圈(2)、永磁体(4)和导磁环(5)以及激磁线圈(3)、永磁体(4)和导磁环(5)组成互为冗余的轴向磁轴承定子。
2.根据权利要求1所述的具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承，其特征在于所述的永磁体(4)采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成。
3.根据权利要求1所述的具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承，其特征在于所述的永磁体(4)为一个圆环，沿轴向充磁。
4.根据权利要求1所述的具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承，其特征在于所述的导磁环(5)、轴承体(9)和悬浮体(6)采用导磁性能良好的软磁材料制成。
5.一种具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承，其特征在于由轴承体(9)、激磁线圈(2)和(3)、永磁体(4)、导磁环(5)、气隙(7)、辅助气隙(10)和悬浮体(6)组成，永磁体(4)紧贴在轴承体(9)上，导磁环(5)紧贴在永磁体(4)上并与轴承体(9)在轴向形成辅助气隙(10)，轴承体(9)包括中部磁极(92)和内部磁极(93)，内部磁极(93)、中部磁极(92)、导磁环(5)与悬浮体(6)之间形成气隙(7)，永磁体(4)在气隙(7)中产生偏置磁通，轴承体(9)内绕制两组激磁线圈(2)和(3)，激磁线圈(2)和(3)用来产生控制磁通，激磁线圈(2)、永磁体(4)和导磁环(5)以及激磁线圈(3)、永磁体(4)和导磁环(5)组成互为冗余的轴向磁轴承定子。
6.根据权利要求5所述的具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承，其特征在于所述的永磁体(4)采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成。
7.根据权利要求5所述的具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承，其特征在于所述的永磁体(4)为一个圆环，沿轴向充磁。
8.根据权利要求5所述的具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承，其特征在于所述的导磁环(5)、轴承体(9)和悬浮体(6)采用导磁性能良好的软磁材料制成。
全文摘要
一种具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承，其特征在于由轴承体、激磁线圈、永磁体、导磁环、气隙、辅助气隙和悬浮体组成，永磁体紧贴在轴承体，产生偏置磁通，导磁环紧贴在永磁体上并与轴承体之间形成辅助气隙，导磁环、轴承体磁极和悬浮体之间形成气隙，产生偏置磁通，轴承体内绕制两组激磁线圈，产生控制磁通，激磁线圈、永磁体和导磁环组成互为冗余的轴向磁轴承定子。本发明所述的轴向磁轴承定子在一个装置中应成对使用，并与悬浮体组成互为冗余的轴向磁轴承。本发明使永磁偏置轴向磁轴承在结构上实现了冗余，并且使电磁磁路不通过永磁体内部，降低了激磁电流。本发明具有可靠性高和功耗低的优点，可作为飞轮等装置中旋转部件的无接触支撑。
文档编号F16C32/04GK101054999SQ20071009875
公开日2007年10月17日 申请日期2007年4月26日 优先权日2007年4月26日
发明者韩邦成, 房建成, 刘刚, 孙津济 申请人:北京航空航天大学