专利名称：垂直线圈内转子混合磁轴承及组合式混合磁轴承的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种非接触磁悬浮轴承，尤其是涉及一种可以作为旋转部件的无 接触支撑件的混合磁轴承，其特别适用于对卫星姿态控制磁悬浮飞轮、储能飞轮的无接触 支撑。
背景技术：
磁悬浮轴承分为纯电磁式和永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，前者必须 在电磁线圈中设定偏置电流来给磁轴承提供工作点，因此控制电流大，功耗大；而在由永 磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承中，永磁体提供了磁路的主要磁通和偏置工作点磁 场，承担主要的承载力，电磁线圈提供磁路的调节磁通，按一定控制律使转子处于平衡位 置，承担辅助的调节承载力，因而可以显著减小控制电流，降低功耗，特别适合于对功耗要 求高的空间用飞轮等应用场合。然而，目前的永磁偏置径向混合磁轴承线圈铁心与工作磁极采用一体化结构(即 二者是一个整体，具体而言，就是上线圈铁心和上导磁极板是一个整体，下线圈铁心和下导 磁极板是一个整体)。而且，在现有的混合磁轴承结构中，磁极在圆周方向是彼此分开的，因 为这种彼此分开的磁极结构，造成其径向磁场沿圆周方向是交替变化的(即磁场是非均勻 的)，导致转子在高速旋转时，通过转子铁心圆周面的磁通按转速的N倍频(N等于磁极数) 周期性变化，由此带来的涡流损耗不可忽略。虽然采用叠片结构的转子铁心能在一定程度上减小涡流损耗，而且进一步减小转 子铁心的叠片厚度可以显著降低涡流损耗，但这样就会带来磁轴承的支撑强度减弱的问 题。因此，对高速飞轮转子而言，目前的混合磁轴承还存在明显的技术缺点一方面， 转子铁心的涡流将产生明显的阻滞力矩，在姿态控制用磁悬浮飞轮等航天应用场合，将会 显著增加驱动电机的功耗，并影响卫星姿态控制的稳定性和精度；另一方面，当为了降低 风阻损耗而将高速转子封闭在高真空的壳体内时，过大的涡流损耗还将增加转子散热设计 的困难。此外，目前的混合磁轴承线圈铁心与工作磁极采用一体化结构，还存在结构复杂、 不能充分利用磁极的圆周面积等缺点。
发明内容为克服现有技术的不足，本实用新型提供一种非接触磁悬浮轴承，这是一种包含 有垂直线圈、径向均勻磁极和内转子的低损耗永磁偏置混合磁轴承，将现有的磁轴承的定 子中通常相互分开的磁极在内边缘相连为一个整体圆环，以使得当转子处于平衡位置时工 作气隙的径向永磁偏置磁场在整个圆周面上是均勻的，从源头上将转子运行时的涡流损耗 和阻滞力矩降低到最低程度。为达到所述发明目的，本实用新型的技术解决方案之一是一种垂直线圈内转子 混合磁轴承，其包括转子和定子。其中所述转子包括内导磁环；转子铁心，同轴套装在该内导磁环外侧。所述定子包括定子盘，包含有多个均勻分布的磁极；多个线圈铁心，分别 对称设置在该定子盘上下两侧并沿该定子盘的周向均勻分布，且每2个上下对称设置的根据本实用新型的垂直线圈内转子混合磁轴承的一个实施例，所述定子盘呈圆环 状，其包括上导磁极板；下导磁极板，位于所述上导磁极板下方；磁柱安装盘，设置在所述 上导磁极板和下导磁极板之间，该磁柱安装盘不导磁；以及多个永磁体，被均勻嵌放在所述 磁柱安装盘内，所述永磁体沿所述定子盘的轴向同向充磁；其中所述上导磁极板和下导磁 极板分别被沿周向均勻分割成呈辐射状的4个磁极，且上导磁极板的4个磁极和下导磁极 板的4个磁极上下对称。所述上导磁极板的4个磁极的相邻磁极之间、以及下导磁极板的4个磁极的相邻 磁极之间分别在内边缘处由通道相连为一个整体圆环，其中该通道由具有小截面积的导磁 体形成。为达到所述发明目的，本实用新型的技术解决方案之二是一种组合式混合磁轴 承，其由多个如上所述的垂直线圈内转子混合磁轴承组合而成。本实用新型将现有的磁轴承通常相互分开的磁极在内边缘处相连成一个整体圆 环。由于永磁体在轴向同向充磁，永磁体产生的磁通在磁极内缘按径向方向经工作气隙进 出转子铁心。因此，当转子处于平衡位置时，工作气隙的径向永磁磁通在整个圆周面上是均 勻的，因而将转子运行时的涡流损耗和阻滞力矩降低到最低程度。电磁线圈产生的磁通在 磁极内缘按径向方向经工作气隙进出转子铁心的同时，还有一小部分电磁磁通沿周向经导 磁极板边缘连接部分进入相邻磁极，由于连接处截面积较小，因此即便较小的磁通也产生 很大的磁通密度，使磁极边缘连接部分的周向磁路饱和，这样，可以保证各磁极的电磁控制 磁路耦合效应很小，不会对控制特性产生影响。此外，在本实用新型的混合磁轴承中，线圈铁心与工作磁极采用分体结构，使得其 结构相比现有技术的一体化设计结构而得以简化。与现有技术相比，本实用新型的优点在于采用垂直线圈径向均勻磁极结构，将 现有技术中相互分开的磁轴承的磁极在内边缘处相连成一个整体圆环，当转子处于平衡位 置时，工作气隙的径向永磁磁通在整个圆周面上是均勻的，从源头上将转子运行时的涡流 损耗和阻滞力矩降低到了最低程度；本实用新型所述的磁轴承线圈铁心与磁极在结构上分 开，加工和装配更方便，并使磁极可以充分利用圆周面积，增大其最大承载力。
图1为本实用新型的磁轴承的一个实施例的结构示意图；图2为图1所示磁轴承的上/下导磁极板的结构示意图；图3为图2所示上/下导磁极板的局部结构立体示意图；图4为本实用新型的磁轴承的磁路图；图5为多个本实用新型产品的组合使用参考图。对附图标记说明如下1-转子，[0021]11-转子铁心，12-内导磁环，2-定子，21-电磁线圈，22-线圈铁心，221-上线圈铁心，222-下线圈铁心23-上导磁盖板，24-定子盘，241-上导磁极板，242-磁柱安装盘，243-下导磁极板，244_ 永磁体，25-连接杆，26-下导磁盖板，27-通孔，3-工作气隙，4-通道，5-磁极，6-电磁磁路，7-永磁磁路，8-隔环，9-隔圈。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进行具体描述。参见图1 图4所示，本实用新型的磁轴承是一种包含有垂直线圈、径向均勻磁极和内转子的低损耗混合磁轴承。其具体结构由转子1和定子2组成。所述转子1被放置在 定子2内构成内转子。该转子1由转子铁心11和内导磁环12构成，其中转子铁心11同轴 线套装在内导磁环12的外侧。所述转子铁心11包括上转子铁心和下转子铁心，所述上转 子铁心和下转子铁心均具有叠片结构。所述定子2由8个线圈铁心22 (包括分别对称置于 定子盘24的上、下两侧的4个上线圈铁心221和4个下线圈铁心222)、分别垂直套装在每 个线圈铁心22上的8个电磁线圈21、上导磁盖板23、定子盘24、4个连接杆25和下导磁盖 板26组成；上导磁盖板23设置在所述上线圈铁心221上方；下导磁盖板26设置在所述下 线圈铁心222下方；其中所述上导磁盖板23、上线圈铁心221、定子盘24、下线圈铁心222、 下导磁盖板26分别通过4个连接杆25依次连接，其中4个连接杆25借由通孔27而被分 别设置在定子2上且沿定子2的周向均勻分布。所述定子2的定子盘24呈圆环状，其由上导磁极板241、磁柱安装盘242、下导磁 极板243和多个永磁体244组成，其中上导磁极板241、磁柱安装盘242、下导磁极板243依次层叠，永磁体244周向均勻嵌放在磁柱安装盘242内。对应于被均勻设置在上导磁极板241和下导磁极板243之间的多个永磁体244，所 述上导磁极板241和下导磁极板243分别被沿周向均勻分割成呈辐射状的4个磁极5(即 四磁极结构 )(如图2所示)，且上导磁极板241的4个磁极5和下导磁极板243的4个磁 极5上下对称。所述线圈铁心22与所述4个磁极5采用分体结构，即所述线圈铁心22与构 成所述磁极5的上/下导磁极板是彼此可分离的独立元件，并通过连接杆25连接在一起。所述磁柱安装盘242由非导磁材料制成，其主要有两方面的作用(1)它是一个重 要的结构件，用于在基本上呈整体圆环状的上/下导磁极板之间定位和固定永磁体244，同 时还承受上下导磁极板间的压力，保护永磁体244使其不被压碎；(2)由于每一磁极5可以 对应多块永磁体244，利用该磁柱安装盘242可以对多块永磁体进行组合配置，充分利用永 磁体的截面积，有利于在工作气隙处产生均勻偏置磁场。在导磁极板内缘，所述上导磁极板 的4个磁极5的相邻磁极之间、以及下导磁极板的4个磁极5的相邻磁极之间分别通过小 截面积的导磁体(即通道4)连成一体，使得上导磁极板的4个磁极5在内缘处连接成一个 整体的圆环，下导磁极板的4个磁极5同样也在内缘处连接成一个整体的圆环。所述通道4在上/下导磁极板的径向所处的位置应尽量靠近转子1的设置位置， 艮口，与内转子对应的通道应设置在导磁极板的内缘，与外转子对应的通道应设置在导磁极 板的外缘，这样才能保证在气隙及转子中形成均勻的磁场。所述定子2的定子盘24的内环面与所述转子1的转子铁心11的外环面之间具有 间隙(即工作气隙3)。对于连通相邻磁极5之间的通道4而言，对其具体结构尺寸的设置既要保证转子 处于平衡位置时永磁体244可以在工作气隙3中形成均勻偏置磁场，又要保证电磁线圈产 生的励磁磁路相互独立。从能量损耗的角度看，连接面积越大越有利于永磁体244形成均 勻偏置磁场，减小涡流损耗；从控制的角度看，连接面积越小越有利于励磁磁路相互独立， 便于磁轴承的控制。通道连接面积的大小与永磁体材料及截面积、导磁极板的材料等多种 因素有关。合适的通道4的截面积约为单个磁极面积的1 % 15 %，较优范围为2 % 4 %。如图3所示的上/下导磁极板的局部结构立体示意图，其表示本实用新型的上/ 下导磁极板的一个实例，其中，每个磁极5的工作面(1/4圆柱侧面)的面积(即单个磁极面 积)Sl为251. 3mm2,通道4的截面积S2为8mm2，约为每个磁极5的工作面面积Sl的3. 2%。如图4所示，所述上导磁极板241、永磁体244、下导磁极板243与所述转子1和气 隙3构成永磁磁路7。所述上导磁盖板23、上线圈铁心221及电磁线圈21、上导磁极板241、 气隙3、转子1、下导磁极板243、下线圈铁心222及电磁线圈21和下导磁盖板26构成电磁 磁路6。永磁磁路7除了为本实用新型的磁轴承提供工作点外，还提供转子轴向运动的被动 稳定以及转子绕X轴和Y轴转动的被动稳定。所述本实用新型磁轴承的定子盘24的中间部分是磁柱安装盘242以及一组按磁 极位置均勻分布的圆形或扇形柱状永磁体244，该永磁体244沿轴向同向充磁。永磁体244 上下两端是结构对称的导磁极板(即上导磁极板241与下导磁极板243)。导磁极板平面与 线圈铁心轴线垂直。因此，当转子处于平衡位置时，工作气隙的径向永磁偏置磁场在整个圆 周面上是均勻的，径向永磁磁通在转子铁心上产生的涡流损耗被降低到最低程度。例如，对于图3所示的实例，当通道4的尺寸大小合适时，由有限元数值计算结果可知，气隙3中永磁偏置磁场的磁通密度最小为0. 746T，最大为0. 751T。与此形成显著对比的是，当各相邻磁极5之间无通道4相连时，由有限元数值计 算结果可知，与磁极5的间隔处对应的局部气隙中的永磁偏置磁场的磁通密度较小，约为 0. 262T，其余部分约为0. 754T。可以看出，在相邻磁 极5之间有尺寸适宜的通道4连通时，可以显著改善气隙3中 永磁偏置磁场的磁通密度分布的均勻性。本实用新型采用叠片结构的转子铁心，用来进一步降低转子偏离平衡位置时永磁 磁通扰动和线圈控制磁通变化带来的磁轴承转子铁心的涡流损耗。本实用新型可以设计为径向两轴主动控制混合磁轴承，也可以设计为径向四轴主 动控制混合磁轴承，参见图6，也就是说，可以设计为多个本实用新型产品的组合结构以满 足不同的需求。本实用新型的工作原理是由永磁体为内转子和外定子之间的径向工作气隙提供 偏置磁通，产生磁轴承静态悬浮所需的径向力。当左右两侧气隙相等时，相对的两磁极产生 的径向力相互抵消，转子处于平衡位置。当转子有向左的径向位移时，左侧气隙减小，因而 左侧永磁磁通增加而吸力变大，同时右侧气隙变大，右侧永磁磁通减少而吸力变小，结果会 使转子继续向左侧移动。为了抑制这种不平衡，电磁线圈产生电磁磁通与永磁偏置磁通叠 力口，起到削弱左侧气隙磁通、加强右侧气隙磁通的作用，从而产生控制力把转子拉回平衡位 置。当转子有轴向位移时，由于转子和定子之间的磁力线扭曲从而产生使轴向稳定的 恢复力，使转子在轴向获得被动悬浮。当转子绕χ/γ轴转动时，在χ/γ轴两边的转子铁心相 对定子磁极在轴向产生相反方向的位移，其轴向力形成一个恢复力矩，使转子绕X/Y轴转 动方向获得被动稳定。本实用新型的线圈铁心与工作磁极采用分体结构，并且将现有的磁轴承的定子中 通常相互分开的磁极在内边缘处相连成一个整体圆环。由于永磁体在轴向同向充磁，永磁 体产生的磁通在磁极内缘按径向方向经工作气隙进出转子铁心。因此，当转子处于平衡位 置时，工作气隙的径向永磁磁通在整个圆周面上是均勻的，因而将转子运行时的涡流损耗 和阻滞力矩降低到最低程度。电磁线圈产生的磁通在磁极内缘按径向方向经工作气隙进出 转子铁心的同时，还有一小部分电磁磁通沿周向经导磁极板边缘连接部分进入相邻磁极。 由于连接处的导磁体的截面积较小，因此即便较小的磁通也产生很大的磁通密度，使磁极 边缘连接部分的周向磁路饱和，也就是说，通道4的小截面积导磁体在较小的磁通下也会 使得磁极边缘连接部分的周向磁路饱和。这样，可以保证各磁极的电磁控制磁路耦合效应 很小，不会对控制特性产生影响。与现有技术相比，本实用新型的优点在于采用垂直线圈径向均勻磁极结构，将现 有技术中相互分开的磁轴承磁极在内边缘相连成一个整体圆环，当转子处于平衡位置时， 工作气隙的径向永磁磁通在整个圆周面上是均勻的，从源头上将转子运行时的涡流损耗和 阻滞力矩降低到了最低程度；本实用新型所述的磁轴承线圈铁心，与磁极在结构上分开，力口 工和装配更方便，并使磁极可以充分利用圆周面积，增大其最大承载力。实施例1参见图1-图3，本实用新型的该实施例如上述方案由转子1和定子2两大部分组成。转子1装在 定子2的内部构成内转子。转子1由转子铁心11和内导磁环12构成，其 中转子铁心11同轴线套装在内导磁环12的外侧。转子1的转子铁心11采用一种导磁性 能良好的薄板型软磁材料如电工硅钢板冲压叠制而成；定子2由8个电磁线圈21、8个线圈 铁心22、上导磁盖板23、定子盘24、4个连接杆25和下导磁盖板26组成，4个连接杆25将 上导磁盖板23、线圈铁心22、定子盘24、下导磁盖板26依次连接成一个整体。其中定子盘 24由上导磁极板241、磁柱安装盘242、下导磁极板243依次层叠而成，永磁体244嵌入磁 柱安装盘242内。定子2的定子盘24内环面与转子1的转子铁心11外环面之间留有间隙 (即工作气隙3)。定子2的上导磁盖板23、上导磁极板241、下导磁极板243、下导磁盖板 26及转子1的内导磁环12均采用导磁性能良好的软磁材料加工而成。定子2的定子盘24 中的永磁体244采用磁性良好的稀土永磁体制作并轴向同向充磁。定子2的定子盘24中 的磁柱安装盘242采用非导磁合金材料铝合金或钛合金制成。定子2的电磁线圈21采用 导电良好的漆包线绕制后浸漆烘干而成。8个垂直放置的电磁线圈21分别置于定子盘24 的上、下两侧。每块导磁极板(即上导磁极板241与下导磁极板243)分别被沿周向均勻分 割成呈辐射状的4个磁极5，如图4所示，且上导磁极板的4个磁极5和下导磁极板的4个 磁极5上下对称，相邻的磁极5之间由通道4连通。因为是由导磁材料将4个磁极5相互 连接构成一个整体，所以，当转子处于平衡位置时，工作气隙的径向永磁磁通在整个圆周面 上是均勻的。如图4所示，由上导磁极板241、永磁体244、下导磁极板243、转子1和气隙3构成 磁轴承的永磁磁路7。由上导磁盖板23、上线圈铁心221及电磁线圈21、上导磁极板241、 气隙3、转子1、下导磁极板243、下线圈铁心222及电磁线圈21和下导磁盖板26构成磁轴 承的电磁磁路6。永磁磁路7除了为磁轴承提供工作点外，还提供转子轴向运动的被动稳定及转子 绕X轴和Y轴转动运动的被动稳定。因此，图1所示的具有垂直线圈、径向均勻磁极和内转 子的低损耗混合磁轴承结构可以成为一种径向两轴主动控制混合磁轴承。实施例2本实用新型的混合磁轴承还能以不同方式构建其组合结构。例如，如图5所示，沿 轴向采用两套如图1所示的基本型结构，则可以构成径向四轴主动控制、轴向被动稳定的 磁轴承，即本实用新型可以设计为多个基本型结构的组合形式以满足不同的需求。这种组 合形式的混合磁轴承，所述混合磁轴承的个数为2个，分别沿所述混合磁轴承的轴向上下 叠置，在上下2个混合磁轴承定子之间可设一块非导磁的隔环8，在上下2个磁轴承转子1 之间设一块非导磁的隔圈9，所述上下2个混合磁轴承的定子2内的永磁体244的充磁方向 彼此相反。隔环8和隔圈9均采用不导磁的铝合金、铜或无磁不锈钢等制成。本实施例中， 就本实用新型的单个产品而言，除上下2个磁轴承定子内的永磁体充磁方向彼此相反外， 其它同实施例1。
权利要求1.一种垂直线圈内转子混合磁轴承，其包括 转子(1)，包括:内导磁环(12)；转子铁心(11)，同轴套装在该内导磁环(12)外侧；以及 定子0)，包括定子盘(M)，包含有多个均勻分布的磁极(5)；多个线圈铁心(22)，分别对称设置在该定子盘04)上下两侧并沿该定子盘04)的周 向均勻分布，且每2个上下对称设置的线圈铁心0 分别与1个磁极(5)的位置对应；以 及多个电磁线圈(21)，分别垂直套装在各线圈铁心02)上；以及所述转子(1)设置在所述定子( 之内；其中，所述多个磁极( 在内边缘处相连为一个整体圆环。
2.根据权利要求1所述的垂直线圈内转子混合磁轴承，其中，所述定子盘04)呈圆环 状，其包括上导磁极板041)；下导磁极板043)，位于所述上导磁极板041)下方；磁柱安装盘042)，设置在所述上导磁极板(Ml)和下导磁极板( 之间，该磁柱安 装盘( 不导磁；以及多个永磁体044)，被均勻嵌放在所述磁柱安装盘042)内，所述永磁体(M4)沿所述 定子盘04)的轴向同向充磁；以及所述上导磁极板(Ml)和下导磁极板( 分别被沿周向均勻分割成呈辐射状的4个 磁极(5)，且每个所述下导磁极板( 的磁极被设置为与相应的所述上导磁极板(Ml)的 磁极上下对称。
3.根据权利要求2所述的垂直线圈内转子混合磁轴承，其中，所述上导磁极板(Ml)的 4个磁极( 的相邻磁极之间、以及所述下导磁极板( 的4个磁极( 的相邻磁极之间 分别在内边缘处由通道(4)连成一个整体圆环，其中该通道由具有小截面积的导磁体 形成。
4.根据权利要求1所述的垂直线圈内转子混合磁轴承，其中，所述多个线圈铁心02) 包括4个上线圈铁心021)，位于所述定子盘04)上侧；以及4个下线圈铁心022)，位于所述定子盘04)下侧并分别与所述4个上线圈铁心(221) 的位置对称；以及所述电磁线圈的个数为8个。
5.根据权利要求2至4中任意一项所述的垂直线圈内转子混合磁轴承，其中，所述转子 (1)设置在所述定子内，所述定子盘04)的内环面与所述转子(1)的转子铁心(11)的 外环面之间具有工作气隙(3)。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的垂直线圈内转子混合磁轴承，其中，所述定子 ⑵还包括上导磁盖板(23)，设置在所述上线圈铁心021)上方；下导磁盖板( )，设置在所述下线圈铁心(22 下方；以及所述上导磁盖板(23)、上线圈铁心021)、定子盘(M)、下线圈铁心(22 和下导磁盖 板06)分别通过4个连接杆0 依次连接。
7.根据权利要求5所述的垂直线圈内转子混合磁轴承，其中，所述上导磁极板041)、永磁体044)、下导磁极板( 与所述转子(1)和气隙(3) 构成永磁磁路(7)；以及所述上导磁盖板(23)、上线圈铁心021)及电磁线圈(21)、上导磁极板041)、气隙 (3)、转子(1)、下导磁极板(M3)、下线圈铁心(222)及电磁线圈(21)和下导磁盖板(26) 构成电磁磁路(6)。
8.根据权利要求1至4中任意一项所述的垂直线圈内转子混合磁轴承，其中，所述转子 铁心(11)包括上转子铁心和下转子铁心，所述上转子铁心和下转子铁心均具有叠片结构。
9.一种组合式混合磁轴承，其由多个如权利要求1至8中任意一项所述的垂直线圈内 转子混合磁轴承组合而成。
10.根据权利要求9所述的组合式混合磁轴承，其中，所述混合磁轴承的个数为2个，分 别沿所述混合磁轴承的轴向上下叠置，在上下2个混合磁轴承的定子( 之间设置一块非 导磁的隔环(8)，在上下2个混合磁轴承的转子(1)之间设置一块非导磁的隔圈(9)，所述 上下2个混合磁轴承的定子内的永磁体044)的充磁方向彼此相反。
专利摘要一种垂直线圈内转子混合磁轴承及组合式混合磁轴承，所述混合磁轴承包括转子和定子。其中所述转子包括内导磁环；转子铁心，同轴套装在该内导磁环外侧。所述定子包括定子盘，包含有上导磁极板、下导磁极板、磁柱安装盘和永磁体；多个线圈铁心，分别对称设置在定子盘上下两侧并沿定子盘的周向均匀分布，且每2个上下对称设置的线圈铁心分别与1个磁极的位置对应；以及多个电磁线圈，分别垂直套装在各线圈铁心上；其中所述转子设置在所述定子之内；所述导磁极板分别被沿周向均匀分割成呈辐射状的四磁极结构，所述磁极在内边缘处相连为一个整体圆环。本实用新型的磁轴承的磁极在内边缘相连为一个整体圆环，构成径向均匀磁极，大大降低了转子运行时的涡流损耗。
文档编号F16C32/04GK201874993SQ20102057666
公开日2011年6月22日 申请日期2010年10月26日 优先权日2010年10月26日
发明者刘昆, 单小强, 张立, 张育林, 肖凯 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学