永磁偏置轴向磁悬浮轴承的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种永磁偏置轴向磁悬浮轴承，属磁悬浮轴承中的混合型磁悬浮轴承。包括主轴、转子左导磁环、转子左磁极环、定子磁极环A、定子左套筒、左控制绕组、定子磁极环B、定子导磁桥环、定子磁极环C、定子右套筒，右控制绕组、定子磁极环D、转子右磁极B、转子右导磁环和永磁体环。转子左磁极环和转子右磁极环的形状相同，转子左导磁环和转子右导磁环的形状相同，定子左套筒和定子右套筒的形状相同，定子磁极环A、定子磁极环B、定子磁极环C和定子磁极环D的形状相同亦相同。整个磁悬浮轴承结构简单，体积小，重量轻，功耗小，成本低，在飞轮储能，涡能分子泵等各种磁悬浮系统中都有广阔的应用前景。
【专利说明】永磁偏置轴向磁悬浮轴承
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及磁悬浮轴承【技术领域】，具体涉及一种永磁偏置轴向磁悬浮轴承。【背景技术】
[0002]磁悬浮轴承按照磁场建立方式的不同可分为全电磁型、永磁型和混合型三种类型。
[0003]全电磁型磁悬浮轴承由通入直流电的偏磁绕组在气隙中建立偏置磁场，由通入大小和方向都受到实时控制的交变电流的控制绕组来在气隙中建立控制磁场，这两个磁场在气隙中的叠加和抵消产生了大小和方向都可以主动控制的磁场吸力，从而实现了转子的稳定悬浮，这种类型的磁悬浮轴承刚度大，可以精密控制，但产生单位承载力所需的体积、重量和功耗也都比较大。
[0004]永磁型磁悬浮轴承利用磁性材料之间的吸力或斥力来实现转子的悬浮，所需控制器简单，功耗小，但刚度和阻尼也都比较小。
[0005]混合型磁悬浮轴承结合了主动型磁悬浮轴承和被动型磁悬浮轴承的特点，采用永磁材料替代偏磁线圈来产生所需的偏置磁场，因此电磁线圈匝数比主动型磁悬浮轴承少得多，较大程度地降低了磁悬浮轴承的功率损耗，减小了产生单位承载力所需的体积和重量。以上特点使其在对体积和功耗有着严格要求的领域有着不可替代的优势，因此混合型磁悬浮轴承已成为磁悬浮轴承研究与发展的一个重要方向。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的在于解决现有技术存在的是磁悬浮轴承结构复杂，功耗较高的技术问题。
[0007]本实用新型提供一种永磁偏置轴向磁悬浮轴承，包括:
[0008]定子导磁桥环，其左右两侧分别设置定子左套筒和定子右套筒，定子左套筒的内侧左右分别设置定子磁极环A和定子磁极环B，定子右套筒的内侧左右分别设置定子磁极环C和定子磁极环D ；
[0009]套装在主轴上的永磁体环，其左右两侧分别设置套装在主轴上的转子左导磁环和转子右导磁环，在转子左导磁环的左侧和转子右导磁环的右侧分别设置套装在主轴上的转子左磁极环和转子右磁极环；
[0010]左控制绕组安装在由定子左套筒、定子磁极环A、定子磁极环B和转子左磁极环围成的内腔空间中；
[0011]右控制绕组安装在由定子右套筒、定子磁极环C、定子磁极环D和转子右磁极环围成另一内腔空间中。
[0012]本实用新型的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，利用一个径向充磁的环形永磁体在轴向气隙中建立静态偏置磁场，轴向控制绕组产出的控制磁通与偏置磁通在轴向气隙中叠加，从而实现轴向稳定悬浮。整个磁悬浮轴承结构简单，安装方便，功耗小，成本低，在飞轮储能，涡能分子泵等各种磁悬浮系统中都有广阔的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本实用新型的永磁偏置轴向磁悬浮轴承轴向截面示意图；
[0014]图2是本实用新型的永磁偏置轴向磁悬浮轴承原理图。
[0015]图中:1、主轴，2、转子左导磁环,3、转子左磁极环,4、定子磁极环A,5、定子左套筒，6、左控制绕组,7、定子磁极环B, 8、定子导磁桥环,9、定子磁极环C, 10、定子右套筒，11、右控制绕组，12、定子磁极环D，13、转子右磁极环，14、转子右导磁环，15永磁体环。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步详细的说明:
[0017]图1是本实用新型永磁偏置轴向磁悬浮轴承轴向截面示意图，图中的转子左导磁环2、转子左磁极环3、定子磁极环A4、定子左套筒5、定子磁极环B7、定子导磁桥环8、定子磁极环C9、定子右套筒10、定子磁极环D12、转子右磁极环13和转子右导磁环14均为实心软磁材料制成，永磁体环15由稀土等永磁材料制成,主轴I由不导磁材料制成，左控制绕组6和右控制绕组11由漆包线绕制。
[0018]转子左磁极环3和转子右磁极环13的形状相同，转子左导磁环2和转子右导磁环14的形状相同，定子左套筒5和定子右套筒10的形状相同，定子磁极环A4、定子磁极环B7、定子磁极环C9和定子磁极环D12的形状亦相同。
[0019]在转子侧，套在主轴I上的永磁体环15左右两侧分别再套装转子左导磁环2和转子右导磁环14并分别与永磁体环15接触，在转子左导磁环2的左侧套装转子左磁极环3并接触，在转子右导磁环14的右侧套装转子右磁极环13并接触。
[0020]在定子侧，定子导磁桥环8的左右两侧分别安装定子左套筒5和定子右套筒10并分别与定子导磁桥环8接触，在定子左套筒5的内侧左右分别安装定子磁极环A4和定子磁极环B7并与定子左套筒5接触，且定子左套筒5、定子磁极环A4、定子磁极环B7和转子左磁极环3围成一内腔空间，在此内腔空间内放置左控制绕组6。在定子右套筒10的内侧左右分别安装定子磁极环C9和定子磁极环D12并与定子右套筒10接触，且定子右套筒10、定子磁极环C9、定子磁极环D12和转子右磁极环13亦围成另一内腔空间，在此内腔空间内放置右控制绕组11。
[0021]上述定子磁极环A4内侧与主轴I之间，定子磁极环A4右侧与转子左磁极环3左侧之间，左控制绕组6与转子左磁极环3外侧之间，定子磁极环B7内侧与转子左导磁环2外侧之间，定子磁极环B7左侧与转子左磁极环3右侧之间，定子磁极环D12内侧与与主轴I之间，定子磁极环D12左侧与转子右磁极环13右侧之间，右控制绕组11与转子右磁极环13外侧之间，定子磁极环C9内侧与转子右导磁环14外侧之间，定子磁极环C9右侧与转子右磁极环13左侧之间均存在气隙。
[0022]定子磁极环A4右侧与转子左磁极环3左侧之间，定子磁极环B7左侧与转子左磁极环3右侧之间，定子磁极环D12左侧与转子右磁极环13右侧之间，定子磁极环C9右侧与转子右磁极环13左侧之间气隙的作用主要是存储磁场能量的介质，其优选宽度为0.2?1.2mm。[0023]定子磁极环A4内侧与主轴I之间，左控制绕组6与转子左磁极环3外侧之间，定子磁极环B7内侧与转子左导磁环2外侧之间，定子磁极环D12内侧与主轴I之间，右控制绕组11与转子右磁极环13外侧之间，定子磁极环C9内侧与转子右导磁环14外侧之间的气隙的作用主要是防止各部件之间产生接触，并减小整个磁悬浮轴承的漏磁，其优选宽度为2?Smnin
[0024]图2是本实用新型的永磁偏置轴向磁悬浮轴承原理图，单箭头表示控制绕组产生的磁场，双箭头表不永磁偏置磁场。轴向充磁的永磁体环15的磁通,通过转子左导磁环2、转子左磁极环3、并分为两路，一路穿过转子左磁极环3的左侧与定子磁极环A4右侧之间的气隙、进入定子磁极环A4和定子左套筒5，另一路穿过转子左磁极环3的右侧与定子磁极环B7左侧之间的气隙、进入定子磁极环B7和定子左套筒5。两路永磁偏置磁场最终在定子导磁桥环8中汇合并流进定子右套筒10，并再次分为两路，一路进入定子磁极环C9并穿过定子磁极环C9右侧与转子右磁极环13左侧之间的气隙，另外一路进入定子磁极环D12并穿过定子磁极环D12左侧与转子右磁极环13右侧之间的气隙，并最终在转子右磁极环13汇集后，流入转子右导磁环14,最终返回永磁体环15的S极。整个永磁体环15产生的永磁磁场在转子左磁极环3的左侧与定子磁极环A4右侧之间，转子左磁极环3的右侧与定子磁极环B7左侧之间，定子磁极环C9右侧与转子右磁极环13左侧之间，定子磁极环D12左侧与转子右磁极环13右侧之间的气隙中建立偏置磁场。
[0025]左控制绕组6通入电流后，通过定子左套筒5、定子磁极环A4、转子左磁极环3、定子磁极环B7形成磁回路，在转子左磁极环3的左侧与定子磁极环A4右侧之间，转子左磁极环3的右侧与定子磁极环B左侧之间的气隙中建立控制磁场。
[0026]右控制绕组11通入电流后，通过定子右套筒10、定子磁极环C9、转子右磁极环13、定子磁极环D12形成磁回路，在定子磁极环C9右侧与转子右磁极环13左侧之间，定子磁极环D12左侧与转子右磁极环13右侧之间的气隙中建立控制磁场。
[0027]当转子左磁极环3和转子右磁极环13位于轴向中间位置，即磁轴承转子处于平衡位置时，由于结构的对称性，永磁体环15产生的磁通在定子磁极环A4右侧与转子左磁极环3左侧之间，定子磁极环B7左侧与转子左磁极环3右侧之间，定子磁极环C9右侧与转子右磁极环13左侧，定子磁极环D12左侧与转子右磁极环13右侧之间的气隙处是相等的，此时对转子左磁极环3和转子右磁极环13的所受的左右吸力均相等。
[0028]如果此时转子左磁极环3和转子右磁极环13受到一个向左的轴向外扰力，转子左磁极环3和转子右磁极环13就会偏离平衡位置向左侧轴向运动，造成永磁体环15在定子磁极环M右侧与转子左磁极环3左侧之间，定子磁极环B7左侧与转子左磁极环3右侧之间，定子磁极环C9右侧与转子右磁极环13左侧之间，定子磁极环D12左侧与转子右磁极环13右侧之间的气隙中产生的偏置磁场的磁通发生变化，即定子磁极环A4右侧与转子左磁极环3左侧之间和定子磁极环C9右侧与转子右磁极环13左侧之间的气隙减小，定子磁极环A4右侧与转子左磁极环3左侧之间和定子磁极环C9右侧与转子右磁极环13左侧之间的气隙偏置磁场的磁通量增大。定子磁极环B7左侧与转子左磁极环3右侧之间和定子磁极环D12左侧与转子右磁极环13右侧之间的气隙增加，定子磁极环B7左侧与转子左磁极环3右侧之间和定子磁极环D12左侧与转子右磁极环13右侧之间的气隙偏置磁场的磁通量减小。[0029]由于在磁极面积一定时磁场吸力与磁场磁通量的平方成正比，因此磁轴承转子组件向左的吸力大于向右的吸力，在左控制绕组6和右控制绕组11没有通入电流前，转子左磁极环3和转子右磁极环13将无法回到平衡位置。此时磁轴承控制系统中的位移传感器检测出转子左磁极环3和转子右磁极环13偏离其中心参考位置的位移量，控制器将这一位移信号变换成控制电流信号，控制左控制绕组6流经的电流，在定子磁极环A4右侧与转子左磁极环3左侧之间和定子磁极环B7左侧与转子左磁极环3右侧之间的气隙中建立起一个控制磁场，并与偏置磁场叠加，使得定子磁极环A4右侧与转子左磁极环3左侧之间气隙磁场的磁通量减小,定子磁极环B7左侧与转子左磁极环3右侧之间的气隙中磁场的磁通量增加。
[0030]同时亦在右控制绕组11中产生控制电流，在定子磁极环C9右侧与转子右磁极环13左侧之间和定子磁极环D12左侧与转子右磁极环13右侧之间的气隙中建立起一个控制磁场，并与偏置磁场叠加，使得定子磁极环C9右侧与转子右磁极环13左侧之间气隙磁场的磁通量减小，定子磁极环D12左侧与转子右磁极环13右侧之间的气隙中的磁场的磁通量增力口，最终达到动态平衡，将转子左磁极环3和转子右磁极环13拉回平衡位置。同理，若转子左磁极环3和转子右磁极环13受到向右的外扰动，带位置负反馈的永磁偏置轴向磁悬浮轴承通过控制器控制左控制绕组6和右控制绕组11中的电流，调节各气隙磁通的大小，始终能保持转子左磁极环3和转子右磁极环13在平衡位置稳定悬浮。
【权利要求】
1.永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于包括: 定子导磁桥环(8)，其左右两侧分别设置定子左套筒(5)和定子右套筒(10)，定子左套筒(5)的内侧左右分别设置定子磁极环A (4)和定子磁极环B (7)，定子右套筒(10)的内侧左右分别设置定子磁极环C (9)和定子磁极环D (12)； 套装在主轴(I)上的永磁体环(15)，其左右两侧分别设置套装在主轴(I)上的转子左导磁环(2)和转子右导磁环(14)，在转子左导磁环(2)的左侧和转子右导磁环(14)的右侧分别设置套装在主轴(I)上的转子左磁极环(3 )和转子右磁极环(13); 左控制绕组(6)安装在由定子左套筒(5)、定子磁极环A (4)、定子磁极环B (7)和转子左磁极环(3)围成的内腔空间中； 右控制绕组(11)安装在由定子右套筒(10)、定子磁极环C (9)、定子磁极环D (12)和转子右磁极环(13)围成另一内腔空间中。
2.如权利I所述的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于转子左磁极环(3)和转子右磁极环(13)的形状相同，转子左导磁环(2)和转子右导磁环(14)的形状相同，定子左套筒(5)和定子右套筒(10)的形状相同，定子磁极环A (4)、定子磁极环B (7)、定子磁极环C(9)和定子磁极环D (12)的形状相同。
3.如权利I或2所述的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，其特征在于定子磁极环A(4)内侧与主轴(I)之间，定子磁极环A (4)右侧与转子左磁极环(3 )左侧之间，左控制绕组(6 )与转子左磁极环(3)外侧之间，定子磁极环B (7)内侧与转子左导磁环(2)外侧之间，定子磁极环B (7)左侧与转子左磁极环(3)右侧之间，定子磁极环D (12)内侧与主轴(I)之间，定子磁极环D (12)左侧与转子右磁极环(13)右侧之间，右控制绕组(11)与转子右磁极环(13)外侧之间，定子磁极环C (9)内侧与转子右导磁环(14)外侧之间，定子磁极环C (9)右侧与转子右磁极环(13)左侧之间均存在气隙。
4.如权利3所述的永磁偏置轴向磁悬浮轴承,定子磁极环A(4)右侧与转子左磁极环(3)左侧之间，定子磁极环B (7)左侧与转子左磁极环(3)右侧之间，定子磁极环D (12)左侧与转子右磁极环(13 )右侧之间，定子磁极环C (9 )右侧与转子右磁极环(13)左侧之间气隙宽度为0.2?1.2mm。
5.如权利3所述的永磁偏置轴向磁悬浮轴承,定子磁极环A(4)内侧与主轴(I)之间，左控制绕组(6)与转子左磁极环(3)外侧之间，定子磁极环B (7)内侧与转子左导磁环(2)外侧之间，定子磁极环D (12)内侧与主轴(I)之间，右控制绕组(11)与转子右磁极环(13)外侧之间，定子磁极环C (9)内侧与转子右导磁环(14)外侧之间的气隙宽度为2?5mm。
【文档编号】F16C32/04GK203463494SQ201320354466
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年6月19日 优先权日:2013年6月19日
【发明者】陈小元, 陈超, 彭亦稰 申请人:丽水学院