永磁偏置轴向磁悬浮轴承及离心压缩机的制作方法

本发明涉及磁悬浮轴承技术领域，特别是涉及一种永磁偏置轴向磁悬浮轴承及采用该轴承的离心压缩机。

背景技术：

混合型磁悬浮轴承采用永磁材料产生偏置磁场，能够有效降低功率损耗，是磁悬浮轴承技术发展的一个重要方向。

目前的混合型轴向磁悬浮轴承一般包括主轴、转子导磁铁芯、定子导磁铁芯、环形永磁体、右轴向磁极、控制绕组、左轴向磁极和推力盘，其利用轴向充磁的环形永磁体在左轴向间隙和右轴向间隙中建立偏置磁场，控制绕组产生的控制磁通与偏置磁场的磁通在左轴向间隙和右轴向间隙中叠加，从而实现轴向悬浮。当混合型磁悬浮轴承应用于轴向存在某一方向外力的场合，如离心压缩机时，离心压缩机的气动部分会对主轴产生一个轴向的拉力，从而增加了轴承的轴向控制难度。

技术实现要素：

本发明提供一种永磁偏置轴向磁悬浮轴承及离心压缩机，有效降低了运行过程中的轴向控制难度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种永磁偏置轴向磁悬浮轴承，包括

右轴向磁极；

左轴向磁极，所述左轴向磁极与所述右轴向磁极相连接；

定子导磁铁芯，所述定子导磁铁芯设置在所述右轴向磁极的右侧或所述左轴向磁极的左侧；

主轴，所述主轴设置在所述左轴向磁极、所述右轴向磁极与所述定子导磁铁芯所形成的轴向开孔中；

推力盘，所述推力盘套装在所述主轴上，所述推力盘与所述定子导磁铁芯之间设置有第一轴向间隙；以及

永磁体，所述永磁体设置在所述定子导磁铁芯与所述右轴向磁极之间或所述定子导磁铁芯与所述左轴向磁极之间。

在其中一个实施例中，所述第一轴向间隙为0.1mm～1mm。

在其中一个实施例中，所述推力盘与所述左轴向磁极之间设置有第二轴向间隙，所述推力盘与所述右轴向磁极之间设置有第三轴向间隙。

在其中一个实施例中，所述第二轴向间隙为0.1mm～1mm，所述第三轴向间隙为0.1mm～1mm。

在其中一个实施例中，所述主轴与所述定子导磁铁芯之间互不接触。

在其中一个实施例中，所述定子导磁铁芯包括相互连接的轴向部和径向部；所述径向部与所述永磁体相接触，所述轴向部与所述主轴平行。

在其中一个实施例中，所述轴向部在所述主轴上的垂直投影的面积为0。

在其中一个实施例中，所述轴向部在所述主轴上的垂直投影的面积大于0，且所述轴向部与所述主轴之间设置有第一径向间隙。

在其中一个实施例中，所述第一径向间隙大于等于5mm。

在其中一个实施例中，所述轴向部与所述右轴向磁极之间设置有第二径向间隙。

在其中一个实施例中，所述第二径向间隙大于等于5mm。

在其中一个实施例中，所述永磁偏置轴向磁悬浮轴承还包括控制绕组；

所述控制绕组设置在所述左轴向磁极、所述右轴向磁极和所述推力盘所围设的内空间中，且所述控制绕组与所述左轴向磁极、所述右轴向磁极和所述推力盘均不接触。

一种离心压缩机，采用所述的永磁偏置轴向磁悬浮轴承。

本发明的有益效果如下：

本发明的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，包括右轴向磁极、左轴向磁极、主轴、推力盘、定子导磁铁芯和永磁体，永磁体的磁通通过右轴向磁极、左轴向磁极、推力盘和定子导磁铁芯形成回路，从而构建偏置磁场。在定子导磁铁芯和推力 盘之间增设了一个轴向间隙，在永磁体的磁通下，该轴向间隙可以提供恒定存在的拉力，从而平衡了轴向方向的外力，降低了轴承的轴向控制难度。此外，本发明中去除了转子导磁铁芯，进而减少了装配工序，简化了本发明轴承的结构。本发明的离心压缩机采用上述的永磁偏置轴向磁悬浮轴承，具有较高的工作效率和较长的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的永磁偏置轴向磁悬浮轴承一实施例的剖视图；

图2为图1所示的永磁偏置轴向磁悬浮轴承的工作原理图；

图3为本发明的永磁偏置轴向磁悬浮轴承另一实施例的剖视图。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明中，所述的外端是指远离主轴500的一端，内端是指靠近主轴500的一端；“左”、“右”等方位词均是以图1至图3的摆放位置为参照；轴向是指与主轴500平行或重合的方向，径向是指与主轴500垂直的方向。

参见图1至图3，本发明提供了一种永磁偏置轴向磁悬浮轴承(以下简称轴承)，其包括左轴向磁极300、右轴向磁极100、主轴500、推力盘600、定子导磁铁芯200和永磁体700。其中，主轴500、定子导磁铁芯200、推力盘600、左轴向磁极300和右轴向磁极100均可由实心软磁材料制成；永磁体700可由稀土永磁材料制成，且永磁体700可为环形结构，也可为非环形结构。

其中，定子导磁铁芯200设置在右轴向磁极100的右侧；左轴向磁极300的右外端面310和右轴向磁极100的左外端面110相连接；主轴500设置在左轴向磁极300、右轴向磁极100和定子导磁铁芯200所形成的轴向开孔400中；推力盘600套装在主轴500上，且推力盘600与定子导磁铁芯200之间设置有第一轴向间隙630；永磁体700设置在右轴向磁极100和定子导磁铁芯200之间，永磁体700的磁通通过右轴向磁极100、左轴向磁极300、推力盘600和定子导 磁铁芯200形成回路。本发明的轴承中，推力盘600与左轴向磁极300之间还设置有第二轴向间隙610，推力盘600与右轴向磁极100之间还设置有第三轴向间隙620。

需要说明的是，在其他实施例中，定子导磁铁芯200也可以设置在左轴向磁极300的左侧，此时，永磁体700设置在定子导磁铁芯200与左轴向磁极300之间。

此外，本发明的轴承还包括控制绕组800，其中，控制绕组800设置在左轴向磁极300、右轴向磁极100和推力盘600所围设的内空间900中。一般地，控制绕组800由漆包线绕制而成。作为优选，控制绕组800与左轴向磁极300、右轴向磁极100和推力盘600均不接触。该方式有效防止了控制绕组800的漆包线破损后与其他组件相接触造成的短路等现象的发生，提高了轴承的安全性和可靠性。其中，控制绕组800可为多套，为了控制方便，优选为一套。

参见图2，本发明的轴承的工作原理为：永磁体700的磁通(偏置磁通)通过右轴向磁极100、左轴向磁极300、推力盘600和定子导磁铁芯200形成回路，并在第一轴向间隙630、第二轴向间隙610和第三轴向间隙620中建立静态偏置磁场；控制绕组800通电后，控制绕组800的磁通(控制磁通)通过左轴向磁极300、右轴向磁极100和推力盘600形成回路，并在第二轴向间隙610和第三轴向间隙620中建立控制磁场。

当轴承未工作时，由于结构的不对称性，永磁体700产生的偏置磁通在第二轴向间隙610中的磁通小于在第一轴向间隙630和第三轴向间隙620处的总磁通，此时，推力盘600左侧受到的吸力小于右侧受到的吸力，推力盘600会受到一个向右的轴向磁拉力，因此，推力盘600向右偏移，与右轴向磁极100的左内端面吸合；当应用该轴承的设备(如离心机)工作时，推力盘600还会受到一个向左的轴向外力(与上述的轴向磁拉力方向相反)，在控制绕组800的控制下，使得该轴向外力与上述的轴向磁拉力始终保持动态平衡，从而使推力盘600处于平衡位置。

如果推力盘600受到一个向左的轴向扰动外力，推力盘600就会偏离平衡位置向左侧轴向运动，导致偏置磁场在第一轴向间隙630、第二轴向间隙610和 第三轴向间隙620中的磁通量发生变化，即第二轴向间隙610减小，第二轴向间隙610中的偏置磁通量增加，第一轴向间隙630和第三轴向间隙620增大，第一轴向间隙630和第三轴向间隙620中的偏置磁通量减小；由于磁极面积一定时，磁场吸力与磁场磁通量的平方成正比，因此造成向左的吸力增加，向右的吸力减小，导致向右的磁拉力减小，从而推力盘600将无法回到平衡位置；此时，位移传感器检测出推力盘600的偏离平衡位置的位移量，控制器将这一位移信号转换成控制电流，通入该控制电流的控制绕组800在第二轴向间隙610和第三轴向间隙620中建立控制磁场，第二轴向间隙610和第三轴向间隙620中的控制磁场与偏置磁场叠加，使得第二轴向间隙610中的偏置磁通量减小，第三轴向间隙620中的偏置磁通量增大，则向左的吸力减小，向右的吸力增加，从而向右的合成磁拉力增加，将推力盘600拉回平衡位置。同理，若推力盘600受到向右的轴向扰动，带位置负反馈的轴承通过控制器控制控制绕组800的控制电流，调节各间隙中的磁通大小，始终能够保持推力盘600在平衡位置。

本发明在定子导磁铁芯200和推力盘600之间增设了第一轴向间隙630，在永磁体700的磁通下，第一轴向间隙630可以提供恒定存在的拉力，从而平衡了轴向方向的外力，降低了轴承的轴向控制难度。

此外，在传统的轴向磁悬浮轴承中，由于定子导磁铁芯与转子导磁铁芯不可避免的存在径向磁拉力，从而对磁悬浮轴承产生径向干扰，增加控制难度。本发明的轴承去除了转子导磁铁芯，从而避免了转子导磁铁芯所产生的径向干扰，降低了径向控制难度，并减少了装配工序，简化了轴承的结构，减轻了轴承的重量，有利于生产效率的提高和生产成本的降低。

本发明的轴承中，第一轴向间隙630的大小根据轴承的具体结构以及轴承受到的轴向外力而定，优选为0.1mm～1mm。较佳地，第二轴向间隙610与所述第三轴向间隙620大小相等，该方式能够使第二轴向间隙610和第三轴向间隙620中的偏置磁通相等，从而保证推力盘600左右受力平衡，从而降低了轴承的轴向控制难度。作为优选，第二轴向间隙610和第三轴向间隙620的间隙大小均为0.1mm～1mm。

需要说明的是，上述第一轴向间隙630、第二轴向间隙610和第三轴向间隙 620的具体数值均是指轴承正常工作，各部件位于平衡位置时测得的间隙大小。

参见图1至图3，定子导磁铁芯200包括相互连接的轴向部220和径向部210，其中，径向部210与永磁体700相接触，轴向部220与主轴500平行。该方式保证了定子导磁铁芯200能够与右轴向磁极100、左轴向磁极300和推力盘600相互配合实现磁通回路，减少了漏磁量。

较佳地，作为一种可实施方式，主轴500与定子导磁铁芯200之间互不接触。该方式有效降低了定子导磁铁芯200对主轴500的径向磁拉力，从而降低了定子导磁铁芯200对轴承的径向干扰，进一步降低了轴承的径向控制难度。其中，定子导磁铁芯200与主轴500互不接触包括以下两种实现方式：

方式一：如图1所示，轴向部220在主轴500上的垂直投影的面积为0，即轴向部220局部穿过轴向开孔400。该方式中，由于轴向部220在轴向方向上的垂直投影与主轴500不存在交集，因而，定子导磁铁芯200不会对主轴500产生径向磁拉力，从而避免了定子导磁铁芯200对主轴500产生的径向干扰，降低了轴承的径向控制难度。

方式二：如图3所示，轴向部220在主轴500上的垂直投影的面积大于0，并且，轴向部220的内端面228与主轴500之间设置有第一径向间隙224。该方式中，由于第一径向间隙224的存在，大大降低定子导磁铁芯200对主轴500产生的径向干扰，且较长的主轴500便于轴承与其他设备的装配。作为优选，主轴500为不导磁材料制成，更优地，第一径向间隙224大于等于5mm，不导磁材料和较大的径向间隙进一步降低了定子导磁铁芯200对主轴500产生的径向干扰。

继续参见图1至图3，轴向部220的外端面226与右轴向磁极100之间设置有第二径向间隙222。该方式防止了定子导磁铁芯200的轴向部220与右轴向磁极100的直接接触，避免了永磁体700的短路。较优地，第二径向间隙222大于等于5mm。较大间隙的设置进一步避免了永磁体700的短路，同时降低了定子导磁铁芯200与右轴向磁极100之间的相互干扰。

此外，本发明还提供了一种离心压缩机，采用上述的永磁偏置轴向磁悬浮轴承。该离心压缩机通过第一轴向间隙630的设置，有效平衡了轴向外力，便 于轴承的轴向控制，且本发明的离心压缩机不包括转子导磁铁芯，从而降低了轴承的径向控制难度，从而提高了离心压缩机的工作效率和使用寿命；同时，由于转子导磁铁芯的去除，从而减少了离心压缩机的装配工序，简化了离心压缩机的结构，减轻了离心压缩机的重量，有利于离心压缩机生产效率的提高和生产成本的降低。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。