主动式径向磁悬浮轴承及其设计方法、压缩机、空调器与流程

1.本发明属于电机制造技术领域，具体涉及一种主动式径向磁悬浮轴承及其设计方法、压缩机、空调器。


背景技术：

2.主动式磁悬浮轴承利用可控电磁力将转轴悬浮起来，为保证转子维持稳定悬浮且具有较高运行精度，磁悬浮轴承需要提供足够大的承载力及支承刚度。
3.常见的主动式磁悬浮径向轴承包括定子铁芯100、定子绕组200、转子铁芯300、转轴400，定转子之间存在气隙500，如图4(图中以n＝4为例)，定子铁芯100包括轭部101、2n个宽度相等的齿部102和2n个线圈腔103，n一般取3以上的整数，2n个齿部102上会安装有2n个定子绕组200。将2n个齿部102及定子绕组200分为n组，当其中一组绕组通入控制电流，将产生如图4所示磁路(图中以n＝4为例)，其中磁路主要沿着主磁路(6a)，但也会存在漏磁磁路(6b)，图x所示漏磁磁路(6b)仅为部分示例。一般情况下，认为磁路只沿主磁路(6a)方向，即经过相邻定子的齿部102、相邻气隙500及其之间的定子轭部101和转子铁芯300部分，因此为保证磁路均匀，径向磁悬浮轴承定子的极柱/齿部102与同组相邻齿部之间的轭部101宽度设计为相等。但实际由于漏磁磁路(6b)的存在，经过定子齿部的磁力线会有少部分未从相邻齿部间的轭部经过，导致定子齿部102的磁饱和强度会略高于轭部101，当齿部材料达到最佳利用率时，轭部材料未达到最佳利用率，因此并未达到该尺寸下轴承的最优电磁方案。


技术实现要素：

4.因此，本发明提供一种主动式径向磁悬浮轴承及其设计方法、压缩机、空调器，能够克服相关技术中在主动式径向磁悬浮轴承的铁芯齿轭等宽设计中，未考虑轴承定子铁芯的漏磁磁路的影响导致铁芯齿部的材料达到较佳利用率时，铁芯轭部材料未达到较佳利用率的不足。
5.为了解决上述问题，本发明提供一种主动式径向磁悬浮轴承，包括定子铁芯，所述定子铁芯包括呈环形的铁芯轭部以及处于所述铁芯轭部的内周侧上的多个铁芯齿部，其中，多个所述铁芯齿部的周向宽度皆为x，所述铁芯轭部的径向宽度为y，x/y＞1。
6.优选地，x/y≤1.8。
7.优选地，1.05≤x/y≤1.3。
8.优选地，x<πd/(2n)
‑
2g，其中d为所述定子铁芯的内圆孔径，g为所述定子铁芯与转子铁芯之间形成的定转子气隙径向厚度，2n为所述铁芯齿部的个数。
9.优选地，0.3<2nx/πd<0.85。
10.优选地，所述主动式径向磁悬浮轴承还包括转子铁芯，其套装于转轴上，所述转子铁芯的径向厚度为z，z/y＞0.5。
11.本发明还提供一种主动式径向磁悬浮轴承的设计方法，包括如下步骤：
12.获取所述主动式径向磁悬浮轴承的定子铁芯的外圆直径及轴向厚度；
13.基于所述外圆直径及轴向厚度在保持所述定子铁芯具有的铁芯齿部的周向宽度x与所述定子铁芯具有的铁芯轭部的径向宽度y相等的前提下对所述主动式径向磁悬浮轴承的定子磁路面积及线圈腔面积进行优化，得到第一定子磁路面积优化值及线圈腔面积优化值；
14.基于所述第一定子磁路面积优化值及线圈腔面积优化值确定定子绕组的工艺参数；
15.保持所述定子绕组的工艺参数及所述线圈腔面积优化值不变，增大所述定子铁芯具有的铁芯齿部的周向宽度x并降低所述定子铁芯具有的铁芯轭部的径向宽度y；
16.根据获得的x及y，绘制关联曲线图，所述关联曲线图体现了轴承承载力和/或轴承支撑刚度与不同的x/y的关系；
17.获取所述关联曲线图中轴承承载力和/或轴承支撑刚度中最大值所对应的x/y作为设计最优值。
18.优选地，所述工艺参数包括所述定子绕组的匝数、线径、通入电流及对应电流密度、槽满率中的任意一个。
19.本发明还提供一种压缩机，包括上述的主动式径向磁悬浮轴承。
20.本发明还提供一种空调器，包括上述的压缩机。
21.本发明提供的一种主动式径向磁悬浮轴承及其设计方法、压缩机、空调器，所述铁芯齿部的周向宽度x设计为大于所述铁芯轭部的径向宽度y，从而能够使所述铁芯齿部的材料达到较佳利用率时，铁芯轭部的材料也能够达到较佳利用率，从而能够在所述主动式径向磁悬浮轴承的体积一定时磁悬浮轴承承载力或者支承刚度更优，能够避免为了提高磁悬浮轴承承载力或者支承刚度而增大轴承的设计尺寸导致整体体积增大、成本提高的不足。
附图说明
22.图1为本发明实施例的主动式径向磁悬浮轴承的径向断面的结构示意图(略去外壳等部分部件)；
23.图2为图1中的主动式径向磁悬浮轴承(x＞y)与现有技术中的主动式径向磁悬浮轴承(x＝y)中控制电流i与轴承承载力f的关系曲线；
24.图3为图1中的主动式径向磁悬浮轴承在设计过程中不同的x/y与轴承承载力的关系曲线；
25.图4为现有技术中的主动式径向磁悬浮轴承(x＝y)内磁力线的路径示意(图中6a为定子绕组产生的主磁路，6b为定子绕组产生的漏磁磁路)；
26.图5为现有技术中的同极混合式径向磁悬浮轴承的径向断面的结构示意图(略去外壳等部分部件)；
27.图6为图5中a
‑
a的剖视图(图中8a为定子绕组产生的控制磁路，8b为磁环产生的偏置磁路)。
28.附图标记表示为：
29.1、定子铁芯；11、铁芯轭部；12、铁芯齿部；2、转子铁芯；3、转轴；4、定子绕组；100、定子铁芯；101、轭部；102、齿部；200、定子绕组；300、转子铁芯；400、转轴；500、气隙；601、定
子铁芯i；602、磁环；603、定子铁芯ii；604、转子铁芯；605、转轴；606、定子绕组；607、齿部；608、轭部；609、线圈腔；610、气隙。
具体实施方式
30.结合参见图1至图6所示，根据本发明的实施例，提供一种主动式径向磁悬浮轴承，包括定子铁芯1，所述定子铁芯包括呈环形的铁芯轭部11以及处于所述铁芯轭部11的内周侧上的多个铁芯齿部12，其中，多个所述铁芯齿部12的周向宽度皆为x，所述铁芯轭部11的径向宽度为y，x/y＞1。该技术方案中，基于现有技术中的主动式径向磁悬浮轴承的定子绕组4所产生的主磁路6a及漏磁磁路6b的现象克服业内传统的主动式径向磁悬浮轴承的定子铁芯1的铁芯轭部11的径向宽度y需与铁芯齿部12的周向宽度x保持一致的技术偏见，创造性地将所述铁芯齿部12的周向宽度x设计为大于所述铁芯轭部11的径向宽度y，从而能够使所述铁芯齿部12的材料达到较佳利用率时，铁芯轭部11的材料也能够达到较佳利用率，从而能够在所述主动式径向磁悬浮轴承的体积一定(也即外圆直径以及轴向厚度尺寸保持不变)时磁悬浮轴承承载力或者支承刚度更优，能够避免为了提高磁悬浮轴承承载力或者支承刚度而增大轴承的设计尺寸导致整体体积增大、成本提高的不足。如图2所示出，当x/y＞时，在所述定子绕组4中通入相同大小的电流(i)时，对应的轴承具有的轴承承载力皆高于x＝y时对应的轴承承载力水平，具体例如，当i＝4a时，m1曲线对应的x/y所具有的轴承承载力约为2262n，而m2曲线对应的x/y所具有的轴承承载力则约为2063n，也即不等磁路面积结构(也即x＞y的设计)后轴承承载力提高了近10％。
31.需要说明的是，同极混合式径向磁悬浮轴轴承作为磁悬浮轴承中的另一种常见类型，其与本发明的实施例相类似的，如图5及6所示出，其具体包括定子铁芯i601、磁环602、定子铁芯ii603、定子绕组606、转子铁芯604、转轴605，定转子之间存在气隙610，所述定子铁芯601包括轭部608、2n个宽度相等的齿部607和2n个线圈腔609，n一般取2以上的整数，2n个齿部607上会安装有2n个定子绕组606。将处于对角的绕组通入控制电流，将产生如图6所示的偏置磁路(8b)和控制磁路(8a)，对角方向的气隙610处偏置磁路(8b)和控制磁路(8a)分别为叠加或抵消，从而产生向磁路叠加方向的悬浮力。可以发现，轭部608仅通过控制磁路(8a)，而齿部607需同时通过控制磁路(8a)和偏置磁路(8b)，因此，根据其磁路分布原理，为避免磁感应强度分布不均，齿部607宽度会明显大于轭部608宽度。由于轴承出力原理不同导致了同极式混合式径向磁悬浮轴承定子铁芯的齿轭部宽度不等，也即针对现有技术中同极混合式径向磁悬浮轴承而言，由于其齿轭宽度存在与本发明中的铁芯齿轭宽度不等的设计，但是由于混合式径向磁轴承的齿部及轭部中的磁路与本发明中的铁芯齿部12、铁芯轭部11中的磁路不同，导致本领域技术人员并不具备将所述混合式径向磁悬浮轴承的宽度不等的齿轭设计应用到本发明中的齿轭设计中的动机。
32.进一步的，为了使设计的所述主动式径向磁悬浮轴承的轴承承载力和/或轴承支撑刚度处于一个更佳的水平，优选地，x/y≤1.8。进一步地，结合图3，当需要轴承具有较高的承载力(或者说使轴承的承载力能够最优)时，此时更优选的，1.05≤x/y≤1.3。
33.由于磁路会沿磁阻最小的路径分布，为避免(削弱)磁路在相邻齿间直接漏磁，而非沿相邻铁芯齿部12及其之间的铁芯轭部11、转子2及铁芯齿部12对应的气隙分布，要求相邻齿间的距离要大于气隙长度之和，也即x<πd/(2n)
‑
2g，其中d为所述定子铁芯1的内圆孔
径，g为所述定子铁芯1与转子铁芯2之间形成的定转子气隙径向厚度，2n为所述铁芯齿部12的个数。
34.进一步地，线圈腔面积(也即相邻的两个所述铁芯齿部12之间的槽体面积)直接决定了轴承励磁电流的大小，磁极面积过大时会导致线圈腔面积较小，在电流密度及槽满率的限制下，其励磁电流过小，不利于轴承承载设计，因此应保证0.3<2nx/πd<0.85，以保证所述铁芯齿部12的周向宽度处于一个合适的范围内。
35.优选地，所述主动式径向磁悬浮轴承还包括转子铁芯2，其套装于转轴3上，当所述转轴3为不导磁材料或弱导磁材料时，为避免所述转子铁芯2发生饱和，所述转子铁芯2宽度z不宜过小，优选地，所述转子铁芯2的径向厚度为z，z/y＞0.5。
36.根据本发明的实施例，还提供一种主动式径向磁悬浮轴承的设计方法，包括如下步骤：
37.获取所述主动式径向磁悬浮轴承的定子铁芯1的外圆直径及轴向厚度；
38.基于所述外圆直径及轴向厚度在保持所述定子铁芯1具有的铁芯齿部12的周向宽度x与所述定子铁芯1具有的铁芯轭部11的径向宽度y相等的前提下对所述主动式径向磁悬浮轴承的定子磁路面积及线圈腔面积进行优化，得到第一定子磁路面积优化值及线圈腔面积优化值；
39.基于所述第一定子磁路面积优化值及线圈腔面积优化值确定定子绕组4的工艺参数；
40.保持所述定子绕组4的工艺参数及所述线圈腔面积优化值不变，增大所述定子铁芯1具有的铁芯齿部12的周向宽度x并降低所述定子铁芯1具有的铁芯轭部11的径向宽度y；
41.根据获得的x及y，绘制关联曲线图，所述关联曲线图体现了轴承承载力和/或轴承支撑刚度与不同的x/y的关系；
42.获取所述关联曲线图中轴承承载力和/或轴承支撑刚度中最大值所对应的x/y作为设计最优值，也即此时由于x与y的变化将进一步将所述第一定子磁路面积优化值优化为最终的第二定子磁路面积优化值。
43.该技术方案中，在传统的定子铁芯的等磁路面积(也即齿轭等宽)设计的基础上，对磁悬浮的各项工艺参数进行优化后，基于优化后的轴承进一步通过不等磁路面积(也即齿轭不等宽)的优化调整，并结合相应的轴承承载力或者轴承支承刚度与x/y之间的关系曲线获取设计最优值，从而能够使所述铁芯齿部12的材料达到较佳利用率时，铁芯轭部11的材料也能够达到较佳利用率，从而能够在所述主动式径向磁悬浮轴承的体积一定(也即外圆直径以及轴向厚度尺寸保持不变)时磁悬浮轴承承载力或者支承刚度更优，能够避免为了提高磁悬浮轴承承载力或者支承刚度而增大轴承的设计尺寸导致整体体积增大、成本提高的不足。
44.所述工艺参数包括所述定子绕组4的匝数、线径、通入电流及对应电流密度、槽满率中的任意一个。
45.根据本发明的实施例，还提供一种压缩机，包括上述的主动式径向磁悬浮轴承。
46.根据本发明的实施例，还提供一种空调器，包括上述的压缩机。
47.本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
48.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。