一种低功耗大承载力的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承论文和设计-牛凯

全文摘要

本实用新型涉及一种低功耗大承载力的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承，旨在提供一种藕合程度小，承载力大，损耗低，力‑电流曲线线性度好的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承。由定子铁芯、转子铁芯、转轴、切向永磁体、径向永磁体和励磁线圈组成，转轴、转子铁芯、定子铁芯由内向外依次分布，定子铁芯与转子铁芯之间设置有空气隙；定子铁芯的六个定子齿组成六个定子磁极沿圆周均匀分布，每个定子磁极均绕制有励磁线圈，定子磁极相间构成定子槽；每个定子槽的槽口处均嵌设有切向充磁的切向永磁体；每个定子磁极的中部均还设置有径向充磁的径向永磁体，并在径向永磁体两侧设置漏磁气隙，漏磁气隙与定子槽之间形成漏磁桥。

主设计要求

1.一种低功耗大承载力的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承，其特征在于，由定子铁芯、转子铁芯、转轴、切向永磁体、径向永磁体和励磁线圈组成，转轴、转子铁芯、定子铁芯由内向外依次分布，定子铁芯与转子铁芯之间设置有空气隙；定子铁芯的六个定子齿组成六个定子磁极沿圆周均匀分布，每个定子磁极均绕制有励磁线圈，定子磁极相间构成定子槽；每个定子槽的槽口处均嵌设有切向充磁的切向永磁体；每个定子磁极的中部均还设置有径向充磁的径向永磁体，并在径向永磁体两侧设置漏磁气隙，漏磁气隙与定子槽之间形成漏磁桥。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种低功耗大承载力的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述切向永磁体的截面形状为矩形，每相邻两个切向永磁体的极性相反。

3.根据权利要求1或2所述的一种低功耗大承载力的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述径向永磁体的截面形状可以为矩形也可以为弧形，并且每相邻两个径向永磁体的极性相反。

4.根据权利要求3所述的一种低功耗大承载力的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述径向永磁体与相邻切向永磁体“面对面”的极性相同。

5.根据权利要求1所述的一种低功耗大承载力的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述径向永磁体的最小宽度为零。

6.根据权利要求1所述的一种低功耗大承载力的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述励磁线圈组成三相对称绕组。

7.根据权利要求1所述的一种低功耗大承载力的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子铁芯，转子铁芯由高导磁率软磁材料沿轴向叠压制成，高导磁率软磁材料包括但不限于硅钢片、1J22以及1J50。

8.根据权利要求7所述的一种低功耗大承载力的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子铁芯的轴端两侧分别设置有非导磁端板，通过铆钉与定子铁芯铆接在一起，并采用环氧树脂填充间隙的方式固化为一体。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种非接触磁轴承，特别涉及一种低功耗大承载力的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承。

背景技术

磁悬浮轴承凭借其无接触、不需要润滑和密封、振动小、使用寿命长、维护费用低等特点，在具有超高速，高刚度，低摩擦功耗，无磨损，长寿命等要求的领域得到了越来越广泛的应用。三相磁悬浮轴承作为一种永磁偏置式磁悬浮轴承，不仅具有损耗小、成本低的特点，而且其绕组排列与三相交流电机相似，能够和通用的三相六桥臂变频器共用硬件结构，控制简单，应用成本低。目前，应用较多的三相磁悬浮轴承结构如图1所示，电磁磁路不穿过永磁体，磁动势损失小，体积小、功耗低，但是由于电磁磁路和永磁磁路在定子铁芯的轭部和齿部相互耦合，加重了定子铁芯轭部和齿部的饱和现象，限制了峰值承载能力；并且该结构同一时刻只有一半数目的磁极在工作，另一半磁极只在转子偏心时产生较少的承载力，极大地降低了轴承的承载力密度；另外，该轴承结构还是一个非对称结构，容易造成力-电流曲线的线性度不佳。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种藕合程度小，承载力大，损耗低，力-电流曲线线性度好的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承。

为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种低功耗大承载力的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承，由定子铁芯、转子铁芯、转轴、切向永磁体、径向永磁体和励磁线圈组成，转轴、转子铁芯、定子铁芯由内向外依次分布，定子铁芯与转子铁芯之间设置有空气隙；定子铁芯的六个定子齿组成六个定子磁极沿圆周均匀分布，每个定子磁极均绕制有励磁线圈，定子磁极相间构成定子槽；每个定子槽的槽口处均嵌设有切向充磁的切向永磁体；每个定子磁极的中部均还设置有径向充磁的径向永磁体，并在径向永磁体两侧设置漏磁气隙，漏磁气隙与定子槽之间形成漏磁桥。

上述一种低功耗大承载力的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承，所述切向永磁体的截面形状为矩形，每相邻两个切向永磁体的极性相反。

上述一种低功耗大承载力的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承，所述径向永磁体的截面形状可以为矩形也可以为弧形，并且每相邻两个径向永磁体的极性相反。

上述一种低功耗大承载力的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承，所述径向永磁体与相邻切向永磁体“面对面”的极性相同。

上述一种低功耗大承载力的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承，所述径向永磁体的最小宽度为零。

上述一种低功耗大承载力的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承，所述励磁线圈组成三相对称绕组。

上述一种低功耗大承载力的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承，所述定子铁芯，转子铁芯由高导磁率软磁材料沿轴向叠压制成，高导磁率软磁材料包括但不限于硅钢片、1J22以及1J50。

上述一种低功耗大承载力的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承，所述定子铁芯的轴端两侧分别设置有非导磁端板，通过铆钉与定子铁芯铆接在一起，并采用环氧树脂填充间隙的方式固化为一体。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1、六个磁极的场强在同一时刻同时发生强弱变化而产生承载力，承载力大；

2、采用定子槽口切向充磁永磁体和定子齿上径向充磁永磁体的组合方式，切向永磁体的主磁路不经过定子齿上部和定子轭部，并且切向永磁体的漏磁路和径向永磁体的主磁路在轭部方向相反，能够相互抵消一部分或全部，降低了永磁磁路和电磁磁路在轭部的藕合程度和饱和程度，有效提高了峰值承载能力；

3、电磁磁路不经过径向永磁体，而是通过磁阻更小的漏磁气隙，大大降低了线圈的磁动势损失，减小了线圈的励磁功耗；

4、采用完全对称结构，并且能够实现永磁磁路和电磁磁路的部分解耦，极大地改善了力-电流曲线的线性度和圆周方向力的一致性。

附图说明

图1是现有技术方案结构示意图。

图2是本实用新型的永磁通路结构示意图。

图3是本实用新型的电磁通路结构示意图。

图4是本实用新型的定子磁极结构示意图。

图5是本实用新型的轴向联接结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。

结合图2至图4所示，本实用新型的一种低功耗大承载力的三相永磁偏置径向磁悬浮轴承，由定子铁芯1、转子铁芯2、转轴3、切向永磁体4、径向永磁体5和励磁线圈6组成。

转轴3为导磁轴，过盈连接于转子铁芯2的内部，转子铁芯2由高导磁率的软磁材料沿轴线方向叠压成型。定子铁芯1设置于转子铁芯2的外部，并且定子铁芯1与转子铁芯2之间设置有空气隙7。

定子铁芯1的六个定子齿组成六个定子磁极A1、C1、B1、A2、C2、B2沿圆周均匀分布，定子磁极A1、C1、B1、A2、C2、B2AH上分别绕制有励磁线圈6，按照ACBACB或者ABCABC的相序组成三相对称绕组，相位互差120电角度。定子磁极A1、C1、B1、A2、C2、B2相间构成定子槽，可容置励磁线圈6；每个定子槽的槽口处均嵌设有一块矩形的切向永磁体4，用于提供磁悬浮轴承的主要承载力，切向永磁体4的材料为高性能稀土永磁材料，其充磁方向沿定子铁芯1的内圆切线方向，并且每相邻两个切向永磁体4的极性相反。定子磁极A1、C1、B1、A2、C2、B2的中部分别设置有径向永磁体5，径向永磁体5的充磁方式为平行充磁，充磁方向为定子磁极5的中心线方向，即定子铁芯1的直径方向，并且每相邻两个径向永磁体5的极性相反；同时，径向永磁体5与相邻切向永磁体4“面对面”的极性相同，一方面可以补偿切向永磁体4的漏磁，辅助输出承载力，另一方面可以抵消轭部和齿上部中切向永磁体4的漏磁通，减小饱和，提高承载力。每个径向永磁体5的两侧留有一定宽度的漏磁气隙11，一方面可以减小切向永磁体4和径向永磁体5的漏磁，另一方面可以为电磁磁路提供通路，避免电磁磁路穿过切向永磁体4和径向永磁体5，造成大的磁动势损失。漏磁气隙11和定子槽之间留有漏磁桥12，用以连接定子铁芯1的轭部和齿部。

定子铁芯1采用高导磁率的软磁材料如硅钢片、1J22、1J50等沿轴线方向叠压成型，为提高其牢固程度，可以通过焊接外圆的形式或铆扣形式进行固定连接，本实施例采用的是铆扣方式，具体是在每个定子齿上留有两个铆钉孔9，如图3所示，并在定子铁芯1的轴端两侧设置非导磁端板10，如图5所示，通过铆钉将非导磁端板10与定子铁芯1连接在一起，借助铆钉压力将定子铁芯1压紧，然后对定子铁芯1整体注入环氧树脂，将内部间隙完全充满，固结成一体，并对其内外圆尺寸公差和同轴度进行处理。

工作时，切向永磁体4和径向永磁体5共同提供永磁磁场，是轴承承载力的主要来源，其中切向永磁体4为主磁场，径向永磁体5为辅助磁场，补偿切向永磁体4的漏磁；六个励磁线圈按照ACBACB排列成三相对称绕组，发挥调节作用，根据转子铁芯2的动态位置实时减弱或增强每个定子磁极的场强，保证转子铁芯2的位置稳定。

本实用新型的永磁磁路路径如图2所示，由三条永磁磁路组成，其中，永磁磁路I从定子磁极A1右侧切向永磁体402出发，依次经过定子磁极A1齿下部、空气隙7、转子铁芯2、空气隙7，定子磁极C1，然后回到定子磁极A1右侧切向永磁体402；永磁磁路II与永磁磁路I关于定子磁极A1的中线对称，依次经过切向永磁体401、定子磁极A1齿下部、空气隙7、转子铁芯2、空气隙7，定子磁极B2，然后回到切向永磁体401；永磁磁路III从径向永磁体501出发，经定子磁极A1齿上部，到达轭部后分为两个支路，分别经定子磁极C1和定子磁极B2、径向永磁体503和径向永磁体502、空气隙7、转子铁芯2、空气隙7，最后回到径向永磁体501。与此同时，切向永磁体401、402和径向永磁体501存在各自的漏磁通路IV，V，VI，漏磁通路IV和V分别由切向永磁体401和402激发，绕行一个定子槽后回到切向永磁体401和402，漏磁通路VI由径向永磁体501激发，发生在齿部内部。如上所述，切向永磁体4的主磁路不经过定子磁极上部和轭部，而且切向永磁体4的漏磁通路和径向永磁体5的主磁路方向相反，可相互抵消，因此定子铁芯1的轭部和定子磁极上部的磁密可大幅度降低，大大降低了这些部位的饱和程度，提高了最大承载能力。

本实用新型的电磁磁路如图3所示，从定子磁极A1出发，经过径向永磁体501两侧狭长的漏磁气隙11，在定子磁极A1的齿上部分离为两个支路，分别逆时针和顺时针经过轭部，到达定子磁极C1和定子磁极B2，并分别穿过两个定子磁极的漏磁气隙11后，再依次经空气隙7、转子铁芯2、空气隙7，最后回到定子磁极A1形成闭合回路。因为径向永磁体5的磁阻很大，电磁磁路没有穿过径向永磁体5，而是经过狭长的漏磁气隙11，所以励磁线圈6的磁动势损失较小，功耗较低。

本实用新型采用定子槽口切向充磁永磁体和定子齿上径向充磁永磁体的组合方式，极大地降低了永磁磁路和电磁磁路的藕合程度和饱和程度，提高了承载能力，不但适用于本实用新型的六磁极内转子结构，也适用于外转子结构和其他磁极数的任意组合方式。

尽管上文对本实用新型进行了详细说明，但是本实用新型不限于此，本领域技术人员可以根据本实用新型的原理进行各种修改。因此，凡按照本实用新型原理所作的修改，都应当理解为落入本实用新型的保护范围。

设计图

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