[发明专利]一种具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承

说明书

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承，可作为磁悬浮飞轮、磁悬浮控制力矩陀螺、航空发动机、分子泵、高速机床和卫星等系统中旋转部件的无接触支撑部件。

背景技术

由于磁悬浮轴承具有无接触、不需润滑、寿命长、噪声小、控制精度高等优点，可广泛应用于航空、航天和机械加工等领域。在航空发动机、航天器等要求高可靠性的领域，为提高磁悬浮轴承系统的可靠性，要求磁悬浮轴承系统具有冗余和容错功能。现有结构的永磁偏置轴向磁轴承采用永磁体产生偏置磁场，但不能实现冗余，因此可靠性低。而现有的具有冗余结构的轴向磁轴承采用主动磁轴承结构，即在一个轴承体内通过绕制两组激磁线圈来实现冗余结构，其结构示意图如图1所示，当某一组激磁线圈11出现故障时，另一组激磁线圈12可以正常工作，由于通过电流产生偏置磁场，故存在功耗大的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有冗余结构的功耗小、易于控制和高可靠性的低功耗轴向磁轴承。

本发明的技术解决方案之一为：一种具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承，其特征在于：由轴承体、激磁线圈、永磁体、导磁环、气隙、辅助气隙和悬浮体组成，永磁体紧贴在轴承体，导磁环紧贴在永磁体上并与轴承体之间形成辅助气隙，轴承体包括外部磁极和中部磁极，外部磁极、中部磁极、导磁环与悬浮体之间形成气隙，外部磁极、中部磁极、导磁环与悬浮体之间形成气隙，永磁体在气隙中产生偏置磁通，轴承体内绕制两组激磁线圈，激磁线圈用来产生控制磁通，激磁线圈、永磁体和导磁环组成互为冗余的轴向磁轴承定子。本发明所述的轴向磁轴承定子在一个装置中应成对使用，并与悬浮体组成互为冗余的轴向磁轴承。

上述方案的原理是：通过永磁体给磁轴承提供偏置磁场，激磁线圈所产生的电磁场起调节作用，用来改变每极下磁场的强弱，保持磁轴承定转子之间的气隙均匀，并使悬浮体得到无接触稳定支撑。本发明的轴向磁轴承定子在轴承体内绕制两组激磁线圈，这两组激磁线圈、定子磁极、永磁体和导磁环组成互为冗余的轴向磁轴承定子，当轴向磁轴承定子上的一组激磁线圈通电正常工作时，另一组激磁线圈不通过电流，作为备用激磁线圈。轴向磁轴承的磁路分为永磁磁路和电磁磁路，永磁磁路在气隙中产生偏置磁通(如图2中虚线所示)，电磁磁路产生控制磁通(如图2中实线所示)，以一个轴向磁轴承定子为例说明磁路。永磁磁路分为两路，其中一路永磁磁路为：磁通从永磁体N极出发，通过轴承体、轴承体的中部磁极、气隙、悬浮体、气隙和导磁环回到永磁体S极，如图2中的虚线所示；另一路永磁磁路为：磁通从永磁体N极出发，通过轴承体、轴承体的外部磁极、气隙、悬浮体、气隙和导磁环回到永磁体S极，如图2中的虚线所示。电磁磁路也分为两路，以轴承体内部激磁线圈产生的电流为例，其中一路为：电磁磁通经过轴承体、轴承体的中部磁极、气隙、悬浮体、气隙、导磁环和辅助气隙构成闭合回路，如图2中的实线所示；另一路为：电磁磁通经过轴承体、轴承体的外部磁极、气隙、悬浮体、气隙、导磁环和辅助气隙构成闭合回路，如图2中的实线所示。备用的轴向磁轴承的永磁磁路与正常工作轴向磁轴承的永磁磁路相同，而电磁磁路也分为两路，其中一路为：电磁磁通经过轴承体的外部磁极、气隙、悬浮体、气隙、轴承体的中部磁极和轴承体构成闭合回路，如图4中的实线所示；另一路为：电磁磁通经过轴承体的外部磁极、气隙、悬浮体、气隙、导磁环、辅助气隙和轴承体构成闭合回路，如图4中的实线所示。在其中轴向磁轴承的一组激磁线圈发生故障时，另一组备用激磁线圈进入正常工作状态，实现了轴向磁轴承的冗余，从而保证了磁轴承系统的高可靠性。

本发明的技术解决方案之二为：一种具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承，其特征在于：由轴承体、激磁线圈、永磁体、导磁环、气隙、辅助气隙和悬浮体组成，永磁体紧贴在轴承体，导磁环紧贴在永磁体上并与轴承体之间形成辅助气隙，轴承体包括中部磁极和内部磁极，内部磁极、中部磁极、导磁环与悬浮体之间形成气隙，永磁体在气隙中产生偏置磁通，轴承体内绕制两组激磁线圈，激磁线圈用来产生控制磁通，激磁线圈、永磁体和导磁环组成互为冗余的轴向磁轴承定子。本发明所述的轴向磁轴承定子在一个装置中应成对使用，轴向磁轴承定子与悬浮体组成互为冗余的轴向磁轴承。方案二与方案一相比，永磁体移至激磁线圈径向外部。