[发明专利]一种可控制径向扭转的轴向磁轴承

说明书

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种可控制径向扭转的轴向磁轴承，可作为体积及功耗都要求严格的磁悬浮设备的无接触支撑。

背景技术

常用磁悬浮轴承分电磁偏置式和永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，前者采用电流产生偏置磁场，因此工作电流大、功耗大，后者利用永磁体替代电流产生偏置磁场，永磁体产生的磁场承担主要的承载力，电磁磁场提供辅助的调节承载力，因而这种轴承可大大减小控制电流，降低损耗。现有多数结构的轴向磁轴承定子结构都是整圆结构，对转子只能进行轴向平动控制，无法对转子进行径向扭动控制，因而在要求系统整体轴向长度较小的应用场合中难以得到应用，特别是现有的飞轮系统，通常做成外转子结构形式以减小整体体积，利用成对使用的径向磁轴承控制扭转，所以成对使用的径向磁轴承之间必须要有一定的跨距，这就带来了轴向长度的增加。而现有的三自由度轴向磁轴承，由于其沿内环铁芯和外环铁芯沿圆周方向分为4个磁极，因此磁场在转子旋转一周时需要交变4次，在高速旋转时功耗仍然不可忽视。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种旋转损耗低、可进行径向扭动控制的轴向磁轴承。

本发明的技术解决方案为：

一种可控制径向扭转的轴向磁轴承，包括转子以及设置在转子上方的定子组件，定子组件包括永磁体以及四个定子铁芯磁极，该四个定子铁芯磁极周向均布在永磁体外围，且其中相对设置的一对内环定子铁芯磁极与永磁体的径向内侧相连，余下的另一对外环定子铁芯磁极与永磁体的径向外侧相连，一对内环定子铁芯磁极的重心连线与另一对外环定子铁芯磁极的重心连线相垂直；每个定子铁芯磁极上绕制有线圈，内环定子铁芯磁极和外环定子铁芯磁极与转子之间形成轴向磁气隙。

所述的永磁体采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成，并为径向充磁。

所述的内环定子铁芯磁极和外环定子铁芯磁极采用导磁性能良好的材料叠压而成，与转子之间形成的轴向磁气隙为0.2—0.4mm。

所述的转子为导磁性能良好的材料制成的推力圆盘，或者为导磁性能良好的材料制成的系统转动部分的一部分。

上述方案的原理是：永磁体给磁轴承提供永磁偏置磁场，承担磁轴承所受的轴向力，激磁线圈产生的磁场起调节作用，保持磁轴承定转子气隙均匀，并使转子得到无接触支撑。本发明的永磁磁路通过永磁体、内环定子铁芯磁极、外环定子铁芯磁极、磁气隙以及转子构成闭合回路，形成磁悬浮轴承的主磁路；由于永磁体将内环定子铁芯磁极和外环定子铁芯磁极“隔开”（永磁体磁阻大，对电磁磁路来讲是一个很大的磁阻），因此内环定子铁芯磁极绕制的线圈通电时产生的电磁磁路仅在两个内环定子铁芯磁极之间形成电磁磁路，同理，外环定子铁芯磁极绕制的线圈通电时产生的电磁磁路仅在两个外环定子铁芯磁极之间形成电磁磁路。这样保证了电磁磁路不通过永磁体内部，减小了电磁磁路的磁阻，降低了激磁电流，降低了轴承的功耗。本发明的轴向磁轴承成对使用，安装时保证上下两个轴向磁轴承的定子铁芯磁极正对，即同时保证两个轴向磁轴承的内环定子铁芯磁极同时沿+X和-X方向放置，并且外环定子铁芯磁极同时沿+Y和-Y方向放置，或者两个轴向磁轴承的内环定子铁芯磁极同时沿+Y和-Y方向放置，并且外环定子铁芯磁极同时沿+X和-X方向放置。永磁体在内环定子铁芯磁极与转子之间气隙处产生的磁通方向相同，而内环定子铁芯磁极上的线圈通电在内环两个定子铁芯磁极与转子之间的气隙处产生的磁通方向相反，因此当转子发生径向扭转时，通过调节线圈电流可以实现电磁磁通在一个内环定子磁极与转子之间的气隙处与永磁磁通相叠加，而在另一个内环定子磁极与转子之间气隙处与永磁磁通相抵消，因此可以产生径向方向的回转力矩使转子恢复到平衡位置。同理，永磁体在外环定子铁芯磁极与转子之间气隙处产生的磁通方向相同，而外环定子铁芯磁极上的线圈通电在外环两个定子铁芯磁极与转子之间的气隙处产生的磁通方向相反，因此当转子发生径向扭转时，通过调节线圈电流可以实现电磁磁通在一个外环定子磁极与转子之间的气隙处与永磁磁通相叠加，而在另一个外环定子磁极与转子之间气隙处与永磁磁通相抵消，因此可以产生径向方向的回转力矩使转子恢复到平衡位置。