[发明专利]一种混合励磁型径向磁轴承

说明书

技术领域

本发明属于磁悬浮技术领域，更具体地，涉及一种低待机损耗的混合励磁型径向磁轴承。

背景技术

磁悬浮轴承是一种利用可调电磁力支撑转子，使定、转子之间脱离机械接触而实现系统稳定运行的高性能轴承。由于定、转子之间不存在机械接触，无需润滑剂，简化维护手续的同时也有利于向真空环境应用；转子受到很小或没有摩擦力，可达到很高转速，提高系统的功率密度；由于磁悬浮轴承通过专门的控制系统精确控制电磁力，因此其刚度和阻尼可调，具有高精度、高稳定性、高可靠性。此外，相对于传统机械轴承而言，磁悬浮轴承具有低损耗、长寿命、无污染等优点，特别适合高速、真空和超洁净等特殊的应用场合。

按照磁悬浮轴承控制的自由度可以将磁悬浮轴承分为三类：单自由度磁轴承、两自由度磁轴承、多自由度磁轴承。在磁悬浮支承的高速转子系统中，除了转子绕自身旋转的一个自由度外，另外五个自由度是由磁轴承支承系统控制。单个自由度磁轴承主要是指控制转子在轴向方向上单向往复运动，一般为轴向轴承且独立使用；两自由度磁轴承则分别控制径向水平、竖直两个方向的自由度，一般为径向轴承且两个轴承配合使用；多自由度磁轴承控制径向-轴向等三个或三个以上自由度，一般为多个轴向、径向轴承的排列组合形式。两自由度磁悬浮轴承可按照磁力提供方式将径向磁轴承分为三类：永磁径向磁轴承、电励磁径向磁轴承和混合励磁型径向磁轴承。其中永磁径向磁轴承刚度小，轴承状态不可控，不适合大承载力高功率密度场合；电励磁径向轴承由于电励磁提供偏置磁场，待机损耗大，不利于低功耗的应用；永磁偏置混合径向轴承综合二者的优点，充分利用永磁体提供的偏置磁场，待机损耗小，状态可控，且形式多样。

目前，混合励磁型径向磁轴承的结构存在一些不足：有的结构电励磁磁路与永磁磁路是串联，不仅需要较大的励磁电流产生电励磁磁通，铜耗大，而且电励磁磁通对永磁体反复充退磁，降低了轴承的可靠性；有的结构永磁磁路不得不通过叠压的硅钢片，在其路径中损失较大的磁动势，造成励磁源的浪费；有的结构为了将永磁磁路和电励磁磁路解耦，在永磁体旁边采用辅助气隙作为电励磁磁路，若辅助气隙过大，则电励磁在辅助气隙处损失较大磁动势，若辅助气隙小，则永磁体漏磁严重。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种低功耗、结构紧凑、电磁和永磁磁路并联解耦、可高速运行的混合励磁型径向磁轴承。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种混合励磁型径向磁轴承，包括转子和定子，所述转子包括转轴和转子铁心，所述定子包括定子励磁绕组、永磁体、定子铁心和隔磁材料，所述永磁体嵌入定子铁心和隔磁材料之间，所述定子励磁绕组固定于定子铁心内部，所述定子铁心与转子铁心之间形成控制气隙，所述永磁体与转子铁心之间形成偏置气隙，所述永磁体径向充磁或平行充磁，在所述控制气隙和偏置气隙内产生永磁偏置磁场。

上述方案中，所述转子铁心与定子铁心的长度相同，且均为叠片结构，采用高强度硅钢材料，厚度为1mm以下。

上述方案中，所述永磁体包括4块梯形的永磁体，在圆周上呈90°均匀分布。

上述方案中，所述定子铁心与转子铁心之间设置4个控制气隙，定子励磁绕组和永磁体分别在其间产生控制磁场和偏置磁场。

上述方案中，所述永磁体与转子铁心之间形成4个偏置气隙，永磁体产生的偏置磁通在偏置气隙内产生偏置磁场。

进一步的技术方案中，所述永磁体、定子铁心、隔磁材料共同构成定子内圆，且其内径尺寸相同。

本发明的工作原理是：由永磁体提供混合径向磁轴承的偏置磁场，由定子励磁绕组来提供调节气隙磁通所需的控制磁场。永磁磁路的路径为永磁体N极→定子铁心→控制气隙→转子铁心→偏置气隙→永磁体S极。定子励磁绕组产生的电励磁磁通路径为定子铁心→控制气隙→转子铁心→控制气隙→定子铁心。永磁体产生的永磁磁通穿过控制气隙和偏置气隙，主要产生常通的偏置磁通；永磁体和定子励磁绕组产生的永磁、电励磁磁场在四个控制气隙中叠加或抵消，共同作用在转子铁心上，产生径向两个方向的控制力。

定子内的励磁绕组电流方向可以双向调节，以y轴方向为例，假定当励磁电流为正时，电励磁磁场方向沿y轴正向，由于永磁偏置磁场分别在两个控制气隙内产生方向相反的磁场(假定上控制气隙的磁场沿y轴向上)，两种磁场线性叠加，y轴上控制气隙内的磁场增强，y轴下控制气隙内的磁场削弱，转子铁心受到沿y轴向上的承载力；同理，当励磁线圈的电流为负时，转子铁心受到沿y轴向下的承载力。

本发明与现有混合励磁型径向磁轴承相比，具有以下特点：