[发明专利]一种低功耗单稳态零重力作用径向磁轴承

说明书

所属技术领域

本发明专利属于非接触式磁悬浮轴承领域，是一种低功耗单稳态零重力作用径向磁轴承，可取代目前的接触式机械轴承，可作为风力发电机、电动机、分子泵，高速轴承，转子动力学验证及试验、振动隔离等旋转设备的无接触支撑部件。

背景技术

目前纯永磁式的磁悬浮轴承是不稳定的，也是不受控的；纯电磁式的磁悬浮轴承消耗电流大，功耗高；永磁和电磁混合式的磁悬浮轴承是研究最广泛的，其显著的特征是：利用永磁体产生偏置磁场，该偏置磁场从±X、±Y四个方向对磁悬浮转轴产生大小相等的吸引力，然后调节励磁线圈中的电流，改变电磁磁场的大小和方向，使永磁偏置磁场和电磁磁场相叠加，磁通密度增大一侧的吸引力变大，磁通密度减小一侧的吸引力变小，不平衡的受力产生了转子径向运动的动力。尽管偏置磁场在一定程度上减小了励磁的电流，降低了功率损耗，但是偏置磁场从四个方向上产生的均是吸引力，并不能抵消转子本身的重力，故不能最大限度地减小励磁电流；且磁场间的作用力与定转子间空气隙的距离成反比，气隙减小一侧的作用吸力进一步增大，需要快速调节作用力，维持转子在平衡位置，故采用吸引力很难建立静态下的稳定工作点。所以目前永磁偏置径向磁悬浮轴承存在重力干扰，功耗较大，无静态稳定工作点，控制响应速度要求高等缺点。本发明依靠永磁上吸下斥结构，抵消转子重量，降低系统功耗，采用电磁和永磁间的排斥力，建立静态下稳定工作点，降低处理速度，节省成本，提高性能。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种新型的上吸下斥结构的径向磁轴承，该磁浮轴承能抵消转子的自身的重力，能建立静态下的稳定工作点，并具有低功耗、控制简单、结构紧凑、安装使用方便等优点。

本发明的技术解决方案为：低功耗单稳态零重力作用径向磁轴承，其基本特征在于：由外导磁环，外隔磁环，定子铁芯，励磁线圈，轴向磁化内永磁环，转子铁芯，内隔磁环，内导磁环，径向磁化内永磁环，轴向磁化外永磁半环，空气隙和转子轴组成。定子铁芯包括电磁铁芯和永磁铁芯环，在每个电磁铁芯上都绕有励磁线圈，组成4个方向的电磁磁极，分别分布在X轴、Y轴的正负方向，左右两端电磁铁芯一共形成8个电磁磁极，在Y轴的正负两个方向上还各有2个永磁铁芯半圆环，形成4个半圆环形永磁磁极，上面2个半圆环产生吸引力，下面2个半圆环产生排斥力，永磁铁芯环和电磁铁芯都固定在外导磁环上，永磁铁芯环和电磁铁芯之间采用外隔磁环隔离磁路，定子Y轴负方向，两个永磁铁芯环中间，经外导磁环夹着轴向磁化外永磁半环。定子铁芯的内部是转子铁芯和径向磁化的内永磁环，转子铁芯位于中间，径向磁化的内永磁环位于两端，定子铁芯内表面与转子铁芯外表面以及定子铁芯内表面与径向磁化内永磁环外表面之间，都有一定的空气隙，永磁铁芯环和径向磁化内永磁环都固定在内导磁环上，永磁铁芯环和径向磁化内永磁环之间是内隔磁环，永磁铁芯环和永磁铁芯环之间是内导磁环，内导磁环中间夹着轴向磁化内永磁环。

上述方案的原理是：利用永磁体与铁芯之间的吸引力，以及永磁体与永磁体之间的排斥力，共同作用抵消转子自身的重力，使转子工作在无重力状态下，然后励磁线圈产生的电磁场从X轴和Y轴的正负4个方向，对径向磁化的永磁环施加大小相等的排斥力，则静态条件下轴承定子腔的中心位置将是转子轴唯一的径向平衡位置，转子位置发生偏移后，气隙减小侧的排斥力增大，转子轴产生向平衡位置运动的趋势，故能建立稳定的工作状态，该结构也能简化控制算法，任何方向的位置偏移只需同时增大4个方向的排斥力，稳定后后，再根据控制对象的要求，按照一定的算法减小励磁电流，节省系统功耗。本发明的上吸永磁磁路为：磁通从轴向磁化内永磁环N极出发，通过一端内导磁环、转子永磁铁芯、气隙、定子永磁铁芯、外导磁环，到达另一端的定子永磁铁芯、另一端气隙、转子永磁铁芯、另一端的内导磁环，回到轴向磁化内永磁环S极。下斥永磁磁路分为2路：(1)磁通从轴向磁化内永磁环N极出发，通过一端内导磁环、转子永磁铁芯、气隙、到达另一端的转子永磁铁芯、另一端的内导磁环，回到轴向磁化内永磁环S极；(2)磁通从轴向磁化外永磁半环N极出发，通过一端外导磁环、定子永磁铁芯、气隙、到达另一端的定子永磁铁芯、另一端的外导磁环，回到轴向磁化外永磁半环S极，如图1所示。径向调节电磁磁路为：励磁线圈电磁N极出发，定子电磁铁芯，空气隙，径向磁化内永磁环N极外表面，空气隙，定子电磁铁芯，励磁线圈电磁S极，如图2所示。