[发明专利]一种大承载轴向混合磁轴承

说明书

技术领域

本发明涉及一种轴承，特别是一种大承载轴向混合磁轴承。

背景技术

飞轮储能系统依靠高速或超高速运行的飞轮转子来进行动能存储。要保证转子在高速或超高速状态下正常工作，整个飞轮转子是通过性能良好的支撑部件的支承而获得稳定运转的。系统的支承特性显得尤为重要。飞轮储能系统中传统机械轴承包括普通球轴承、流体动压轴承等，因其旋转损耗和发热过大，难以满足高速重载且摩擦损耗低的要求，早期飞轮储能系统发展缓慢，最主要原因就在于此。

随着飞轮储能系统的发展，为更大程度上提高飞轮的储能容量和减小运转过程中的损耗，对支撑系统提出了工作转速高、损耗小、高可靠性和长寿命等严格的要求。因此，现代用于飞轮系统的支撑件得到了快速发展，出现了陶瓷球轴承、磁悬浮轴承、空气轴承、超导磁悬浮轴承等。近年来发展较快的空气轴承，虽然适用于高速和超高速状况，但其支承刚度低，对于要求承载能力高的飞轮系统亦不适合。超导磁悬浮轴承是由永磁体与超导体组合而成，具有无源、无机械磨损、高转速、长寿命等特点，吸引了各国科技人员的关注。20多年前，美、日、德等国已经对此开始了研究，并逐渐取得了重大成果。但由于超导磁悬浮需要低温液氮等装置来维持超导特性，比较复杂和昂贵，因此应用得到限制。

现有磁轴承(磁悬浮轴承)中，主要是利用矩形截面的永磁环进行设计，但矩形截面的永磁环会对磁力造成一定的阻碍，造成功耗高、承载能力小等缺点。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种大承载轴向混合磁轴承。本发明不仅结构简单，便于加工和装配，而且具有功耗低、承载能力大的特点。

本发明的技术方案：一种大承载轴向混合磁轴承，包括转子，转子上设有磁轴承定子，磁轴承定子内设有定子腔，定子腔内设有树脂，树脂内侧包围电磁绕组线圈，树脂外侧设有导磁环和梯形截面的永磁环，永磁环位于导磁环上方；所述的磁轴承定子与转子之间形成轴向气隙。

前述的大承载轴向混合磁轴承中，所述的转子的内径小于磁轴承定子的内径。

前述的大承载轴向混合磁轴承中，所述的导磁环的内外半径与定子腔外环的内外半径相等。

一种大承载轴向混合磁轴承用的永磁环，所述永磁环的截面为梯形。

前述的大承载轴向混合磁轴承用的永磁环中，所述梯形为直角梯形。

前述的大承载轴向混合磁轴承用的永磁环中，所述梯形的腰与垂直方向的夹角a的范围为15°-20°。

前述的大承载轴向混合磁轴承用的永磁环中，所述梯形的腰与垂直方向的夹角a为20°。

与现有技术相比，本发明采用“梯形”截面永磁环，电磁磁路几乎不通过永磁体本身而形成回路，承载力大；与传统截面永磁体混合磁轴承结构相比，在实现同等控制载荷下，控制线圈电流小，减小了线圈损耗和发热，极大地提高了轴承系统的效率，且本发明采用永磁偏置和电磁控制配合使用，永磁和电磁共享磁路，结构简单，便于加工和装配。以方形截面和梯形截面磁轴承结构对比，轴向气隙为2mm，产生1200N的电磁力，同样情况下梯形截面结构励磁电流可降低30％～40％，线圈能耗可降低约63.24％，功耗低。

本发明进行了大量的实验研究，以下为本发明的实验：实验例1：

为了得到更好的磁轴承结构，我们可以进一步研究永磁体梯形截面的斜面倾斜角取值，找出规律，寻求最优值。现假设在10A电流的作用下，分别取5°、10°、15°、20°、25°的倾角进行分析，磁密和相对磁密变化趋势见表1、图3和图4。

表1不同工作条件下各倾角所对应的磁密

从表1、图3和图4可知，随着倾角增加，磁密随之减小。从图4可知，相对磁密从5°到15°是相对增加的，从15°到20°是持平状态，从20°到25°相对减小。考虑初设磁密及最终磁密和永磁体加工工艺，永磁体倾斜角度20°为最佳状态。

实验例2：截面为矩形和梯形的永磁环对比实验

混合磁轴承中永磁体的结构设计合理与否，直接关系到整个磁轴承的效率。在此设计截面分别为矩形和梯形的两种永磁体结构，通过比较它们的特性分析，选择更合理的结构。对永磁偏置轴向磁轴承性能分析：

(1)永磁体单独作用

当永磁体单独工作时，运用ANSOFT电磁分析软件对两种不同截面的磁轴承进行分析，得到磁密波形图分别如图5和图6所示。