專利名稱：一種具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非接觸磁懸浮軸承，特別是一種具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，可作為磁懸浮飛輪、磁懸浮控制力矩陀螺、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、真空分子泵、高速機(jī)床和衛(wèi)星等系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)部件的無(wú)接觸支撐部件。
背景技術(shù)：
磁懸浮軸承按照磁力提供方式，可分為無(wú)源磁懸浮軸承(由永久磁鐵提供磁力，也稱被動(dòng)磁懸浮軸承)、有源磁懸浮軸承(由電磁鐵提供磁力，也稱主動(dòng)磁軸承)和混合磁懸浮軸承(由永久磁鐵和電磁鐵提供磁力)。由于無(wú)源磁懸浮軸承的穩(wěn)定域很小，而永磁偏置的混合磁軸承利用永磁體取代主動(dòng)磁軸承中由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁場(chǎng)，具有降低功率放大器損耗，減少電磁鐵安匝數(shù)，縮小磁軸承的體積和重量等優(yōu)點(diǎn)，所以永磁偏置的混合磁懸浮軸承得到了廣泛的應(yīng)用。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天器等要求高可靠性的領(lǐng)域，為提高磁懸浮軸承系統(tǒng)的可靠性，要求磁懸浮軸承系統(tǒng)具有冗余和容錯(cuò)功能，而目前具有容錯(cuò)結(jié)構(gòu)的徑向磁軸承采用主動(dòng)磁軸承結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，在具有冗余結(jié)構(gòu)的徑向磁懸浮軸承上用了6個(gè)線圈，其中每3個(gè)不相鄰的磁極和線圈組成一個(gè)徑向磁懸浮軸承，實(shí)際上這種具有冗余結(jié)構(gòu)的徑向磁懸浮軸承相當(dāng)于有兩個(gè)徑向磁懸浮軸承同時(shí)在工作，當(dāng)某一個(gè)軸承出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)軸承可以正常工作。這種結(jié)構(gòu)的徑向磁軸承通過(guò)電流產(chǎn)生靜態(tài)偏置磁場(chǎng)，具有功耗、質(zhì)量和體積大等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有冗余結(jié)構(gòu)的功耗小、易于控制和高可靠性的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于定子和轉(zhuǎn)子之間為氣隙，定子由定子鐵心及繞在其上的激磁線圈組成，定子鐵心共有16個(gè)磁極，它們組成左右兩端8對(duì)磁極，左端的8個(gè)磁極和右端的8個(gè)磁極沿圓周均勻分布；轉(zhuǎn)子包括左轉(zhuǎn)子鐵心、右轉(zhuǎn)子鐵心、左外導(dǎo)磁環(huán)、右外導(dǎo)磁環(huán)和永磁體，左轉(zhuǎn)子鐵心和右轉(zhuǎn)子鐵心的外部是左外導(dǎo)磁環(huán)和右外導(dǎo)磁環(huán)，左外導(dǎo)磁環(huán)和右外導(dǎo)磁環(huán)之間為永磁體；定子鐵心左側(cè)不相鄰的4個(gè)磁極和右側(cè)定子鐵心不相鄰的4個(gè)磁極及其上的激磁線圈分別組成兩組互為冗余的定子磁極，整個(gè)裝置共組成兩個(gè)互為冗余的徑向磁軸承。
上述方案的原理是通過(guò)永磁體給磁軸承提供永磁偏置磁場(chǎng)，激磁線圈所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)起調(diào)節(jié)作用，用來(lái)改變每極下磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，保持磁軸承定轉(zhuǎn)子之間的氣隙均勻，并使轉(zhuǎn)子得到無(wú)接觸穩(wěn)定支撐。本發(fā)明的定子由定子鐵心及繞在其上的激磁線圈組成，定子鐵心共有16個(gè)磁極，它們組成左右兩端8對(duì)磁極，左端的8個(gè)磁極和右端的8個(gè)磁極沿圓周均勻分布；8對(duì)磁極中左右互不相鄰的4對(duì)磁極分別組成兩組定子磁極，這兩組定子磁極及轉(zhuǎn)子共組成兩個(gè)互為冗余的外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，當(dāng)其中一個(gè)徑向磁軸承正常工作時(shí)，另一個(gè)徑向磁軸承的激磁線圈不通過(guò)電流，作為備用磁軸承。以Y軸正方向磁路為例說(shuō)明磁路，永磁磁路為磁通從永磁體N極出發(fā)，通過(guò)左外導(dǎo)磁環(huán)、左轉(zhuǎn)子鐵心、左側(cè)氣隙、定子鐵心磁極、右側(cè)氣隙、右轉(zhuǎn)子鐵心和右外導(dǎo)磁環(huán)回到永磁體S極，構(gòu)成磁懸浮軸承的永磁磁路，在氣隙中產(chǎn)生永磁偏置磁場(chǎng)，如圖2中的虛線所示。電磁磁路為以Y軸正方向電磁線圈電流產(chǎn)生的磁通為例，電磁通經(jīng)過(guò)定子鐵心+Y方向左端的定子磁極、+Y方向左端的氣隙、左轉(zhuǎn)子鐵心、-Y方向左端的氣隙、定子鐵心-Y方向左端的定子磁極、定子鐵心-Y方向右端的定子磁極、-Y方向右端的氣隙、右轉(zhuǎn)子鐵心、+Y方向右端的氣隙和定子鐵心+Y方向右端的定子磁極構(gòu)成閉合回路，如圖2、圖3和圖4中的實(shí)線所示。整個(gè)裝置共構(gòu)成兩個(gè)外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，備用徑向磁軸承的永磁磁路與正常工作徑向磁軸承的永磁磁路相同，電磁磁路為以Y’軸正方向電磁線圈電流產(chǎn)生的磁通為例，電磁通經(jīng)過(guò)定子鐵心+Y’方向左端的定子磁極、+Y’方向左端的氣隙、左轉(zhuǎn)子鐵心、-Y’方向左端的氣隙、定子鐵心-Y’方向左端的定子磁極、定子鐵心-Y’方向右端的定子磁極、-Y’方向右端的氣隙、右轉(zhuǎn)子鐵心、+Y’方向右端的氣隙和定子鐵心+Y’方向右端的定子磁極構(gòu)成閉合回路，如圖2、圖5和圖6中的實(shí)線所示。當(dāng)其中一個(gè)徑向磁軸承發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)備用徑向磁軸承進(jìn)入正常工作狀態(tài)，從而保證了磁軸承系統(tǒng)的高可靠性。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明利用8對(duì)定子磁極及其上的激磁線圈，與左(右)外導(dǎo)磁環(huán)、永磁體、左(右)轉(zhuǎn)子鐵心構(gòu)成了具有冗余結(jié)構(gòu)的外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且當(dāng)其中一個(gè)徑向混合磁軸承發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)備用的徑向磁軸承可進(jìn)入正常工作狀態(tài)，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承通過(guò)永磁體產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，可顯著降低具有冗余結(jié)構(gòu)的磁軸承功耗、體積和重量。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中具有容錯(cuò)結(jié)構(gòu)的徑向主動(dòng)磁軸承結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承剖面圖；圖3為本發(fā)明的具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承左端面截面圖；圖4為本發(fā)明的具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承右端面截面圖；圖5為本發(fā)明的具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承左端面?zhèn)溆脧较虼泡S承電磁磁路示意圖；圖6為本發(fā)明的具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承右端面?zhèn)溆脧较虼泡S承電磁磁路示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖2、圖3、圖4、圖5和圖6所示，本發(fā)明的一種具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子和轉(zhuǎn)子之間為氣隙7，定子由定子鐵心8及繞在其上的激磁線圈4組成，定子鐵心8共有16個(gè)磁極，它們組成左右兩端8對(duì)磁極，左端的8個(gè)磁極和右端的8個(gè)磁極沿圓周均勻分布；轉(zhuǎn)子包括左轉(zhuǎn)子鐵心3、右轉(zhuǎn)子鐵心5、左外導(dǎo)磁環(huán)2、右外導(dǎo)磁環(huán)6和永磁體1，左轉(zhuǎn)子鐵心3和右轉(zhuǎn)子鐵心5的外部是左外導(dǎo)磁環(huán)2和右外導(dǎo)磁環(huán)6，左外導(dǎo)磁環(huán)2和右外導(dǎo)磁環(huán)6之間為永磁體1；定子鐵心8左側(cè)不相鄰的4個(gè)磁極9、11、13、15或作為冗余的不相鄰的4個(gè)磁極10、12、14、16和右側(cè)定子鐵心不相鄰的4個(gè)磁極17、19、21、23或作為冗余的不相鄰的4個(gè)磁極18、20、22、24及其上的激磁線圈4分別組成兩組互為冗余的定子磁極，整個(gè)裝置共組成兩個(gè)互為冗余的徑向磁軸承。
上述本發(fā)明所用的左外導(dǎo)磁環(huán)2和右外導(dǎo)磁環(huán)6均用導(dǎo)磁性能良好的材料制成，如電工純鐵、各種低碳鋼、1J50和1J79等磁性材料。左轉(zhuǎn)子鐵心3、右轉(zhuǎn)子鐵心5和定子鐵心8可用導(dǎo)磁性能良好的電工薄鋼板如電工硅鋼板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79等磁性材料沖壓迭制而成。永磁體1的材料為磁性能良好的稀土永磁體或鐵氧體永磁體，永磁體1為一圓環(huán)，沿軸向充磁。激磁線圈4用導(dǎo)電良好的電磁線繞制后真空浸漆烘干而成。
權(quán)利要求
1.一種具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，由定子和轉(zhuǎn)子組成，其特征在于定子和轉(zhuǎn)子之間為氣隙(7)，定子由定子鐵心(8)及繞在其上的激磁線圈(4)組成，定子鐵心(8)共有16個(gè)磁極，它們組成左右兩端8對(duì)磁極，左端的8個(gè)磁極和右端的8個(gè)磁極沿圓周均勻分布；轉(zhuǎn)子包括左轉(zhuǎn)子鐵心(3)、右轉(zhuǎn)子鐵心(5)、左外導(dǎo)磁環(huán)(2)、右外導(dǎo)磁環(huán)(6)和永磁體(1)，左轉(zhuǎn)子鐵心(3)和右轉(zhuǎn)子鐵心(5)的外部是左外導(dǎo)磁環(huán)(2)和右外導(dǎo)磁環(huán)(6)，左外導(dǎo)磁環(huán)(2)和右外導(dǎo)磁環(huán)(6)之間為永磁體(1)；定子鐵心(8)左側(cè)不相鄰的4個(gè)磁極(9)、(11)、(13)、(15)或不相鄰的4個(gè)磁極(10)、(12)、(14)、(16)和右側(cè)定子鐵心不相鄰的4個(gè)磁極(17)、(19)、(21)、(23)或不相鄰的4個(gè)磁極(18)、(20)、(22)、(24)及其上的激磁線圈(4)分別組成兩組互為冗余的定子磁極，整個(gè)裝置共組成兩個(gè)互為冗余的徑向磁軸承。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于所述的永磁體(1)采用稀土永磁材料或鐵氧體永磁材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于所述的永磁體(1)為一個(gè)圓環(huán)，沿軸向充磁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于所述的左外導(dǎo)磁環(huán)(2)和右外導(dǎo)磁環(huán)(6)均采用導(dǎo)磁性能良好的材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于所述的左轉(zhuǎn)子鐵心(3)、右轉(zhuǎn)子鐵心(5)和定子鐵心(8)采用導(dǎo)磁性能良好的軟磁材料制成。
全文摘要
一種具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子和轉(zhuǎn)子之間為氣隙，定子由定子鐵心及繞在其上的激磁線圈組成，定子鐵心共有16個(gè)磁極，它們組成左右兩端8對(duì)磁極，左端的8個(gè)磁極和右端的8個(gè)磁極沿圓周均勻分布；轉(zhuǎn)子包括左(右)轉(zhuǎn)子鐵心、左(右)外導(dǎo)磁環(huán)和永磁體，左(右)轉(zhuǎn)子鐵心的徑向外部是左(右)外導(dǎo)磁環(huán)，左、右外導(dǎo)磁環(huán)之間為永磁體，兩組定子磁極和轉(zhuǎn)子共組成兩個(gè)互為冗余的外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承。本發(fā)明使外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了冗余，當(dāng)一個(gè)磁軸承發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)磁軸承可正常工作，從而降低了冗余磁軸承體積、重量和功耗，并顯著提高了磁軸承系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號(hào)F16C32/04GK1995768SQ20071006327
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2007年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月5日
發(fā)明者韓邦成, 房建成, 孫津濟(jì), 劉剛 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)