專利名稱：垂直線圈內(nèi)轉(zhuǎn)子混合磁軸承及組合式混合磁軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種非接觸磁懸浮軸承，尤其是涉及一種可以作為旋轉(zhuǎn)部件的無 接觸支撐件的混合磁軸承，其特別適用于對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)控制磁懸浮飛輪、儲(chǔ)能飛輪的無接觸 支撐。
背景技術(shù)：
磁懸浮軸承分為純電磁式和永磁偏置加電磁控制的混合式磁懸浮軸承，前者必須 在電磁線圈中設(shè)定偏置電流來給磁軸承提供工作點(diǎn)，因此控制電流大，功耗大；而在由永 磁偏置加電磁控制的混合式磁懸浮軸承中，永磁體提供了磁路的主要磁通和偏置工作點(diǎn)磁 場(chǎng)，承擔(dān)主要的承載力，電磁線圈提供磁路的調(diào)節(jié)磁通，按一定控制律使轉(zhuǎn)子處于平衡位 置，承擔(dān)輔助的調(diào)節(jié)承載力，因而可以顯著減小控制電流，降低功耗，特別適合于對(duì)功耗要 求高的空間用飛輪等應(yīng)用場(chǎng)合。然而，目前的永磁偏置徑向混合磁軸承線圈鐵心與工作磁極采用一體化結(jié)構(gòu)(即 二者是一個(gè)整體，具體而言，就是上線圈鐵心和上導(dǎo)磁極板是一個(gè)整體，下線圈鐵心和下導(dǎo) 磁極板是一個(gè)整體)。而且，在現(xiàn)有的混合磁軸承結(jié)構(gòu)中，磁極在圓周方向是彼此分開的，因 為這種彼此分開的磁極結(jié)構(gòu)，造成其徑向磁場(chǎng)沿圓周方向是交替變化的(即磁場(chǎng)是非均勻 的)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過轉(zhuǎn)子鐵心圓周面的磁通按轉(zhuǎn)速的N倍頻(N等于磁極數(shù)) 周期性變化，由此帶來的渦流損耗不可忽略。雖然采用疊片結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子鐵心能在一定程度上減小渦流損耗，而且進(jìn)一步減小轉(zhuǎn) 子鐵心的疊片厚度可以顯著降低渦流損耗，但這樣就會(huì)帶來磁軸承的支撐強(qiáng)度減弱的問 題。因此，對(duì)高速飛輪轉(zhuǎn)子而言，目前的混合磁軸承還存在明顯的技術(shù)缺點(diǎn)一方面， 轉(zhuǎn)子鐵心的渦流將產(chǎn)生明顯的阻滯力矩，在姿態(tài)控制用磁懸浮飛輪等航天應(yīng)用場(chǎng)合，將會(huì) 顯著增加驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功耗，并影響衛(wèi)星姿態(tài)控制的穩(wěn)定性和精度；另一方面，當(dāng)為了降低 風(fēng)阻損耗而將高速轉(zhuǎn)子封閉在高真空的殼體內(nèi)時(shí)，過大的渦流損耗還將增加轉(zhuǎn)子散熱設(shè)計(jì) 的困難。此外，目前的混合磁軸承線圈鐵心與工作磁極采用一體化結(jié)構(gòu)，還存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 不能充分利用磁極的圓周面積等缺點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種非接觸磁懸浮軸承，這是一種包含 有垂直線圈、徑向均勻磁極和內(nèi)轉(zhuǎn)子的低損耗永磁偏置混合磁軸承，將現(xiàn)有的磁軸承的定 子中通常相互分開的磁極在內(nèi)邊緣相連為一個(gè)整體圓環(huán)，以使得當(dāng)轉(zhuǎn)子處于平衡位置時(shí)工 作氣隙的徑向永磁偏置磁場(chǎng)在整個(gè)圓周面上是均勻的，從源頭上將轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)的渦流損耗 和阻滯力矩降低到最低程度。為達(dá)到所述發(fā)明目的，本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案之一是一種垂直線圈內(nèi)轉(zhuǎn)子 混合磁軸承，其包括轉(zhuǎn)子和定子。其中所述轉(zhuǎn)子包括內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)；轉(zhuǎn)子鐵心，同軸套裝在該內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)外側(cè)。所述定子包括定子盤，包含有多個(gè)均勻分布的磁極；多個(gè)線圈鐵心，分別 對(duì)稱設(shè)置在該定子盤上下兩側(cè)并沿該定子盤的周向均勻分布，且每2個(gè)上下對(duì)稱設(shè)置的根據(jù)本實(shí)用新型的垂直線圈內(nèi)轉(zhuǎn)子混合磁軸承的一個(gè)實(shí)施例，所述定子盤呈圓環(huán) 狀，其包括上導(dǎo)磁極板；下導(dǎo)磁極板，位于所述上導(dǎo)磁極板下方；磁柱安裝盤，設(shè)置在所述 上導(dǎo)磁極板和下導(dǎo)磁極板之間，該磁柱安裝盤不導(dǎo)磁；以及多個(gè)永磁體，被均勻嵌放在所述 磁柱安裝盤內(nèi)，所述永磁體沿所述定子盤的軸向同向充磁；其中所述上導(dǎo)磁極板和下導(dǎo)磁 極板分別被沿周向均勻分割成呈輻射狀的4個(gè)磁極，且上導(dǎo)磁極板的4個(gè)磁極和下導(dǎo)磁極 板的4個(gè)磁極上下對(duì)稱。所述上導(dǎo)磁極板的4個(gè)磁極的相鄰磁極之間、以及下導(dǎo)磁極板的4個(gè)磁極的相鄰 磁極之間分別在內(nèi)邊緣處由通道相連為一個(gè)整體圓環(huán)，其中該通道由具有小截面積的導(dǎo)磁 體形成。為達(dá)到所述發(fā)明目的，本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案之二是一種組合式混合磁軸 承，其由多個(gè)如上所述的垂直線圈內(nèi)轉(zhuǎn)子混合磁軸承組合而成。本實(shí)用新型將現(xiàn)有的磁軸承通常相互分開的磁極在內(nèi)邊緣處相連成一個(gè)整體圓 環(huán)。由于永磁體在軸向同向充磁，永磁體產(chǎn)生的磁通在磁極內(nèi)緣按徑向方向經(jīng)工作氣隙進(jìn) 出轉(zhuǎn)子鐵心。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子處于平衡位置時(shí)，工作氣隙的徑向永磁磁通在整個(gè)圓周面上是均 勻的，因而將轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)的渦流損耗和阻滯力矩降低到最低程度。電磁線圈產(chǎn)生的磁通在 磁極內(nèi)緣按徑向方向經(jīng)工作氣隙進(jìn)出轉(zhuǎn)子鐵心的同時(shí)，還有一小部分電磁磁通沿周向經(jīng)導(dǎo) 磁極板邊緣連接部分進(jìn)入相鄰磁極，由于連接處截面積較小，因此即便較小的磁通也產(chǎn)生 很大的磁通密度，使磁極邊緣連接部分的周向磁路飽和，這樣，可以保證各磁極的電磁控制 磁路耦合效應(yīng)很小，不會(huì)對(duì)控制特性產(chǎn)生影響。此外，在本實(shí)用新型的混合磁軸承中，線圈鐵心與工作磁極采用分體結(jié)構(gòu)，使得其 結(jié)構(gòu)相比現(xiàn)有技術(shù)的一體化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)而得以簡化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于采用垂直線圈徑向均勻磁極結(jié)構(gòu)，將 現(xiàn)有技術(shù)中相互分開的磁軸承的磁極在內(nèi)邊緣處相連成一個(gè)整體圓環(huán)，當(dāng)轉(zhuǎn)子處于平衡位 置時(shí)，工作氣隙的徑向永磁磁通在整個(gè)圓周面上是均勻的，從源頭上將轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)的渦流 損耗和阻滯力矩降低到了最低程度；本實(shí)用新型所述的磁軸承線圈鐵心與磁極在結(jié)構(gòu)上分 開，加工和裝配更方便，并使磁極可以充分利用圓周面積，增大其最大承載力。

圖1為本實(shí)用新型的磁軸承的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1所示磁軸承的上/下導(dǎo)磁極板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2所示上/下導(dǎo)磁極板的局部結(jié)構(gòu)立體示意圖；圖4為本實(shí)用新型的磁軸承的磁路圖；圖5為多個(gè)本實(shí)用新型產(chǎn)品的組合使用參考圖。對(duì)附圖標(biāo)記說明如下1-轉(zhuǎn)子，[0021]11-轉(zhuǎn)子鐵心，12-內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)，2-定子，21-電磁線圈，22-線圈鐵心，221-上線圈鐵心，222-下線圈鐵心23-上導(dǎo)磁蓋板，24-定子盤，241-上導(dǎo)磁極板，242-磁柱安裝盤，243-下導(dǎo)磁極板，244_ 永磁體，25-連接桿，26-下導(dǎo)磁蓋板，27-通孔，3-工作氣隙，4-通道，5-磁極，6-電磁磁路，7-永磁磁路，8-隔環(huán)，9-隔圈。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行具體描述。參見圖1 圖4所示，本實(shí)用新型的磁軸承是一種包含有垂直線圈、徑向均勻磁極和內(nèi)轉(zhuǎn)子的低損耗混合磁軸承。其具體結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)子1和定子2組成。所述轉(zhuǎn)子1被放置在 定子2內(nèi)構(gòu)成內(nèi)轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子1由轉(zhuǎn)子鐵心11和內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)12構(gòu)成，其中轉(zhuǎn)子鐵心11同軸 線套裝在內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)12的外側(cè)。所述轉(zhuǎn)子鐵心11包括上轉(zhuǎn)子鐵心和下轉(zhuǎn)子鐵心，所述上轉(zhuǎn) 子鐵心和下轉(zhuǎn)子鐵心均具有疊片結(jié)構(gòu)。所述定子2由8個(gè)線圈鐵心22 (包括分別對(duì)稱置于 定子盤24的上、下兩側(cè)的4個(gè)上線圈鐵心221和4個(gè)下線圈鐵心222)、分別垂直套裝在每 個(gè)線圈鐵心22上的8個(gè)電磁線圈21、上導(dǎo)磁蓋板23、定子盤24、4個(gè)連接桿25和下導(dǎo)磁蓋 板26組成；上導(dǎo)磁蓋板23設(shè)置在所述上線圈鐵心221上方；下導(dǎo)磁蓋板26設(shè)置在所述下 線圈鐵心222下方；其中所述上導(dǎo)磁蓋板23、上線圈鐵心221、定子盤24、下線圈鐵心222、 下導(dǎo)磁蓋板26分別通過4個(gè)連接桿25依次連接，其中4個(gè)連接桿25借由通孔27而被分 別設(shè)置在定子2上且沿定子2的周向均勻分布。所述定子2的定子盤24呈圓環(huán)狀，其由上導(dǎo)磁極板241、磁柱安裝盤242、下導(dǎo)磁 極板243和多個(gè)永磁體244組成，其中上導(dǎo)磁極板241、磁柱安裝盤242、下導(dǎo)磁極板243依次層疊，永磁體244周向均勻嵌放在磁柱安裝盤242內(nèi)。對(duì)應(yīng)于被均勻設(shè)置在上導(dǎo)磁極板241和下導(dǎo)磁極板243之間的多個(gè)永磁體244，所 述上導(dǎo)磁極板241和下導(dǎo)磁極板243分別被沿周向均勻分割成呈輻射狀的4個(gè)磁極5(即 四磁極結(jié)構(gòu) )(如圖2所示)，且上導(dǎo)磁極板241的4個(gè)磁極5和下導(dǎo)磁極板243的4個(gè)磁 極5上下對(duì)稱。所述線圈鐵心22與所述4個(gè)磁極5采用分體結(jié)構(gòu)，即所述線圈鐵心22與構(gòu) 成所述磁極5的上/下導(dǎo)磁極板是彼此可分離的獨(dú)立元件，并通過連接桿25連接在一起。所述磁柱安裝盤242由非導(dǎo)磁材料制成，其主要有兩方面的作用(1)它是一個(gè)重 要的結(jié)構(gòu)件，用于在基本上呈整體圓環(huán)狀的上/下導(dǎo)磁極板之間定位和固定永磁體244，同 時(shí)還承受上下導(dǎo)磁極板間的壓力，保護(hù)永磁體244使其不被壓碎；(2)由于每一磁極5可以 對(duì)應(yīng)多塊永磁體244，利用該磁柱安裝盤242可以對(duì)多塊永磁體進(jìn)行組合配置，充分利用永 磁體的截面積，有利于在工作氣隙處產(chǎn)生均勻偏置磁場(chǎng)。在導(dǎo)磁極板內(nèi)緣，所述上導(dǎo)磁極板 的4個(gè)磁極5的相鄰磁極之間、以及下導(dǎo)磁極板的4個(gè)磁極5的相鄰磁極之間分別通過小 截面積的導(dǎo)磁體(即通道4)連成一體，使得上導(dǎo)磁極板的4個(gè)磁極5在內(nèi)緣處連接成一個(gè) 整體的圓環(huán)，下導(dǎo)磁極板的4個(gè)磁極5同樣也在內(nèi)緣處連接成一個(gè)整體的圓環(huán)。所述通道4在上/下導(dǎo)磁極板的徑向所處的位置應(yīng)盡量靠近轉(zhuǎn)子1的設(shè)置位置， 艮口，與內(nèi)轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)的通道應(yīng)設(shè)置在導(dǎo)磁極板的內(nèi)緣，與外轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)的通道應(yīng)設(shè)置在導(dǎo)磁極 板的外緣，這樣才能保證在氣隙及轉(zhuǎn)子中形成均勻的磁場(chǎng)。所述定子2的定子盤24的內(nèi)環(huán)面與所述轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)子鐵心11的外環(huán)面之間具有 間隙(即工作氣隙3)。對(duì)于連通相鄰磁極5之間的通道4而言，對(duì)其具體結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)置既要保證轉(zhuǎn)子 處于平衡位置時(shí)永磁體244可以在工作氣隙3中形成均勻偏置磁場(chǎng)，又要保證電磁線圈產(chǎn) 生的勵(lì)磁磁路相互獨(dú)立。從能量損耗的角度看，連接面積越大越有利于永磁體244形成均 勻偏置磁場(chǎng)，減小渦流損耗；從控制的角度看，連接面積越小越有利于勵(lì)磁磁路相互獨(dú)立， 便于磁軸承的控制。通道連接面積的大小與永磁體材料及截面積、導(dǎo)磁極板的材料等多種 因素有關(guān)。合適的通道4的截面積約為單個(gè)磁極面積的1 % 15 %，較優(yōu)范圍為2 % 4 %。如圖3所示的上/下導(dǎo)磁極板的局部結(jié)構(gòu)立體示意圖，其表示本實(shí)用新型的上/ 下導(dǎo)磁極板的一個(gè)實(shí)例，其中，每個(gè)磁極5的工作面(1/4圓柱側(cè)面)的面積(即單個(gè)磁極面 積)Sl為251. 3mm2,通道4的截面積S2為8mm2，約為每個(gè)磁極5的工作面面積Sl的3. 2%。如圖4所示，所述上導(dǎo)磁極板241、永磁體244、下導(dǎo)磁極板243與所述轉(zhuǎn)子1和氣 隙3構(gòu)成永磁磁路7。所述上導(dǎo)磁蓋板23、上線圈鐵心221及電磁線圈21、上導(dǎo)磁極板241、 氣隙3、轉(zhuǎn)子1、下導(dǎo)磁極板243、下線圈鐵心222及電磁線圈21和下導(dǎo)磁蓋板26構(gòu)成電磁 磁路6。永磁磁路7除了為本實(shí)用新型的磁軸承提供工作點(diǎn)外，還提供轉(zhuǎn)子軸向運(yùn)動(dòng)的被動(dòng) 穩(wěn)定以及轉(zhuǎn)子繞X軸和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的被動(dòng)穩(wěn)定。所述本實(shí)用新型磁軸承的定子盤24的中間部分是磁柱安裝盤242以及一組按磁 極位置均勻分布的圓形或扇形柱狀永磁體244，該永磁體244沿軸向同向充磁。永磁體244 上下兩端是結(jié)構(gòu)對(duì)稱的導(dǎo)磁極板(即上導(dǎo)磁極板241與下導(dǎo)磁極板243)。導(dǎo)磁極板平面與 線圈鐵心軸線垂直。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子處于平衡位置時(shí)，工作氣隙的徑向永磁偏置磁場(chǎng)在整個(gè)圓 周面上是均勻的，徑向永磁磁通在轉(zhuǎn)子鐵心上產(chǎn)生的渦流損耗被降低到最低程度。例如，對(duì)于圖3所示的實(shí)例，當(dāng)通道4的尺寸大小合適時(shí)，由有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，氣隙3中永磁偏置磁場(chǎng)的磁通密度最小為0. 746T，最大為0. 751T。與此形成顯著對(duì)比的是，當(dāng)各相鄰磁極5之間無通道4相連時(shí)，由有限元數(shù)值計(jì) 算結(jié)果可知，與磁極5的間隔處對(duì)應(yīng)的局部氣隙中的永磁偏置磁場(chǎng)的磁通密度較小，約為 0. 262T，其余部分約為0. 754T?？梢钥闯觯谙噜彺? 極5之間有尺寸適宜的通道4連通時(shí)，可以顯著改善氣隙3中 永磁偏置磁場(chǎng)的磁通密度分布的均勻性。本實(shí)用新型采用疊片結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子鐵心，用來進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)子偏離平衡位置時(shí)永磁 磁通擾動(dòng)和線圈控制磁通變化帶來的磁軸承轉(zhuǎn)子鐵心的渦流損耗。本實(shí)用新型可以設(shè)計(jì)為徑向兩軸主動(dòng)控制混合磁軸承，也可以設(shè)計(jì)為徑向四軸主 動(dòng)控制混合磁軸承，參見圖6，也就是說，可以設(shè)計(jì)為多個(gè)本實(shí)用新型產(chǎn)品的組合結(jié)構(gòu)以滿 足不同的需求。本實(shí)用新型的工作原理是由永磁體為內(nèi)轉(zhuǎn)子和外定子之間的徑向工作氣隙提供 偏置磁通，產(chǎn)生磁軸承靜態(tài)懸浮所需的徑向力。當(dāng)左右兩側(cè)氣隙相等時(shí)，相對(duì)的兩磁極產(chǎn)生 的徑向力相互抵消，轉(zhuǎn)子處于平衡位置。當(dāng)轉(zhuǎn)子有向左的徑向位移時(shí)，左側(cè)氣隙減小，因而 左側(cè)永磁磁通增加而吸力變大，同時(shí)右側(cè)氣隙變大，右側(cè)永磁磁通減少而吸力變小，結(jié)果會(huì) 使轉(zhuǎn)子繼續(xù)向左側(cè)移動(dòng)。為了抑制這種不平衡，電磁線圈產(chǎn)生電磁磁通與永磁偏置磁通疊 力口，起到削弱左側(cè)氣隙磁通、加強(qiáng)右側(cè)氣隙磁通的作用，從而產(chǎn)生控制力把轉(zhuǎn)子拉回平衡位 置。當(dāng)轉(zhuǎn)子有軸向位移時(shí)，由于轉(zhuǎn)子和定子之間的磁力線扭曲從而產(chǎn)生使軸向穩(wěn)定的 恢復(fù)力，使轉(zhuǎn)子在軸向獲得被動(dòng)懸浮。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞χ/γ軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在χ/γ軸兩邊的轉(zhuǎn)子鐵心相 對(duì)定子磁極在軸向產(chǎn)生相反方向的位移，其軸向力形成一個(gè)恢復(fù)力矩，使轉(zhuǎn)子繞X/Y軸轉(zhuǎn) 動(dòng)方向獲得被動(dòng)穩(wěn)定。本實(shí)用新型的線圈鐵心與工作磁極采用分體結(jié)構(gòu)，并且將現(xiàn)有的磁軸承的定子中 通常相互分開的磁極在內(nèi)邊緣處相連成一個(gè)整體圓環(huán)。由于永磁體在軸向同向充磁，永磁 體產(chǎn)生的磁通在磁極內(nèi)緣按徑向方向經(jīng)工作氣隙進(jìn)出轉(zhuǎn)子鐵心。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子處于平衡位 置時(shí)，工作氣隙的徑向永磁磁通在整個(gè)圓周面上是均勻的，因而將轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)的渦流損耗 和阻滯力矩降低到最低程度。電磁線圈產(chǎn)生的磁通在磁極內(nèi)緣按徑向方向經(jīng)工作氣隙進(jìn)出 轉(zhuǎn)子鐵心的同時(shí)，還有一小部分電磁磁通沿周向經(jīng)導(dǎo)磁極板邊緣連接部分進(jìn)入相鄰磁極。 由于連接處的導(dǎo)磁體的截面積較小，因此即便較小的磁通也產(chǎn)生很大的磁通密度，使磁極 邊緣連接部分的周向磁路飽和，也就是說，通道4的小截面積導(dǎo)磁體在較小的磁通下也會(huì) 使得磁極邊緣連接部分的周向磁路飽和。這樣，可以保證各磁極的電磁控制磁路耦合效應(yīng) 很小，不會(huì)對(duì)控制特性產(chǎn)生影響。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于采用垂直線圈徑向均勻磁極結(jié)構(gòu)，將現(xiàn) 有技術(shù)中相互分開的磁軸承磁極在內(nèi)邊緣相連成一個(gè)整體圓環(huán)，當(dāng)轉(zhuǎn)子處于平衡位置時(shí)， 工作氣隙的徑向永磁磁通在整個(gè)圓周面上是均勻的，從源頭上將轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)的渦流損耗和 阻滯力矩降低到了最低程度；本實(shí)用新型所述的磁軸承線圈鐵心，與磁極在結(jié)構(gòu)上分開，力口 工和裝配更方便，并使磁極可以充分利用圓周面積，增大其最大承載力。實(shí)施例1參見圖1-圖3，本實(shí)用新型的該實(shí)施例如上述方案由轉(zhuǎn)子1和定子2兩大部分組成。轉(zhuǎn)子1裝在 定子2的內(nèi)部構(gòu)成內(nèi)轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子1由轉(zhuǎn)子鐵心11和內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)12構(gòu)成，其 中轉(zhuǎn)子鐵心11同軸線套裝在內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)12的外側(cè)。轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)子鐵心11采用一種導(dǎo)磁性 能良好的薄板型軟磁材料如電工硅鋼板沖壓疊制而成；定子2由8個(gè)電磁線圈21、8個(gè)線圈 鐵心22、上導(dǎo)磁蓋板23、定子盤24、4個(gè)連接桿25和下導(dǎo)磁蓋板26組成，4個(gè)連接桿25將 上導(dǎo)磁蓋板23、線圈鐵心22、定子盤24、下導(dǎo)磁蓋板26依次連接成一個(gè)整體。其中定子盤 24由上導(dǎo)磁極板241、磁柱安裝盤242、下導(dǎo)磁極板243依次層疊而成，永磁體244嵌入磁 柱安裝盤242內(nèi)。定子2的定子盤24內(nèi)環(huán)面與轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)子鐵心11外環(huán)面之間留有間隙 (即工作氣隙3)。定子2的上導(dǎo)磁蓋板23、上導(dǎo)磁極板241、下導(dǎo)磁極板243、下導(dǎo)磁蓋板 26及轉(zhuǎn)子1的內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)12均采用導(dǎo)磁性能良好的軟磁材料加工而成。定子2的定子盤24 中的永磁體244采用磁性良好的稀土永磁體制作并軸向同向充磁。定子2的定子盤24中 的磁柱安裝盤242采用非導(dǎo)磁合金材料鋁合金或鈦合金制成。定子2的電磁線圈21采用 導(dǎo)電良好的漆包線繞制后浸漆烘干而成。8個(gè)垂直放置的電磁線圈21分別置于定子盤24 的上、下兩側(cè)。每塊導(dǎo)磁極板(即上導(dǎo)磁極板241與下導(dǎo)磁極板243)分別被沿周向均勻分 割成呈輻射狀的4個(gè)磁極5，如圖4所示，且上導(dǎo)磁極板的4個(gè)磁極5和下導(dǎo)磁極板的4個(gè) 磁極5上下對(duì)稱，相鄰的磁極5之間由通道4連通。因?yàn)槭怯蓪?dǎo)磁材料將4個(gè)磁極5相互 連接構(gòu)成一個(gè)整體，所以，當(dāng)轉(zhuǎn)子處于平衡位置時(shí)，工作氣隙的徑向永磁磁通在整個(gè)圓周面 上是均勻的。如圖4所示，由上導(dǎo)磁極板241、永磁體244、下導(dǎo)磁極板243、轉(zhuǎn)子1和氣隙3構(gòu)成 磁軸承的永磁磁路7。由上導(dǎo)磁蓋板23、上線圈鐵心221及電磁線圈21、上導(dǎo)磁極板241、 氣隙3、轉(zhuǎn)子1、下導(dǎo)磁極板243、下線圈鐵心222及電磁線圈21和下導(dǎo)磁蓋板26構(gòu)成磁軸 承的電磁磁路6。永磁磁路7除了為磁軸承提供工作點(diǎn)外，還提供轉(zhuǎn)子軸向運(yùn)動(dòng)的被動(dòng)穩(wěn)定及轉(zhuǎn)子 繞X軸和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的被動(dòng)穩(wěn)定。因此，圖1所示的具有垂直線圈、徑向均勻磁極和內(nèi)轉(zhuǎn) 子的低損耗混合磁軸承結(jié)構(gòu)可以成為一種徑向兩軸主動(dòng)控制混合磁軸承。實(shí)施例2本實(shí)用新型的混合磁軸承還能以不同方式構(gòu)建其組合結(jié)構(gòu)。例如，如圖5所示，沿 軸向采用兩套如圖1所示的基本型結(jié)構(gòu)，則可以構(gòu)成徑向四軸主動(dòng)控制、軸向被動(dòng)穩(wěn)定的 磁軸承，即本實(shí)用新型可以設(shè)計(jì)為多個(gè)基本型結(jié)構(gòu)的組合形式以滿足不同的需求。這種組 合形式的混合磁軸承，所述混合磁軸承的個(gè)數(shù)為2個(gè)，分別沿所述混合磁軸承的軸向上下 疊置，在上下2個(gè)混合磁軸承定子之間可設(shè)一塊非導(dǎo)磁的隔環(huán)8，在上下2個(gè)磁軸承轉(zhuǎn)子1 之間設(shè)一塊非導(dǎo)磁的隔圈9，所述上下2個(gè)混合磁軸承的定子2內(nèi)的永磁體244的充磁方向 彼此相反。隔環(huán)8和隔圈9均采用不導(dǎo)磁的鋁合金、銅或無磁不銹鋼等制成。本實(shí)施例中， 就本實(shí)用新型的單個(gè)產(chǎn)品而言，除上下2個(gè)磁軸承定子內(nèi)的永磁體充磁方向彼此相反外， 其它同實(shí)施例1。
權(quán)利要求1.一種垂直線圈內(nèi)轉(zhuǎn)子混合磁軸承，其包括 轉(zhuǎn)子(1)，包括:內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)(12)；轉(zhuǎn)子鐵心(11)，同軸套裝在該內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)(12)外側(cè)；以及 定子0)，包括定子盤(M)，包含有多個(gè)均勻分布的磁極(5)；多個(gè)線圈鐵心(22)，分別對(duì)稱設(shè)置在該定子盤04)上下兩側(cè)并沿該定子盤04)的周 向均勻分布，且每2個(gè)上下對(duì)稱設(shè)置的線圈鐵心0 分別與1個(gè)磁極(5)的位置對(duì)應(yīng)；以 及多個(gè)電磁線圈(21)，分別垂直套裝在各線圈鐵心02)上；以及所述轉(zhuǎn)子(1)設(shè)置在所述定子( 之內(nèi)；其中，所述多個(gè)磁極( 在內(nèi)邊緣處相連為一個(gè)整體圓環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直線圈內(nèi)轉(zhuǎn)子混合磁軸承，其中，所述定子盤04)呈圓環(huán) 狀，其包括上導(dǎo)磁極板041)；下導(dǎo)磁極板043)，位于所述上導(dǎo)磁極板041)下方；磁柱安裝盤042)，設(shè)置在所述上導(dǎo)磁極板(Ml)和下導(dǎo)磁極板( 之間，該磁柱安 裝盤( 不導(dǎo)磁；以及多個(gè)永磁體044)，被均勻嵌放在所述磁柱安裝盤042)內(nèi)，所述永磁體(M4)沿所述 定子盤04)的軸向同向充磁；以及所述上導(dǎo)磁極板(Ml)和下導(dǎo)磁極板( 分別被沿周向均勻分割成呈輻射狀的4個(gè) 磁極(5)，且每個(gè)所述下導(dǎo)磁極板( 的磁極被設(shè)置為與相應(yīng)的所述上導(dǎo)磁極板(Ml)的 磁極上下對(duì)稱。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的垂直線圈內(nèi)轉(zhuǎn)子混合磁軸承，其中，所述上導(dǎo)磁極板(Ml)的 4個(gè)磁極( 的相鄰磁極之間、以及所述下導(dǎo)磁極板( 的4個(gè)磁極( 的相鄰磁極之間 分別在內(nèi)邊緣處由通道(4)連成一個(gè)整體圓環(huán)，其中該通道由具有小截面積的導(dǎo)磁體 形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直線圈內(nèi)轉(zhuǎn)子混合磁軸承，其中，所述多個(gè)線圈鐵心02) 包括4個(gè)上線圈鐵心021)，位于所述定子盤04)上側(cè)；以及4個(gè)下線圈鐵心022)，位于所述定子盤04)下側(cè)并分別與所述4個(gè)上線圈鐵心(221) 的位置對(duì)稱；以及所述電磁線圈的個(gè)數(shù)為8個(gè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任意一項(xiàng)所述的垂直線圈內(nèi)轉(zhuǎn)子混合磁軸承，其中，所述轉(zhuǎn)子 (1)設(shè)置在所述定子內(nèi)，所述定子盤04)的內(nèi)環(huán)面與所述轉(zhuǎn)子(1)的轉(zhuǎn)子鐵心(11)的 外環(huán)面之間具有工作氣隙(3)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的垂直線圈內(nèi)轉(zhuǎn)子混合磁軸承，其中，所述定子 ⑵還包括上導(dǎo)磁蓋板(23)，設(shè)置在所述上線圈鐵心021)上方；下導(dǎo)磁蓋板( )，設(shè)置在所述下線圈鐵心(22 下方；以及所述上導(dǎo)磁蓋板(23)、上線圈鐵心021)、定子盤(M)、下線圈鐵心(22 和下導(dǎo)磁蓋 板06)分別通過4個(gè)連接桿0 依次連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的垂直線圈內(nèi)轉(zhuǎn)子混合磁軸承，其中，所述上導(dǎo)磁極板041)、永磁體044)、下導(dǎo)磁極板( 與所述轉(zhuǎn)子(1)和氣隙(3) 構(gòu)成永磁磁路(7)；以及所述上導(dǎo)磁蓋板(23)、上線圈鐵心021)及電磁線圈(21)、上導(dǎo)磁極板041)、氣隙 (3)、轉(zhuǎn)子(1)、下導(dǎo)磁極板(M3)、下線圈鐵心(222)及電磁線圈(21)和下導(dǎo)磁蓋板(26) 構(gòu)成電磁磁路(6)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的垂直線圈內(nèi)轉(zhuǎn)子混合磁軸承，其中，所述轉(zhuǎn)子 鐵心(11)包括上轉(zhuǎn)子鐵心和下轉(zhuǎn)子鐵心，所述上轉(zhuǎn)子鐵心和下轉(zhuǎn)子鐵心均具有疊片結(jié)構(gòu)。
9.一種組合式混合磁軸承，其由多個(gè)如權(quán)利要求1至8中任意一項(xiàng)所述的垂直線圈內(nèi) 轉(zhuǎn)子混合磁軸承組合而成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的組合式混合磁軸承，其中，所述混合磁軸承的個(gè)數(shù)為2個(gè)，分 別沿所述混合磁軸承的軸向上下疊置，在上下2個(gè)混合磁軸承的定子( 之間設(shè)置一塊非 導(dǎo)磁的隔環(huán)(8)，在上下2個(gè)混合磁軸承的轉(zhuǎn)子(1)之間設(shè)置一塊非導(dǎo)磁的隔圈(9)，所述 上下2個(gè)混合磁軸承的定子內(nèi)的永磁體044)的充磁方向彼此相反。
專利摘要一種垂直線圈內(nèi)轉(zhuǎn)子混合磁軸承及組合式混合磁軸承，所述混合磁軸承包括轉(zhuǎn)子和定子。其中所述轉(zhuǎn)子包括內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)；轉(zhuǎn)子鐵心，同軸套裝在該內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)外側(cè)。所述定子包括定子盤，包含有上導(dǎo)磁極板、下導(dǎo)磁極板、磁柱安裝盤和永磁體；多個(gè)線圈鐵心，分別對(duì)稱設(shè)置在定子盤上下兩側(cè)并沿定子盤的周向均勻分布，且每2個(gè)上下對(duì)稱設(shè)置的線圈鐵心分別與1個(gè)磁極的位置對(duì)應(yīng)；以及多個(gè)電磁線圈，分別垂直套裝在各線圈鐵心上；其中所述轉(zhuǎn)子設(shè)置在所述定子之內(nèi)；所述導(dǎo)磁極板分別被沿周向均勻分割成呈輻射狀的四磁極結(jié)構(gòu)，所述磁極在內(nèi)邊緣處相連為一個(gè)整體圓環(huán)。本實(shí)用新型的磁軸承的磁極在內(nèi)邊緣相連為一個(gè)整體圓環(huán)，構(gòu)成徑向均勻磁極，大大降低了轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)的渦流損耗。
文檔編號(hào)F16C32/04GK201874993SQ20102057666
公開日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者劉昆, 單小強(qiáng), 張立, 張育林, 肖凱 申請(qǐng)人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)