專利名稱：一種單邊混合型軸向磁軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁軸承的結(jié)構(gòu)，具體是一種單邊混合型軸向磁軸承。
背景技術(shù)：
磁懸浮軸承又可簡稱為磁軸承，其工作原理是利用定子與轉(zhuǎn)子圓盤之間的磁力作用將轉(zhuǎn)子圓盤懸浮，是一種無接觸支撐的高性能軸承。由于其定轉(zhuǎn)子圓盤之間沒有機械接觸，所以磁軸承具有摩擦功耗較小、承受轉(zhuǎn)速高、壽命長和維護成本低等優(yōu)點。目前磁軸承按照磁力產(chǎn)生方式，可以分為三類:
第一類是被動磁軸承，懸浮力由永磁體提供，其功耗小，但需要另加控制器實現(xiàn)可控懸浮。第二類是主動磁軸承，通過線圈分別產(chǎn)生偏置和控制電流，提供磁場，兩者疊加產(chǎn)生可控懸浮力，其體積功耗均較大。第三類是混合型磁軸承，采用永磁材料取代主動磁軸承中電磁線圈產(chǎn)生偏置磁場，電磁線圈提供的只是平衡轉(zhuǎn)子圓盤擾動的控制磁場，降低了因偏置電流產(chǎn)生的功耗，電磁所用的線圈匝數(shù)也減少了一半，減少了磁軸承的體積，減輕了其重量，并提高了其承載力。

軸向磁軸承是一種利用定轉(zhuǎn)子圓盤之間的電磁力實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸在軸向方向懸浮的支承裝置?，F(xiàn)在混合型軸向磁軸承在工程中的應(yīng)用越來越廣泛，可應(yīng)用于飛輪儲能裝置、渦流分子泵、高速銑床主軸等系統(tǒng)，主要實現(xiàn)軸向無接觸支承，解決了機械軸承損耗、潤滑和疲勞時間的問題。在混合型軸向磁軸承拓撲研究中，常見的結(jié)構(gòu)有四種，1、控制磁通經(jīng)過永磁體，其拓撲設(shè)計思路是在普通的主動控制軸向磁軸承基礎(chǔ)上，在電磁磁路上安裝永磁體，來產(chǎn)生固定的偏置力，但由于永磁體磁阻很大，漏磁較大，功耗大，磁路非線性明顯，不適用于高速高效的場合。2、在磁路中設(shè)計主、副氣隙，分離控制和永磁磁路，但這樣增加氣隙長度，使永磁體和電磁線圈利用率低，存在漏磁。3、在轉(zhuǎn)子圓盤上安裝永磁體，永磁體利用率高，但是安裝難度大，不適合高速場合。4、定子為雙邊對稱結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子圓盤置于對稱定子圓盤內(nèi)部，控制簡單，但由雙邊產(chǎn)生偏置力結(jié)構(gòu)冗余，體積大，軸向長度長，轉(zhuǎn)軸易彎折，剛度較差，不適用于軸向負荷的場合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種單邊混合型軸向磁軸承，其結(jié)構(gòu)簡單，功耗小，體積小，加工安裝方便，控制簡單，軸向剛度大，能夠用于軸向單邊大承載力的場合。此發(fā)明將應(yīng)用于垂直放置的飛輪儲能裝置、渦輪分子泵、高速銑床主軸等立式結(jié)構(gòu)中。技術(shù)方案為:
一種單邊混合型軸向磁軸承，由定子組件和轉(zhuǎn)子組件組成，上述定子組件由環(huán)形環(huán)形內(nèi)磁極、環(huán)形永磁體、環(huán)形外磁極從內(nèi)到外依次裝配組成，其中，環(huán)形外磁極上沿軸向開有一與其同心的圓形槽，控制繞組繞制在所述圓形槽內(nèi)；
轉(zhuǎn)子組件包括轉(zhuǎn)子圓盤及轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)子圓盤熱套在轉(zhuǎn)軸上；
永磁體在定子內(nèi)外磁極相對應(yīng)轉(zhuǎn)子圓盤圓盤的氣隙上產(chǎn)生不同極性的磁場，形成懸浮力；該軸向磁軸承還安裝有用于檢測轉(zhuǎn)子圓盤偏離其平衡位移量的位移傳感器，該位移傳感器經(jīng)過控制器、功率放大器，與上述控制繞組相連。定子組件中環(huán)形永磁體徑向充磁，采用釹鐵硼或鐵氧體永磁材料制成，其軸向長度等于環(huán)形環(huán)形內(nèi)磁極的軸向長度；環(huán)形環(huán)形內(nèi)磁極與環(huán)形外磁極均用導(dǎo)磁材料制成，轉(zhuǎn)子圓盤圓盤是由導(dǎo)磁材料制成的推力圓盤。定子組件與轉(zhuǎn)子圓盤圓盤的軸向長度相等。所述轉(zhuǎn)子圓盤由硅鋼片疊加而成。該裝置一般使用在立式旋轉(zhuǎn)機械中，或者單邊持續(xù)受力的機構(gòu)中。工作原理:
利用定子組件中徑向充磁的永磁體來提供靜態(tài)磁場，通過環(huán)形環(huán)形內(nèi)磁極、環(huán)形外磁極和轉(zhuǎn)子圓盤圓盤形成閉合的磁路，當(dāng)轉(zhuǎn)子圓盤圓盤在平衡位置的時候，產(chǎn)生與磁軸承所受自然軸向力相等的力，其作用是平衡磁軸承所受的軸向力(如重力等)同時產(chǎn)生偏置力?？刂评@組產(chǎn)生的磁場起調(diào)節(jié)作用，當(dāng)轉(zhuǎn)子圓盤偏離平衡位置的時候，通過改變控制電流的大小來改變氣隙磁場的強弱，使轉(zhuǎn)子圓盤回到平衡位置，保證磁軸承與機械設(shè)備旋轉(zhuǎn)部分之間的氣隙大小不變，使旋轉(zhuǎn)機械在軸向始終能保持在平衡位置。

有益效果:
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)在工程應(yīng)用中的不足，具有以下四點優(yōu)點:
第一、本發(fā)明中定子環(huán)形內(nèi)磁極僅通過永磁磁路，環(huán)形外磁極的控制磁路和永磁磁路并聯(lián)，電磁磁路不經(jīng)過永磁體,永磁體利用率高,漏磁小。采用永磁體提供軸向力，平衡軸向承載力，與傳統(tǒng)電磁軸承相比降低了繞組銅耗和控制功放的損耗，因此功耗低，適用于高效的場合。第二、控制簡單，分開計算永磁偏置和電磁控制電流產(chǎn)生的力的大小，同時根據(jù)麥克斯韋力公式，當(dāng)轉(zhuǎn)子圓盤偏離平衡位置時，氣隙長度變化，只要保證控制磁路的變化與永磁磁路變化相同即可保證力的大小不變，控制簡單方便。第三、定子組件軸向長度一致，轉(zhuǎn)子圓盤為整體式，定、轉(zhuǎn)子圓盤之間的氣隙均勻，漏磁小，同時軸向長度短，在工程應(yīng)用中便于安裝，便于控制，特別適用于飛輪儲能裝置、渦輪分子泵、壓縮機等高速應(yīng)用的場合。第四、采用單邊受力方案，去除了冗余的對稱受力，適用于軸向負荷的場合，同時減少了磁軸承的軸向長度，增加了轉(zhuǎn)軸的剛度。


圖1是單邊混合型軸向磁軸承的結(jié)構(gòu)平面示意 圖2是單邊混合型軸向磁軸承定子部分的下視 圖3是單邊混合型軸向磁軸承的原理 其中1、環(huán)形內(nèi)磁極；2、永磁體；3、環(huán)形外磁極；4、控制繞組；5、轉(zhuǎn)子圓盤；6、轉(zhuǎn)軸；a f均為氣隙，(a、f)為控制磁路經(jīng)過的氣隙，(c、d)為永磁體磁路經(jīng)過的氣隙，(b、e)為共同經(jīng)過的磁路,單箭頭虛線表示控制繞組產(chǎn)生的磁路,雙箭頭虛線表示永磁體產(chǎn)生的磁路。
具體實施例方式如圖1、2所示，是單邊混合型軸向磁軸承的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中的定子組件由環(huán)形內(nèi)磁極1、環(huán)形永磁體2、環(huán)形外磁極3組成；其中環(huán)形內(nèi)磁極1、環(huán)形外磁極3由電工純鐵制成?？刂评@組4繞制在環(huán)形外磁極3的槽內(nèi)，加工安裝方便。
環(huán)形內(nèi)磁極1、環(huán)形永磁體2和環(huán)形外磁極3由內(nèi)而外用厭氧膠依次粘貼，上述各結(jié)構(gòu)均為盤狀，軸向長度均相等。定子組件位于轉(zhuǎn)子組件的單邊(可以為上部也可為下部)，定、轉(zhuǎn)子圓盤之間的氣隙均勻，便于轉(zhuǎn)子圓盤5高速運行。圖中轉(zhuǎn)子組件由轉(zhuǎn)子圓盤5以及轉(zhuǎn)軸組成，轉(zhuǎn)子圓盤5熱套在轉(zhuǎn)軸6上，轉(zhuǎn)子圓盤5為盤式結(jié)構(gòu)的實心電工純鐵，便于高速場合，轉(zhuǎn)子圓盤5用硅鋼片疊加，以此減少渦流損耗。上述的控制繞組4繞制在環(huán)形外磁極3的圓槽內(nèi)，采用集中式繞組，只產(chǎn)生控制磁場，控制繞組產(chǎn)生的磁通分別經(jīng)過環(huán)形外磁極、氣隙a (氣隙f)、轉(zhuǎn)子圓盤5、氣隙b (氣隙e)構(gòu)成回路?？刂评@組不產(chǎn)生偏置磁場，便于控制。上述的環(huán)形永磁體2用釹鐵硼制成，分別貼在環(huán)形內(nèi)磁極I的外圓和環(huán)形外磁極3的內(nèi)圓上。這種結(jié)構(gòu)使環(huán)形永磁體產(chǎn)生的磁通分別經(jīng)過環(huán)形內(nèi)磁極1、氣隙c (氣隙d)、轉(zhuǎn)子圓盤5、氣隙b (氣隙e)、環(huán)形外磁極3形成回路。如圖3所示，為本發(fā)明的磁路原理圖，雙箭頭為永磁磁路，單箭頭為控制磁路。永磁磁路與控制磁路分離，互不干擾，不會產(chǎn)生耦合。
權(quán)利要求
1.一種單邊混合型軸向磁軸承，由定子組件和轉(zhuǎn)子組件組成，其特征在于: 上述定子組件由環(huán)形內(nèi)磁極(I)、環(huán)形永磁體(2 )、環(huán)形外磁極(3 )從內(nèi)到外依次裝配組成，其中，環(huán)形外磁極(3)上沿軸向開有一與其同心的圓形槽，控制繞組繞制在所述圓形槽內(nèi)； 轉(zhuǎn)子組件包括轉(zhuǎn)子圓盤(5)及轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)子圓盤(5)熱套在轉(zhuǎn)軸上； 永磁體(2)在定子內(nèi)外磁極相對應(yīng)轉(zhuǎn)子圓盤(5)的氣隙上產(chǎn)生不同極性的磁場，形成懸浮力；該軸向磁軸承還安裝有用于檢測轉(zhuǎn)子圓盤偏離其平衡位移量的位移傳感器，該位移傳感器經(jīng)過控制器、功率放大器，與上述控制繞組相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單邊混合型軸向磁軸承，其特征在于:定子組件中環(huán)形永磁體(2)徑向充磁，采用釹鐵硼或鐵氧體永磁材料制成，其軸向長度等于環(huán)形環(huán)形內(nèi)磁極(I)的軸向長 度；環(huán)形內(nèi)磁極(I)與環(huán)形外磁極(3)均用導(dǎo)磁材料制成,轉(zhuǎn)子圓盤(5)是由導(dǎo)磁材料制成的推力圓盤。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單邊混合型軸向磁軸承，其特征在于:定子組件與轉(zhuǎn)子圓盤(5)的軸向長度相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單邊混合型軸向磁軸承，其特征在于:所述轉(zhuǎn)子圓盤(5)由硅鋼片疊加而成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁軸承的結(jié)構(gòu)，具體是一種單邊混合型軸向磁軸承。由定子組件和轉(zhuǎn)子組件組成，上述定子組件由環(huán)形環(huán)形內(nèi)磁極、環(huán)形永磁體、環(huán)形外磁極從內(nèi)到外依次裝配組成，其中，環(huán)形外磁極上開有圓形槽，控制繞組繞制在所述圓形槽內(nèi)；轉(zhuǎn)子組件包括轉(zhuǎn)子圓盤及轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)子圓盤熱套在轉(zhuǎn)軸上；本發(fā)明具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單加工方便等優(yōu)點，可以適用在承載力大的場合，單邊式結(jié)構(gòu)可以安裝在軸的任意端，作為電機、機床等機械設(shè)備中有軸向承載力(如重力)的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)無接觸式支撐。特別適用于立式結(jié)構(gòu)或軸向有持續(xù)承載力的場合，如飛輪儲能結(jié)構(gòu)或者渦輪機機構(gòu)中。
文檔編號F16C32/04GK103216528SQ20131013979
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者王曉琳, 鄒望蠡, 謝磊 申請人:南京航空航天大學(xué)