[发明专利]一种永磁上吸下斥结构的低功耗外转子径向磁轴承

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，是一种永磁上吸下斥结构的低功耗外转子径向磁轴承，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，机床、交通运输等旋转设备的无接触支撑部件。

背景技术

磁悬浮轴承按照励磁提供方式，分为三类：无源磁悬浮轴承(由永磁体提供磁力，也称被动磁悬浮轴承)、有源磁悬浮轴承(由电磁铁提供磁力，也称主动磁轴承)、混合磁悬浮轴承(由永磁体和电磁铁共同提供磁力)。无源磁悬浮轴承的稳定域很小，而且不可控，不能实现真正的稳定悬浮，有源磁悬浮轴承采用电流产生偏置磁场，工作电流大、功耗大，混合磁悬浮轴承利用永磁体磁场代替电流产生的偏置磁场，使永磁偏置磁场承担主要的承载力，电磁磁场提供辅助的调节承载力，降低了功率损耗，减少了励磁线圈的安匝数，另一方面为实现低功耗，励磁线圈产生的磁通不应该通过永磁体，但现有的永磁偏置磁悬浮轴承，一般是在电磁磁路上放置永磁体，然后在永磁体的下面或侧面预留特定大小的空气隙，以允许电磁场通过。该类永磁偏置电磁调节轴承中，永磁偏置磁场从±X、±Y四个方向，对磁悬浮转轴产生大小相等的吸引力，且合力为零，并不能抵消转子本身的重力，所以励磁电流不是最小，系统功耗不是最低；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，但磁通密度减少一侧的磁通不可能完全为零，这种非零磁场将产生径向调节的阻力，影响动态响应的速度；依靠特定大小的空气隙将永磁磁路和电磁磁路分开，若空气隙过大，电磁通过阻力较大，若空气隙过小，永磁建立的偏置磁场将变弱。所以目前永磁偏置磁悬浮轴承存在重力干扰、功耗大、动态响应差、磁路交叉等缺点。本专利采用永磁上吸下斥的结构抵消了转轴的重力，并将永磁磁路和电磁磁路相分离，降低了功耗，提高了动态响应特性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种无重力状态的，低功耗的，磁路分离的，控制简单的，加工组装方便的，永磁上吸下斥的外转子径向磁轴承。

本发明的技术解决方案为：上吸下斥结构的低功耗外转子径向磁轴承，其基本特征在于：由外导磁环，外绝磁环，定子铁芯，励磁线圈，内永磁半环，转子铁芯，内绝磁环，内导磁环，外永磁环，空气隙和转子轴组成。定子铁芯包括电磁铁芯环和永磁铁芯，每个电磁铁芯组成4个方向的磁极，在每个电磁铁芯上都绕有励磁线圈，分别分布在X轴、Y轴的正负方向，左右两端电磁铁芯共组成8个电磁磁极，在Y轴的正负两个方向上还各有2个半圆环永磁铁芯2，形成4个半圆环面永磁磁极，永磁铁芯环和电磁铁芯都固定在内导磁环上，永磁铁芯环和电磁铁芯之间采用内绝磁环隔离磁路，定子Y轴负方向，两个永磁铁芯环中间，通过内导磁环夹着内永磁半环。定子铁芯的外部是转子铁芯，定子铁芯外表面与转子铁芯内表面之间有一定的间隙，形成空气隙，转子铁芯包括永磁铁芯环和电磁铁芯环，永磁铁芯环和电磁铁芯环都固定在外导磁环上，永磁铁芯环和电磁铁芯环之间是外绝磁环，永磁铁芯环和永磁铁芯环之间是外导磁环，外导磁环中间夹着外永磁环。

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，来抵消转子自身的重力，使转子工作在无重力状态下，而励磁线圈产生的电磁场主要起到调节转子平衡位置的作用。本发明的上吸永磁磁路为：磁通从外永磁环N极出发，通过一端外导磁环、转子永磁铁芯、气隙、定子永磁铁芯、内导磁环，到达另一端的定子永磁铁芯、气隙、转子永磁铁芯、另一端的外导磁环，回到永磁体S极。下斥永磁磁路分为2路：(1)磁通从外永磁环N极出发，通过一端外导磁环、转子永磁铁芯、气隙、到达另一端的转子永磁铁芯、另一端的外导磁环，回到永磁体S极。(2)磁通从内永磁半环N极出发，通过一端内导磁环、定子永磁铁芯、气隙、到达另一端的定子永磁铁芯、另一端的内导磁环，回到永磁体S极，如图1所示。以某端Y轴正方向励磁线圈通电产生磁通为例，其电磁磁路路径为：通过Y轴正方向定子铁芯、Y轴正方向气隙、转子铁芯、另外三个方向气隙、另外三个方向的定子铁芯，回到Y轴正方向定子铁芯，如图2所示。