[发明专利]一种轴向磁轴承

说明书

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种可控制径向扭转的轴向磁轴承，可作为小卫星等航天器中旋转部件的无接触支撑。

背景技术

常用磁悬浮轴承分电磁偏置式和永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，前者采用电流产生偏置磁场，因此工作电流大、功耗大，后者利用永磁体替代电流产生偏置磁场，永磁体产生的磁场承担主要的承载力，电磁磁场提供辅助的调节承载力，因而这种轴承可大大减小控制电流，降低损耗。现有多数结构的轴向磁轴承定子结构都是整圆结构，对转子只能进行轴向平动控制，无法对转子进行径向扭动控制，因而在要求系统整体轴向长度较小的应用场合中难以得到应用，特别是现有的飞轮系统，通常做成外转子结构形式以减小整体体积，利用成对使用的径向磁轴承控制扭转，所以成对使用的径向磁轴承之间必须要有一定的跨距，这就带来了轴向长度的增加。而现有的三自由度轴向磁轴承，由于其沿内环铁心和外环铁心沿圆周方向分为4个磁极，因此磁场在转子旋转一周时需要交变4次，在高速旋转时功耗仍然不可忽视。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种旋转损耗低、可进行径向扭动控制的轴向磁轴承。

本发明的技术解决方案为：该轴向磁轴承由定子部分和转子组成，定子部分由内环定子铁心、外环定子铁心、永磁体以及线圈组成，其中内环定子铁心为一整环结构，外环定子铁心有两个定子铁心磁极，沿+Y、-Y方向或+X、-X方向放置，每个定子铁心磁极上绕制有线圈，内定子铁心和外定子铁心与转子之间形成轴向磁气隙，永磁体的径向内侧与内环定子铁心相连，径向外侧与外环定子铁心相连。

所述的永磁体采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成，并为径向充磁。

所述的内环定子铁心和外环定子铁心采用导磁性能良好的材料叠压而成，与转子之间形成的轴向磁气隙为0.2-0.4mm。

所述的转子为导磁性能良好的材料制成的推力圆盘，或者为导磁性能良好的材料制成的系统转动部分的一部分。

上述方案的原理是：永磁体给磁轴承提供永磁偏置磁场，承担磁轴承所受的轴向力，激磁线圈产生的磁场起调节作用，保持磁轴承定转子气隙均匀，并使转子得到无接触支撑。本发明的永磁磁路通过永磁体、内环定子铁心磁极、外环定子铁心磁极、磁气隙以及转子构成闭合回路，形成磁悬浮轴承的主磁路；由于永磁体将内环定子铁心和外环定子铁心磁极“隔开”(永磁体磁阻大，对电磁磁路来讲是一个很大的磁阻)，因此外环定子铁心磁极绕制的线圈通电后产生的电磁磁路仅在两个外环定子铁心磁极之间形成电磁磁路。这样保证了电磁磁路不通过永磁体内部，减小了电磁磁路的磁阻，降低了激磁电流，降低了轴承的功耗。本发明的轴向磁轴承必须成对使用，安装时要保证上下两个轴向磁轴承的定子铁心磁极正交，即要保证其中一个轴向磁轴承的外环定子铁心磁极沿+Y和-Y方向放置，则另一个轴向磁轴承的外环定子铁心必须沿+X和-X方向放置。永磁体在外环定子铁心磁极与转子之间气隙处产生的磁通方向相同，而外环定子铁心磁极上的线圈通电在外环两个定子铁心磁极与转子之间的气隙处产生的磁通方向相反，因此当转子发生径向扭转时，通过调节线圈电流可以实现电磁磁通在一个外环定子磁极与转子之间的气隙处与永磁磁通相叠加，而在另一个外环定子磁极与转子之间气隙处与永磁磁通相抵消，因此可以产生径向方向的回转力矩使转子恢复到平衡位置。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明由于采用永磁磁场作为偏置磁场，与传统电磁轴承相比消除了在线圈电流中占主要分量的偏置电流，降低了绕组铜耗和控制功放损耗，因此功耗低。与现有的永磁偏置轴向磁轴承相比，本发明所述的永磁偏置轴向磁轴承的定子部分采用了内环定子铁心和外环定子铁心的形式，并且采用内环定子铁心为整圆环结构、外环定子铁心有2个磁极，因而在成对使用时可实现转子的径向扭动控制，并且使得转子旋转一周时气隙中的磁场只有两次交变，减小了现有三自由度轴向磁轴承旋转损耗的缺陷，在实现系统减小轴向长度的同时，可以大大减小高速下的旋转损耗。

附图说明

图1为本发明的轴向磁轴承定子结构示意图。

图2为本发明的轴向磁轴承定子结构爆炸图。

图3为本发明的轴向磁轴承组件图。

图4为采用本发明的两个轴向磁轴承的安装示意图。

具体实施方式