[发明专利]一种轴向电磁轴承

说明书

技术领域

本发明涉及一种电磁力悬浮轴承，尤其是外接控制电流永磁偏置的轴向主动式电磁轴承，它用于转子或非转动部件的无接触磁力支撑。

背景技术

磁力轴承一般分主动式和被动式两大类，主动式是指外界输入电能量并产生控制力的型式比如200510011272.2一种低功耗永磁偏置轴向磁轴承，是磁力轴承的主流；被动式通常是靠被承载部件的运动能量转换而显控制力，如超导磁力轴承、动阻尼轴承比如美国专利US6304015magneto-dynamic bearing以及永磁斥力轴承等。根据恩绍定理仅用永磁轴承不能构建整个悬浮稳定系统。主动式电磁轴承广义上来说，包括电磁轴承执行器、传感器和控制器三部分，习惯上将电磁轴承执行器称为电磁轴承，它们通常是以磁铁磁极对铁磁材料的吸力的原理来实现悬浮。在许多应用场合，都希望电磁轴承的出力大体积小尤其是轴向尺寸要小，但是由于本质原因它与普通的滚动轴承相比，同承载力的轴承前者要比后者体积大出许多。

现有技术的电磁力悬浮轴向轴承即所谓推力轴承，两侧具有对吸磁极，等量增减改变两侧的控制电流，产生与电流呈线性关系的控制力。比如中国专利200710135188.0永磁偏置轴向径向磁轴承，是一种相对结构紧凑的混合型电磁轴承，共用一对偏置永磁，但是它的轴向尺寸还是不够小。200510011272.2一种低功耗永磁偏置轴向磁轴承，在偏置永磁边设激磁气隙，它也是偏置永磁的磁短路通道，造成永磁利用率不高，特点是所有磁极都参与产生执行力的工作。

电磁轴承执行力ΔF_z并不仅仅是控制电流i_z的单调函数，它同时与转子的位移量z有关：

ΔF_z＝k_zzz+k_zii_z，

式中k_zz为电磁轴承的位移刚度恒小于零；k_zi为电磁轴承的电流刚度。参见《可控磁悬浮转子系统》虞烈著，科学出版社2003年第一版，第38页第16行至19行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种主动式永磁偏置的轴向电磁轴承，既要结构紧凑，轴向尺寸小，制作工艺简单，还要控制执行力出力大，永磁体安全，效率高。

为解决上述技术问题，本发明的基本构思是：采用集中绕组，转子吸盘的两侧分别设永磁偏置的定子磁极，其中一是高磁通密度小磁极，另一是低磁通密度大磁极，它们之间安置偏置永磁体，转子吸盘在定子磁极中间，它们之间为气隙，形成两个偏置磁场的磁路。集中绕组的铁芯将两侧定子铁芯的高磁通密度小磁极联系在一起，集中绕组设在转子吸盘径向的顶部位置，绕组中流过控制电流时，磁动势将一侧的偏置磁场磁通拉到另一侧，使一侧小磁极的气隙磁通密度变小，而另一侧的小磁极气隙磁通密度变大，形成吸力差产生控制力。设定两侧定子的高磁通密度小磁极之间距离的中点为轴向零位。

为实现本发明的基本构思的技术方案是：一种永磁偏置的轴向电磁轴承，它包括偏置永磁体、定子铁芯、转子吸盘和气隙，其特征在于位于转子吸盘两侧的定子铁芯均设有一副高磁通密度小磁极和低磁通密度大磁极，它们的极面面积之比小于等于0.5，偏置永磁体吸附在高磁通密度的小磁极和低磁通密度的大磁极之间，两侧的高磁通密度的小磁极极性相同，它们轴向面对转子吸盘，绕组铁芯将它们联接在一起，集中绕组位于转子吸盘的径向空间，并且处在绕组铁芯的凹腔内。

轴向电磁轴承可以是转子在外定子在内，即所述的转子可以是外转子，定子是内定子。也可以转子在内定子在外，即所述的转子可以是内转子，定子是外定子。

集中绕组设置在绕组铁芯的凹腔内，能使绕组通电流后在该铁芯中产生磁动势，来干预偏置磁场磁通。

绕组铁芯可以是定子铁芯的一部份，高磁通密度的小磁极和低磁通密度的大磁极也可以是定子铁芯的一部份。

当集中绕组中流过控制电流时，绕组铁芯中产生磁动势，将一侧高磁通密度小磁极中的部分永磁偏置磁通引入绕组铁芯，再送入另一侧的高磁通密度小磁极经另一侧气隙至转子吸盘，然后经原始侧的气隙回到原始侧的低磁通密度大磁极进入永磁体。一侧小磁极气隙的磁通密度变小，而另一侧小磁极气隙的磁通密度变大形成吸力差产生控制力。工作中永磁体的总磁通和自身磁动势几乎不变，保持在最佳工作点附近，使得材料最省，且无退磁的风险。