專利名稱：一種具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非接觸磁懸浮軸承，特別是一種具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，可作為磁懸浮飛輪、磁懸浮控制力矩陀螺、航空發(fā)動機(jī)、真空分子泵、高速機(jī)床和衛(wèi)星等系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)部件的無接觸支撐部件。
背景技術(shù)：
磁懸浮軸承按照磁力提供方式，可分為無源磁懸浮軸承(由永久磁鐵提供磁力，也稱被動磁懸浮軸承)、有源磁懸浮軸承(由電磁鐵提供磁力，也稱主動磁軸承)和混合磁懸浮軸承(由永久磁鐵和電磁鐵提供磁力)。由于無源磁懸浮軸承的穩(wěn)定域很小，而永磁偏置的混合磁軸承利用永磁體取代主動磁軸承中由勵磁電流產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁場，具有降低功率放大器損耗，減少電磁鐵安匝數(shù)，縮小磁軸承的體積和重量等優(yōu)點，所以永磁偏置的混合磁懸浮軸承得到了廣泛的應(yīng)用。在航空發(fā)動機(jī)、航天器等要求高可靠性的領(lǐng)域，為提高磁懸浮軸承系統(tǒng)的可靠性，要求磁懸浮軸承系統(tǒng)具有冗余和容錯功能，而目前具有容錯結(jié)構(gòu)的徑向磁軸承采用主動磁軸承結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，在具有冗余結(jié)構(gòu)的徑向磁懸浮軸承上用了6個線圈，其中每3個不相鄰的磁極和線圈組成一個徑向磁懸浮軸承，實際上這種具有冗余結(jié)構(gòu)的徑向磁懸浮軸承相當(dāng)于有兩個徑向磁懸浮軸承同時在工作，當(dāng)某一個軸承出現(xiàn)故障時，另一個軸承可以正常工作。這種結(jié)構(gòu)的徑向磁軸承通過電流產(chǎn)生靜態(tài)偏置磁場，具有功耗、質(zhì)量和體積大等缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有冗余結(jié)構(gòu)的功耗小、易于控制和高可靠性的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于定子和轉(zhuǎn)子之間為氣隙，定子由定子鐵心及繞在其上的激磁線圈組成，定子鐵心共有16個磁極，它們組成左右兩端8對磁極，左端的8個磁極和右端的8個磁極沿圓周均勻分布；轉(zhuǎn)子包括左轉(zhuǎn)子鐵心、右轉(zhuǎn)子鐵心、左外導(dǎo)磁環(huán)、右外導(dǎo)磁環(huán)和永磁體，左轉(zhuǎn)子鐵心和右轉(zhuǎn)子鐵心的外部是左外導(dǎo)磁環(huán)和右外導(dǎo)磁環(huán)，左外導(dǎo)磁環(huán)和右外導(dǎo)磁環(huán)之間為永磁體；定子鐵心左側(cè)不相鄰的4個磁極和右側(cè)定子鐵心不相鄰的4個磁極及其上的激磁線圈分別組成兩組互為冗余的定子磁極，整個裝置共組成兩個互為冗余的徑向磁軸承。
上述方案的原理是通過永磁體給磁軸承提供永磁偏置磁場，激磁線圈所產(chǎn)生的電磁場起調(diào)節(jié)作用，用來改變每極下磁場的強(qiáng)弱，保持磁軸承定轉(zhuǎn)子之間的氣隙均勻，并使轉(zhuǎn)子得到無接觸穩(wěn)定支撐。本發(fā)明的定子由定子鐵心及繞在其上的激磁線圈組成，定子鐵心共有16個磁極，它們組成左右兩端8對磁極，左端的8個磁極和右端的8個磁極沿圓周均勻分布；8對磁極中左右互不相鄰的4對磁極分別組成兩組定子磁極，這兩組定子磁極及轉(zhuǎn)子共組成兩個互為冗余的外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，當(dāng)其中一個徑向磁軸承正常工作時，另一個徑向磁軸承的激磁線圈不通過電流，作為備用磁軸承。以Y軸正方向磁路為例說明磁路，永磁磁路為磁通從永磁體N極出發(fā)，通過左外導(dǎo)磁環(huán)、左轉(zhuǎn)子鐵心、左側(cè)氣隙、定子鐵心磁極、右側(cè)氣隙、右轉(zhuǎn)子鐵心和右外導(dǎo)磁環(huán)回到永磁體S極，構(gòu)成磁懸浮軸承的永磁磁路，在氣隙中產(chǎn)生永磁偏置磁場，如圖2中的虛線所示。電磁磁路為以Y軸正方向電磁線圈電流產(chǎn)生的磁通為例，電磁通經(jīng)過定子鐵心+Y方向左端的定子磁極、+Y方向左端的氣隙、左轉(zhuǎn)子鐵心、-Y方向左端的氣隙、定子鐵心-Y方向左端的定子磁極、定子鐵心-Y方向右端的定子磁極、-Y方向右端的氣隙、右轉(zhuǎn)子鐵心、+Y方向右端的氣隙和定子鐵心+Y方向右端的定子磁極構(gòu)成閉合回路，如圖2、圖3和圖4中的實線所示。整個裝置共構(gòu)成兩個外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，備用徑向磁軸承的永磁磁路與正常工作徑向磁軸承的永磁磁路相同，電磁磁路為以Y’軸正方向電磁線圈電流產(chǎn)生的磁通為例，電磁通經(jīng)過定子鐵心+Y’方向左端的定子磁極、+Y’方向左端的氣隙、左轉(zhuǎn)子鐵心、-Y’方向左端的氣隙、定子鐵心-Y’方向左端的定子磁極、定子鐵心-Y’方向右端的定子磁極、-Y’方向右端的氣隙、右轉(zhuǎn)子鐵心、+Y’方向右端的氣隙和定子鐵心+Y’方向右端的定子磁極構(gòu)成閉合回路，如圖2、圖5和圖6中的實線所示。當(dāng)其中一個徑向磁軸承發(fā)生故障時，另一個備用徑向磁軸承進(jìn)入正常工作狀態(tài)，從而保證了磁軸承系統(tǒng)的高可靠性。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于本發(fā)明利用8對定子磁極及其上的激磁線圈，與左(右)外導(dǎo)磁環(huán)、永磁體、左(右)轉(zhuǎn)子鐵心構(gòu)成了具有冗余結(jié)構(gòu)的外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，具有結(jié)構(gòu)簡單，而且當(dāng)其中一個徑向混合磁軸承發(fā)生故障時，另一個備用的徑向磁軸承可進(jìn)入正常工作狀態(tài)，從而保證了整個系統(tǒng)的安全可靠運行。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是本發(fā)明的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承通過永磁體產(chǎn)生偏置磁場，可顯著降低具有冗余結(jié)構(gòu)的磁軸承功耗、體積和重量。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中具有容錯結(jié)構(gòu)的徑向主動磁軸承結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承剖面圖；圖3為本發(fā)明的具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承左端面截面圖；圖4為本發(fā)明的具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承右端面截面圖；圖5為本發(fā)明的具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承左端面?zhèn)溆脧较虼泡S承電磁磁路示意圖；圖6為本發(fā)明的具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承右端面?zhèn)溆脧较虼泡S承電磁磁路示意圖。
具體實施例方式
如圖2、圖3、圖4、圖5和圖6所示，本發(fā)明的一種具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子和轉(zhuǎn)子之間為氣隙7，定子由定子鐵心8及繞在其上的激磁線圈4組成，定子鐵心8共有16個磁極，它們組成左右兩端8對磁極，左端的8個磁極和右端的8個磁極沿圓周均勻分布；轉(zhuǎn)子包括左轉(zhuǎn)子鐵心3、右轉(zhuǎn)子鐵心5、左外導(dǎo)磁環(huán)2、右外導(dǎo)磁環(huán)6和永磁體1，左轉(zhuǎn)子鐵心3和右轉(zhuǎn)子鐵心5的外部是左外導(dǎo)磁環(huán)2和右外導(dǎo)磁環(huán)6，左外導(dǎo)磁環(huán)2和右外導(dǎo)磁環(huán)6之間為永磁體1；定子鐵心8左側(cè)不相鄰的4個磁極9、11、13、15或作為冗余的不相鄰的4個磁極10、12、14、16和右側(cè)定子鐵心不相鄰的4個磁極17、19、21、23或作為冗余的不相鄰的4個磁極18、20、22、24及其上的激磁線圈4分別組成兩組互為冗余的定子磁極，整個裝置共組成兩個互為冗余的徑向磁軸承。
上述本發(fā)明所用的左外導(dǎo)磁環(huán)2和右外導(dǎo)磁環(huán)6均用導(dǎo)磁性能良好的材料制成，如電工純鐵、各種低碳鋼、1J50和1J79等磁性材料。左轉(zhuǎn)子鐵心3、右轉(zhuǎn)子鐵心5和定子鐵心8可用導(dǎo)磁性能良好的電工薄鋼板如電工硅鋼板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79等磁性材料沖壓迭制而成。永磁體1的材料為磁性能良好的稀土永磁體或鐵氧體永磁體，永磁體1為一圓環(huán)，沿軸向充磁。激磁線圈4用導(dǎo)電良好的電磁線繞制后真空浸漆烘干而成。
權(quán)利要求
1.一種具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，由定子和轉(zhuǎn)子組成，其特征在于定子和轉(zhuǎn)子之間為氣隙(7)，定子由定子鐵心(8)及繞在其上的激磁線圈(4)組成，定子鐵心(8)共有16個磁極，它們組成左右兩端8對磁極，左端的8個磁極和右端的8個磁極沿圓周均勻分布；轉(zhuǎn)子包括左轉(zhuǎn)子鐵心(3)、右轉(zhuǎn)子鐵心(5)、左外導(dǎo)磁環(huán)(2)、右外導(dǎo)磁環(huán)(6)和永磁體(1)，左轉(zhuǎn)子鐵心(3)和右轉(zhuǎn)子鐵心(5)的外部是左外導(dǎo)磁環(huán)(2)和右外導(dǎo)磁環(huán)(6)，左外導(dǎo)磁環(huán)(2)和右外導(dǎo)磁環(huán)(6)之間為永磁體(1)；定子鐵心(8)左側(cè)不相鄰的4個磁極(9)、(11)、(13)、(15)或不相鄰的4個磁極(10)、(12)、(14)、(16)和右側(cè)定子鐵心不相鄰的4個磁極(17)、(19)、(21)、(23)或不相鄰的4個磁極(18)、(20)、(22)、(24)及其上的激磁線圈(4)分別組成兩組互為冗余的定子磁極，整個裝置共組成兩個互為冗余的徑向磁軸承。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于所述的永磁體(1)采用稀土永磁材料或鐵氧體永磁材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于所述的永磁體(1)為一個圓環(huán)，沿軸向充磁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于所述的左外導(dǎo)磁環(huán)(2)和右外導(dǎo)磁環(huán)(6)均采用導(dǎo)磁性能良好的材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于所述的左轉(zhuǎn)子鐵心(3)、右轉(zhuǎn)子鐵心(5)和定子鐵心(8)采用導(dǎo)磁性能良好的軟磁材料制成。
全文摘要
一種具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其特征在于由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子和轉(zhuǎn)子之間為氣隙，定子由定子鐵心及繞在其上的激磁線圈組成，定子鐵心共有16個磁極，它們組成左右兩端8對磁極，左端的8個磁極和右端的8個磁極沿圓周均勻分布；轉(zhuǎn)子包括左(右)轉(zhuǎn)子鐵心、左(右)外導(dǎo)磁環(huán)和永磁體，左(右)轉(zhuǎn)子鐵心的徑向外部是左(右)外導(dǎo)磁環(huán)，左、右外導(dǎo)磁環(huán)之間為永磁體，兩組定子磁極和轉(zhuǎn)子共組成兩個互為冗余的外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承。本發(fā)明使外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了冗余，當(dāng)一個磁軸承發(fā)生故障時，另一個磁軸承可正常工作，從而降低了冗余磁軸承體積、重量和功耗，并顯著提高了磁軸承系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號F16C32/04GK1995768SQ20071006327
公開日2007年7月11日 申請日期2007年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月5日
發(fā)明者韓邦成, 房建成, 孫津濟(jì), 劉剛 申請人:北京航空航天大學(xué)