專利名稱:一種具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向混合磁軸承的制作方法
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)子徑向混合磁軸承，可作為磁懸浮飛輪、磁懸浮控制力矩陀螺、航空發(fā)動(dòng)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(wú)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(wú)源磁懸浮軸承(由永久磁鐵提供磁力，也稱被動(dòng)磁懸浮軸承)、有源磁懸浮軸承(由電磁鐵提供磁力，也稱主動(dòng)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(wú)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(dòng)磁軸承中由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁場(chǎng)，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(diǎn)，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(dòng)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，要求具有冗余和容錯(cuò)功能，而目前具有冗余結(jié)構(gòu)的徑向磁軸承為主動(dòng)磁軸承，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(gè)線圈，其中每3個(gè)不相鄰的磁極和線圈組成一個(gè)徑向磁懸浮軸承，實(shí)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(gè)徑向磁懸浮軸承同時(shí)在工作，當(dāng)某一個(gè)軸承出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)軸承可以正常工作。這種結(jié)構(gòu)的徑向磁軸承通過(guò)電流產(chǎn)生靜態(tài)偏置磁場(chǎng)，具有功耗、質(zhì)量和體積大等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)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、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制和高可靠性的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向混合磁軸承。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向混合磁軸承，其特征在于由左外導(dǎo)磁環(huán)、右外導(dǎo)磁環(huán)、永磁體、左轉(zhuǎn)子鐵心、右轉(zhuǎn)子鐵心、左定子鐵心、右定子鐵心、激磁線圈和內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)組成。左轉(zhuǎn)子鐵心和右轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部分別是左定子鐵心和右定子鐵心，左定子鐵心和右定子鐵心內(nèi)部是內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)，內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)與左定子鐵心和右定子鐵心相連，左定子鐵心和右定子鐵心外表面與左轉(zhuǎn)子鐵心和右轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)表面之間形成空氣隙。左轉(zhuǎn)子鐵心和右轉(zhuǎn)子鐵心與分別與左外導(dǎo)磁環(huán)和右外導(dǎo)磁環(huán)相連接，永磁體位于左外導(dǎo)磁環(huán)和右外導(dǎo)磁環(huán)之間。左定子鐵心和右定子鐵心共組成16個(gè)磁極，左定子鐵心的8個(gè)磁極和右定子鐵心的8個(gè)磁極沿圓周均勻分布，每個(gè)磁極上繞有激磁線圈，左定子鐵心不相鄰的4個(gè)磁極和右定子鐵心不相鄰的4個(gè)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(gè)裝置共組成兩個(gè)互為冗余的徑向混合磁軸承。
上述方案的原理是永磁體給磁軸承提供永磁偏置磁場(chǎng)，激磁線圈所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)起調(diào)節(jié)作用，用來(lái)改變每極下磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，保持磁軸承定轉(zhuǎn)子氣隙均勻，并使轉(zhuǎn)子得到無(wú)接觸支撐。本發(fā)明的左定子鐵心和右定子鐵心組成16個(gè)磁極，左定子鐵心的8個(gè)磁極和右定子鐵心的8個(gè)磁極沿圓周均勻分布，每個(gè)磁極上繞有激磁線圈，左定子鐵心不相鄰的4個(gè)磁極和右定子鐵心不相鄰的4個(gè)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(gè)裝置共組成兩個(gè)互為冗余的徑向混合磁軸承。當(dāng)其中一個(gè)徑向磁軸承正常工作時(shí)，另一個(gè)徑向磁軸承的激磁線圈不通過(guò)電流，作為備用磁軸承。以Y軸正向磁路為例，永磁磁路為磁通從永磁體N極出發(fā)，通過(guò)左外導(dǎo)磁環(huán)、左轉(zhuǎn)子鐵心、空氣隙、左定子鐵心、內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)、右定子鐵心、空氣隙、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，在空氣隙中產(chǎn)生永磁偏置磁場(chǎng)，如圖2中的虛線所示。電磁主磁路有兩路，其中一路為左定子鐵心+Y方向的定子磁極、+Y方向的空氣隙、左轉(zhuǎn)子鐵心、-Y方向空氣隙和左定子鐵心-Y方向的定子磁極構(gòu)成閉合回路，如圖2和圖3中的實(shí)線所示。另一路為右轉(zhuǎn)子鐵心+Y方向的定子磁極、+Y方向的空氣隙、右轉(zhuǎn)子鐵心、-Y方向空氣隙和右定子鐵心-Y方向的定子磁極構(gòu)成閉合回路，如圖2和圖4中的實(shí)線所示。整個(gè)裝置共構(gòu)成兩個(gè)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，而電磁磁路也分為兩路，以Y’軸電磁主磁路為例，其中一路為左定子鐵心與+Y’方向的定子磁極、+Y’方向的空氣隙、左轉(zhuǎn)子鐵心、-Y’方向空氣隙和左定子鐵心-Y’方向的定子磁極構(gòu)成閉合回路，如圖2和圖5中的實(shí)線所示。另一路為右定子鐵心+Y’方向的定子磁極、+Y’方向的空氣隙、右轉(zhuǎn)子鐵心、-Y’方向空氣隙和右定子鐵心-Y’方向的定子磁極構(gòu)成閉合回路，如圖2和圖6中的實(shí)線所示。當(dāng)其中一個(gè)徑向磁軸承發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)備用徑向磁軸承進(jìn)入正常工作狀態(tài)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明利用左(右)兩個(gè)定子鐵心的16個(gè)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)子鐵心和內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)構(gòu)成了具有冗余結(jié)構(gòu)的徑向混合磁軸承，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且當(dāng)其中一個(gè)徑向磁軸承發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)備用徑向磁軸承可進(jìn)入正常工作狀態(tài)，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明的永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向混合磁軸承通過(guò)永磁體產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，可顯著降低具有冗余結(jié)構(gòu)的磁軸承功耗和體積。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)中具有容錯(cuò)結(jié)構(gòu)的徑向主動(dòng)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)子徑向混合磁軸承剖面圖；圖3為本發(fā)明的具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向混合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)子徑向混合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)子徑向混合磁軸承左端面?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)子徑向混合磁軸承右端面?zhèn)溆脧较虼泡S承電磁磁路示意圖。
具體實(shí)施方式如圖2、圖3、圖4、圖5和圖6所示，為本發(fā)明具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向混合磁軸承，即本發(fā)明的基本形式，它由左導(dǎo)磁環(huán)5、右外導(dǎo)磁環(huán)6、永磁體9、左轉(zhuǎn)子鐵心3、右轉(zhuǎn)子鐵心7、左定子鐵心2(包括8個(gè)定子磁極)、右定子鐵心8(包括8個(gè)定子磁極)、16個(gè)激磁線圈4、內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)1、空氣隙10組成。左轉(zhuǎn)子鐵心3和右轉(zhuǎn)子鐵心7徑向內(nèi)部分別是左定子鐵心2和右定子鐵心8，左定子鐵心2和右定子鐵心8徑向內(nèi)部是內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)1，內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)1與左定子鐵心2和右定子鐵心8相連，左轉(zhuǎn)子鐵心3和右轉(zhuǎn)子鐵心7內(nèi)表面與左定子鐵心2和右定子鐵心8外表面之間形成空氣隙10，左轉(zhuǎn)子鐵心3和右外轉(zhuǎn)子鐵心7的外部分別與左外導(dǎo)磁環(huán)5和右外導(dǎo)磁環(huán)6相連，永磁體9位于左外導(dǎo)磁環(huán)5和右外導(dǎo)磁環(huán)6軸向之間。左定子鐵心2和右定子鐵心8組成16個(gè)磁極，左定子鐵心的8個(gè)磁極和右定子鐵心的8個(gè)磁極沿圓周均勻分布，每個(gè)磁極上繞有激磁線圈4，它們之間通過(guò)內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)1連接，左定子鐵心2不相鄰的4個(gè)磁極11、13、15、17或作為冗余的不相鄰的4個(gè)磁極12、14、16、18和右定子鐵心8不相鄰的4個(gè)磁極19、21、23、25或作為冗余的不相鄰的4個(gè)磁極20、22、24、26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(gè)裝置共組成兩個(gè)互為冗余的徑向混合磁軸承。
上述本發(fā)明所用的左外導(dǎo)磁環(huán)5、右外導(dǎo)磁環(huán)6和內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)1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。左定子鐵心3、右定子鐵心7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9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9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)子徑向混合磁軸承，其特征在于由左外導(dǎo)磁環(huán)(5)、右外導(dǎo)磁環(huán)(6)、永磁體(9)、左轉(zhuǎn)子鐵心(3)、右轉(zhuǎn)子鐵心(7)、左定子鐵心(2)、右定子鐵心(8)、激磁線圈(4)和內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)(1)組成，左轉(zhuǎn)子鐵心(3)和右轉(zhuǎn)子鐵心(7)內(nèi)部分別是左定子鐵心(2)和右定子鐵心(8)，左定子鐵心(2)和右定子鐵心(8)內(nèi)部是內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)(1)，內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)(1)與左定子鐵心(2)和右定子鐵心(8)相連，左定子鐵心(2)和右定子鐵心(8)外表面與左轉(zhuǎn)子鐵心(3)和右轉(zhuǎn)子鐵心(7)內(nèi)表面之間形成空氣隙(10)，左定子鐵心(2)和右定子鐵心(8)組成16個(gè)磁極，左定子鐵心(2)的8個(gè)磁極和右定子鐵心(8)的8個(gè)磁極沿圓周均勻分布，每個(gè)磁極上繞有激磁線圈(4)，永磁體(9)位于左外導(dǎo)磁環(huán)(5)和右外導(dǎo)磁環(huán)(6)之間，左定子鐵心(2)不相鄰的4個(gè)磁極(11)、(13)、(15)、(17)或不相鄰的4個(gè)磁極(12)、(14)、(16)、(18)和右定子鐵心(8)不相鄰的4個(gè)磁極(19)、(21)、(23)、(25)或不相鄰的4個(gè)磁極(20)、(22)、(24)、(26)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(gè)裝置共組成兩個(gè)互為冗余的徑向混合磁軸承。
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)子徑向混合磁軸承，其特征在于所述的永磁體(9)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)子徑向混合磁軸承，其特征在于所述的永磁體(9)為一個(gè)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)子徑向混合磁軸承，其特征在于所述的左外導(dǎo)磁環(huán)(5)、右外導(dǎo)磁環(huán)(6)、內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)(1)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)子徑向混合磁軸承，其特征在于所述的左轉(zhuǎn)子鐵心(3)、右轉(zhuǎn)子鐵心(7)、左定子鐵心(2)、右定子鐵心(8)采用導(dǎo)磁性能良好的軟磁材料制成。
專利摘要
一種具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向混合磁軸承，由左、右外導(dǎo)磁環(huán)，永磁體，左、右轉(zhuǎn)子鐵心，左、右定子鐵心，激磁線圈和內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)組成。左(右)轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部依次是左(右)定子鐵心和內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)，內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)與左、右定子鐵心相連，轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)表面與定子鐵心外表面之間形成空氣隙。左、右定子鐵心組成16個(gè)磁極，每個(gè)磁極上繞有激磁線圈，它們之間通過(guò)內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)連接，永磁體位于左、右外導(dǎo)磁環(huán)之間，左定子鐵心不相鄰的4個(gè)磁極右定子鐵心不相鄰的4個(gè)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(gè)裝置共組成兩個(gè)互為冗余的徑向混合磁軸承。本發(fā)明在永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向混合磁軸承的結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了冗余，當(dāng)一個(gè)徑向混合磁軸承出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)仍可正常工作，從而顯著提高了磁軸承系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號(hào)F16C32/04GK1995769SQ200710063272
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2007年1月5日
發(fā)明者韓邦成, 房建成, 劉剛, 孫津濟(jì), 王曦 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan