永磁偏置單側(cè)軸向磁懸浮軸承的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種永磁偏置單側(cè)軸向磁懸浮軸承，一般成對(duì)使用，屬混合型磁懸浮軸承。它將定子內(nèi)磁極與定子外磁極置于端部推力盤一側(cè)；利用端部推力盤臺(tái)階面作為磁極面；利用軸向充磁環(huán)形永久磁鐵和控制繞組分別在定子內(nèi)、外磁極與端部推力盤氣隙建立偏置磁場(chǎng)和控制磁場(chǎng)，成對(duì)使用后實(shí)現(xiàn)軸向位移控制；并在定子內(nèi)、外磁極上開(kāi)冷卻孔。這種永磁偏置磁懸浮軸承安裝、拆卸方便，其推力盤半徑較小，功耗小，體積小，能克服轉(zhuǎn)子上的靜態(tài)偏置力，有較好的冷卻能力，在各類磁懸浮系統(tǒng)中都有廣闊前景，且特別適用于高速壓氣機(jī)、膨脹機(jī)等風(fēng)損是磁懸浮軸承主要損耗的場(chǎng)合。
【專利說(shuō)明】永磁偏置單側(cè)軸向磁懸浮軸承【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁懸浮軸承，具體涉及一種永磁偏置單側(cè)軸向磁懸浮軸承。
【背景技術(shù)】
[0002]磁懸浮軸承的基本原理是利用定子鐵心與轉(zhuǎn)子鐵心之間的磁力來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的無(wú)接觸支承。由于磁力作用無(wú)需介質(zhì)，使得定、轉(zhuǎn)子間無(wú)機(jī)械接觸。
[0003]磁懸浮軸承具有以下主要優(yōu)點(diǎn):(I)轉(zhuǎn)子可以在超高轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，理論上轉(zhuǎn)速僅受限于轉(zhuǎn)子材料；(2)無(wú)接觸、無(wú)需潤(rùn)滑和無(wú)磨損的特性，使磁懸浮軸承應(yīng)用到潔凈無(wú)菌空間，真空系統(tǒng)、低溫環(huán)境等場(chǎng)合，甚至是高溫環(huán)境中；(3)軸承損耗很低，僅為傳統(tǒng)球軸承或滑動(dòng)軸承的1/20至1/5 ; (4)由于無(wú)機(jī)械磨損，它在苛刻環(huán)境中維護(hù)成本更低，壽命更長(zhǎng)。
[0004]磁懸浮軸承按磁場(chǎng)建立的方式分為永磁型、電磁偏置型以及永磁偏置型。
[0005]永磁型磁懸浮軸承利用磁性材料的吸力或斥力來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其阻尼一般較小。
[0006]電磁偏置型磁懸浮軸承通過(guò)電流偏置在氣隙中產(chǎn)生偏置磁場(chǎng),交變電流繞組在氣隙中產(chǎn)生控制磁場(chǎng)，偏置磁場(chǎng)與控制磁場(chǎng)疊加產(chǎn)生的磁力可根據(jù)反饋信號(hào)精密控制磁力，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子某個(gè)或某些的自由度的控制，這種類型磁懸浮軸承剛度、阻尼可調(diào)。但由于穩(wěn)定情況下的偏置電流遠(yuǎn)大于控制電流，造成繞組產(chǎn)生較多的功率損耗，而且產(chǎn)生單位承載力所需的體積、重量較大。
[0007]相比磁偏置型磁懸浮軸承，永磁偏置型磁懸浮軸承則通過(guò)永磁磁鐵替代偏置線圈在氣隙中產(chǎn)生所需的偏置磁`場(chǎng)，不僅能夠很大程度上減少能耗，也能減小磁懸浮軸承的溫升，還能減小磁懸浮軸承的體積及重量。這在一些對(duì)磁懸浮功耗、體積、性能等方面有更高要求的領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，永磁偏置型磁懸浮軸承技術(shù)已成為磁懸浮軸承技術(shù)中的一個(gè)重要方向。
[0008]風(fēng)損，是一種氣體摩擦損耗。由于高氣壓使得在壓縮機(jī)和膨脹機(jī)中風(fēng)損是主要的損耗(在在壓縮機(jī)和膨脹機(jī)中氣體壓力較高)，尤其軸向軸承推力盤，它具有相對(duì)大的直徑和表面速度。一般認(rèn)為，風(fēng)損基本上正比于圓周線速度的三次方。因此，具有較小直徑推力盤的磁懸浮軸承能很大程度上減少風(fēng)損。
[0009]在多數(shù)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)中，往往會(huì)出現(xiàn)氣動(dòng)力在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生較大的偏置軸向力的情況。所以，具有能產(chǎn)生靜態(tài)偏置軸向力且產(chǎn)生較小功耗的磁懸浮軸承更能滿足使用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的主要目的在于提出一種安裝簡(jiǎn)便、功耗小、體積小，便于產(chǎn)生偏置磁力的永磁偏置單側(cè)軸向磁懸浮軸承。
[0011]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:包括臺(tái)階狀的主軸以及套裝在主軸臺(tái)階面上的臺(tái)階狀端部推力盤，且端部推力盤大端面緊靠主軸臺(tái)階安裝；在主軸上與臺(tái)階狀端部推力盤的內(nèi)、外臺(tái)階面相對(duì)應(yīng)的位置上分別安裝有定子內(nèi)磁極和定子外磁極，所述的定子內(nèi)磁極為臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)，定子外磁極為圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，且定子內(nèi)磁極與定子外磁極的直徑相等，定子外磁極和定子內(nèi)磁極之間形成一個(gè)臺(tái)階狀的空腔，在定子內(nèi)磁極小臺(tái)階面的端面上安裝有環(huán)形永久磁鐵，在定子外磁極內(nèi)安裝有控制繞組，在環(huán)形永久磁鐵外側(cè)還安裝有永久磁鐵護(hù)罩，定子外磁極與定子內(nèi)磁極相接觸的面上還安裝有環(huán)形非導(dǎo)磁墊片。
[0012]所述的定子外磁極與定子內(nèi)磁極的外側(cè)相同半徑處均開(kāi)設(shè)有若干個(gè)周向均布的定子外磁極散熱孔和定子內(nèi)磁極散熱孔。
[0013]所述的定子內(nèi)磁極與端部推力盤的內(nèi)臺(tái)階面、定子外磁極與端部推力盤的內(nèi)臺(tái)階面的外臺(tái)階圓環(huán)面留有間隙，其間隙寬度為0.3?1.5mm之間；定子內(nèi)磁極與主軸徑向有間隙，其間隙寬度大于或等于0.5mm ;定子外磁極與端部推力盤較小圓柱面的徑向方向有間隙，其間隙大于或等于1.0mm。
[0014]所述的端部推力盤，定子內(nèi)磁極散熱孔、定子內(nèi)磁極為軟磁材料；主軸，永久磁鐵護(hù)罩；環(huán)形永久磁鐵為稀土永磁材料或鐵氧體永磁材料。
[0015]本發(fā)明的永磁偏置單側(cè)軸向磁懸浮軸承可成對(duì)使用，軸向充磁的環(huán)形永久磁鐵通過(guò)定子內(nèi)磁極，端部推力盤，定子外磁極，定子內(nèi)外磁極間的間隙和永久磁鐵護(hù)罩分別在定子內(nèi)磁極與端部推力盤內(nèi)臺(tái)階面之間的氣隙和定子外磁極與端部推力盤內(nèi)臺(tái)階面之間的氣隙中形成偏置磁場(chǎng)；控制繞組在通入電流以后，通過(guò)定子內(nèi)磁極，環(huán)形非導(dǎo)磁墊片，定子外磁極以及端部推力盤分別在定子內(nèi)磁極與端部推力盤內(nèi)臺(tái)階面之間的氣隙和定子外磁極與端部推力盤內(nèi)臺(tái)階面之間的氣隙中形成控制磁場(chǎng)。上述磁懸浮軸承一般成對(duì)使用，將其分別安裝于主軸的兩個(gè)端部。
[0016]本發(fā)明所述的永磁偏置單側(cè)軸向磁懸浮軸承主要有以下優(yōu)點(diǎn):(I)本發(fā)明的定子部分可從主軸的單側(cè)安裝，方便安裝和拆卸；(2)本發(fā)明利用永久磁鐵產(chǎn)生偏置磁通，特別地，在成對(duì)使用時(shí)，若有靜態(tài)偏置力作用在轉(zhuǎn)子上時(shí)，兩側(cè)產(chǎn)生的不同的偏置磁通可抵消或部分抵消該靜態(tài)偏置力，減少了功耗和體積；(3)本發(fā)明所述的軸向磁懸浮軸承的端部推力盤直徑較小，可等于或略大于最大主軸直徑，不僅使得軸向磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子部分強(qiáng)度要求降低，而且其風(fēng)損也非常?。?4)采用永磁體產(chǎn)生偏置磁通，與全電磁軸承相比消除了在線圈電流中占主要分量的偏置勵(lì)磁電流，降低了繞組銅耗及控制功放損耗，因此功耗很低；
(5)本發(fā)明所述的軸向磁懸浮軸承產(chǎn)生的磁場(chǎng)僅大小變化，而無(wú)極性變化，鐵耗也很?。?br> (6)在本發(fā)明中，永磁磁路與控制磁路分離，這使得控制磁路磁阻很小，較小電流可以產(chǎn)生較大磁通；(7)永磁偏置單側(cè)軸向磁懸浮軸承帶有散熱孔，提高了軸承的冷卻能力，允許更高的繞組溫升。
[0017]本發(fā)明安裝、拆卸方便，推力盤半徑較小，功耗小，體積小，能克服轉(zhuǎn)子上的靜態(tài)偏置力，有較好的冷卻能力，在各類磁懸浮系統(tǒng)中都有廣闊前景，且特別適用于高速壓氣機(jī)、膨脹機(jī)等風(fēng)損是磁懸浮軸承主要損耗的應(yīng)用場(chǎng)合。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明永磁偏置單側(cè)軸向磁懸浮軸承的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖1中標(biāo)號(hào)名稱:1、主軸。2、端部推力盤。3、永久磁鐵護(hù)罩。4、環(huán)形永久磁鐵。
5、定子外磁極散熱孔。6、定子外磁極。7、環(huán)形非導(dǎo)磁墊片。8、控制繞組。9、定子內(nèi)磁極散熱孔。10、定子內(nèi)磁極。帶空心箭頭的虛線表示永磁偏置磁場(chǎng),帶實(shí)心箭頭的實(shí)線表示控制繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0021]參見(jiàn)圖1，圖中的端部推力盤2，定子內(nèi)磁極散熱孔9、定子內(nèi)磁極10由軟磁材料制成；主軸1，永久磁鐵護(hù)罩3，環(huán)形非導(dǎo)磁墊片7為非導(dǎo)磁材料；環(huán)形永久磁鐵4為稀土永磁材料或鐵氧體永磁材料。端部推力盤2的大端面緊靠主軸I臺(tái)階安裝；環(huán)形永久磁鐵4安裝在定子內(nèi)磁極10圓柱端面上，永久磁鐵護(hù)罩3安裝在定子內(nèi)磁極10圓柱端面和側(cè)面上，并且環(huán)形永久磁鐵4在定子內(nèi)磁極10和永久磁鐵護(hù)罩3之間且與兩者相接觸；控制繞組8安裝在定子外磁極6圓筒內(nèi)，并與永久磁鐵護(hù)罩3留有空隙；定子外磁極6通過(guò)環(huán)形非導(dǎo)磁墊片7安裝到定子內(nèi)磁極10上，環(huán)形非導(dǎo)磁墊片7兩側(cè)面分別與定子外磁極6和定子內(nèi)磁極10接觸；永久磁鐵護(hù)罩3，環(huán)形永久磁鐵4和控制繞組8都在定子外磁極6、環(huán)形非導(dǎo)磁墊片7與定子內(nèi)磁極10形成的空腔中；定子外磁極6與定子內(nèi)磁極10在外側(cè)相同半徑處都帶有若干個(gè)周向均布的散熱孔結(jié)構(gòu)，分別為定子外磁極散熱孔5和定子內(nèi)磁極散熱孔9 ；主軸I位于定子內(nèi)磁極10與定子外磁極6的中心孔內(nèi)，且定子內(nèi)磁極10與定子外磁極6置于端部推力盤2 —側(cè)，它們分別面對(duì)端部推力盤2的內(nèi)、外臺(tái)階面。
[0022]本發(fā)明的定子內(nèi)磁極10為臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)，定子外磁極6為圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，且定子內(nèi)磁極10與定子外磁極6的直徑相等，定子外磁極6和定子內(nèi)磁極10之間形成一個(gè)臺(tái)階狀的空腔，在定子內(nèi)磁極10小臺(tái)階面的端面上安裝有環(huán)形永久磁鐵4，在定子外磁極6內(nèi)安裝有控制繞組8。定子內(nèi)磁極10與端部推力盤2的內(nèi)臺(tái)階面、定子外磁極6與端部推力盤2的內(nèi)臺(tái)階面的外臺(tái)階圓環(huán)面留有間隙，其間隙寬度為0.3?1.5mm之間；定子內(nèi)磁極10與主軸I徑向有間隙，其間隙寬度大于或等于0.5mm ;定子外磁極6與端部推力盤2較小圓柱面的徑向方向有間隙，其間隙大于或等于1.0mm。
[0023]圖1中的軸向充磁的環(huán)形永久磁鐵4通過(guò)定子內(nèi)磁極10,端部推力盤2,定子外磁極6，定子內(nèi)外磁極間的間隙，永久磁鐵護(hù)罩3以及定子內(nèi)磁極6與端部推力盤2內(nèi)臺(tái)階面之間的氣隙和定子外磁極6與端部推力盤2內(nèi)臺(tái)階面之間的氣隙中形成永磁偏置磁場(chǎng)回路，如圖1中單箭頭所示；控制繞組8在通入電流以后，通過(guò)定子內(nèi)磁極10，環(huán)形非導(dǎo)磁墊片7，定子外磁極6，端部推力盤2以及定子內(nèi)磁極6與端部推力盤2內(nèi)臺(tái)階面之間的氣隙，定子外磁極與端部推力盤3內(nèi)臺(tái)階面之間的氣隙形成控制磁場(chǎng)回路，如圖1中雙箭頭所示。上述磁懸浮軸承成對(duì)一般成對(duì)使用，將其分別安裝于主軸的兩個(gè)端部(右側(cè)軸懸浮軸承結(jié)構(gòu)相同，未畫出)。
[0024]若轉(zhuǎn)子主軸I上無(wú)靜態(tài)偏置力作用時(shí)，成對(duì)使用的上述磁懸浮軸承可設(shè)計(jì)成相同的參數(shù)。其基本工作原理是:當(dāng)主軸I處于平衡位置時(shí)，兩端氣隙相等，左右定子對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相同的吸力。如果此時(shí)主軸I由于受到向右外部擾動(dòng)力時(shí)，主軸就會(huì)偏離平衡位置向右運(yùn)動(dòng)，這樣使得左側(cè)軸向磁懸浮軸承偏置磁通量減小，右側(cè)軸向磁懸浮軸承偏置磁通量增加；同時(shí)左側(cè)磁懸浮軸承定子內(nèi)外磁極I和端部推力盤2間氣隙增加，右側(cè)磁懸浮軸承定子內(nèi)外磁極和端部推力盤間氣隙減小。由于在磁極面積一定時(shí)，磁吸力的大小與磁通量的平方成正比，右側(cè)軸向磁懸浮軸承對(duì)轉(zhuǎn)子主軸I吸引力大于左側(cè)，若控制繞組無(wú)電流時(shí)，主軸I不會(huì)回到平衡位置。此時(shí)，若位移傳感器或其它類型傳感器檢測(cè)到這種變化，并傳輸?shù)娇刂破髦?，然后控制器?jīng)過(guò)計(jì)算后將這一信號(hào)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)，功率放大器放大控制信號(hào)來(lái)在控制繞組中得到對(duì)應(yīng)的控制電流。此電流在經(jīng)過(guò)控制繞組后在定子磁極與端部推力盤氣隙中建立控制磁場(chǎng)。所建立的控制磁場(chǎng)與偏置磁場(chǎng)疊加，使左側(cè)氣隙磁通量增加，右側(cè)氣隙磁通量減少，以產(chǎn)生一個(gè)向左的力使主軸I拉回到平衡位置；同理，當(dāng)主軸受到向左的外部擾動(dòng)時(shí)，帶負(fù)反饋的永磁偏置軸向磁懸浮軸承通過(guò)控制繞阻中電流來(lái)調(diào)節(jié)兩側(cè)氣隙的磁通量，使主軸始終保持在平衡位置。
[0025]當(dāng)轉(zhuǎn)子主軸I上有靜態(tài)偏置力作用時(shí)，則可使左、右側(cè)軸向磁懸浮軸承氣隙偏置磁通量有一個(gè)差值，以部分或全部抵消此靜態(tài)偏置力。假如該靜態(tài)偏置力向右，則左側(cè)氣隙偏置磁通量大于右側(cè)；反之，則右側(cè)氣隙偏置磁通量大于左側(cè)。有、無(wú)靜態(tài)偏置力的磁懸浮軸承基本工作原理相同，都是采用帶負(fù)反饋的永磁偏置軸向磁懸浮軸承通過(guò)控制繞阻中電流來(lái)調(diào)節(jié)兩側(cè)氣隙的磁通量，使主軸I始終保持在平衡位置。
【權(quán)利要求】
1.一種永磁偏置單側(cè)軸向磁懸浮軸承，其特征在于:包括臺(tái)階狀的主軸(I)以及套裝在主軸(I)臺(tái)階面上的臺(tái)階狀端部推力盤(2 )，且端部推力盤(2 )大端面緊靠主軸(I)臺(tái)階安裝；在主軸(I)上與臺(tái)階狀端部推力盤(2)的內(nèi)、外臺(tái)階面相對(duì)應(yīng)的位置上分別安裝有定子內(nèi)磁極(10)和定子外磁極(6),所述的定子內(nèi)磁極(10)為臺(tái)階狀結(jié)構(gòu),定子外磁極(6)為圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，且定子內(nèi)磁極(10)與定子外磁極(6)的直徑相等，定子外磁極(6)和定子內(nèi)磁極(10)之間形成一個(gè)臺(tái)階狀的空腔，在定子內(nèi)磁極(10)小臺(tái)階面的端面上安裝有環(huán)形永久磁鐵(4 )，在定子外磁極(6 )內(nèi)安裝有控制繞組(8 )，在環(huán)形永久磁鐵(4 )外側(cè)還安裝有永久磁鐵護(hù)罩(3)，定子外磁極(6)與定子內(nèi)磁極(10)相接觸的面上還安裝有環(huán)形非導(dǎo)磁墊片⑴。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁偏置單側(cè)軸向磁懸浮軸承，其特征在于:所述的定子外磁極(6)與定子內(nèi)磁極(10)的外側(cè)相同半徑處均開(kāi)設(shè)有若干個(gè)周向均布的定子外磁極散熱孔(5)和定子內(nèi)磁極散熱孔(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁偏置單側(cè)軸向磁懸浮軸承，其特征在于:所述的定子內(nèi)磁極(10)與端部推力盤(2)的內(nèi)臺(tái)階面、定子外磁極(6)與端部推力盤(2)的外臺(tái)階圓環(huán)面留有間隙，其間隙寬度為0.3?1.5mm之間；定子內(nèi)磁極(10)與主軸(I)徑向有間隙，其間隙寬度大于或等于0.5mm ;定子外磁極(6)與端部推力盤(2)較小圓柱面的徑向方向有間隙，其間隙大于或等于1.0mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的永磁偏置單側(cè)軸向磁懸浮軸承，其特征在于:所述的端部推力盤(2)，定子內(nèi)磁極散熱孔(9)、定子內(nèi)磁極(10)為軟磁材料；主軸(1)，永久磁鐵護(hù)罩(3);環(huán)形永久磁鐵(4)為稀土永磁材料或鐵氧體永磁材料。
【文檔編號(hào)】F16C32/04GK103758865SQ201410010004
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月9日
【發(fā)明者】張鵬飛, 席光, 王志恒 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)