本實(shí)用新型涉及一種永磁磁軸承技術(shù)和混合磁軸承技術(shù)相結(jié)合的五自由度磁懸浮軸承系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代航空、航天、汽車工業(yè)、機(jī)械加工和生產(chǎn)等領(lǐng)域中高速電機(jī)及飛輪儲(chǔ)能裝置得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，由于磁懸浮軸承是利用定子和轉(zhuǎn)子之間的磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，使定子和轉(zhuǎn)子之間沒(méi)有機(jī)械接觸，所以特別適合這類應(yīng)用場(chǎng)合。但在實(shí)際運(yùn)行的高速裝置中，對(duì)軸承功耗有一定的要求，為降低軸承功耗，使磁軸承能夠在實(shí)際中得以應(yīng)用，則需廣泛采用不產(chǎn)生功耗的永磁磁力軸承，但永磁軸承在6個(gè)自由度方向至少存在一個(gè)自由度方向不穩(wěn)定，所以它不能單獨(dú)用于支承轉(zhuǎn)子，而必須與其它軸承(如電磁軸承、超導(dǎo)磁軸承或機(jī)械軸承)聯(lián)合使用，這就要求電磁軸承也應(yīng)是低功耗運(yùn)行。

目前，電磁軸承按照磁力提供的方式分為以下幾種：第一種是主動(dòng)磁軸承，這種磁軸承線圈中存在偏置電流，以提供偏置磁場(chǎng)，由控制電流流經(jīng)控制繞組產(chǎn)生的控制磁通與偏置磁通進(jìn)行疊加，從而產(chǎn)生可控的懸浮力，體積、重量和功耗都比較大。第二種是被動(dòng)磁軸承，這種磁軸承的懸浮力完全由永磁體提供，其所需的控制器簡(jiǎn)單，懸浮功耗小，但是剛度和阻尼都較小，一般運(yùn)用于僅在一個(gè)方向上支撐物體或者是減輕作用在傳統(tǒng)軸承上的負(fù)荷。第三種是混合磁軸承，這種磁軸承采用永磁材料替代主動(dòng)磁軸承中的電磁鐵來(lái)產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，也稱永磁偏置磁軸承，電磁鐵提供的只是平衡負(fù)載或干擾的控制磁場(chǎng)，大大降低了因偏置電流產(chǎn)生的功率損耗，電磁鐵所需的安匝數(shù)只是主動(dòng)磁軸承的一半，縮小了磁軸承的體積，減輕了其重量，并提高了承載能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的，在于提供一種五自由度磁懸浮軸承系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低。

為了達(dá)成上述目的，本實(shí)用新型的解決方案是：

一種五自由度磁懸浮軸承系統(tǒng)，包括兩個(gè)隔磁體、一個(gè)轉(zhuǎn)軸、兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的永磁徑向磁軸承和一個(gè)永磁偏置軸向磁軸承，其中，永磁徑向磁軸承包括徑向定子組件和徑向轉(zhuǎn)子組件，徑向定子組件包括徑向定子和軸向充磁的第一永磁環(huán)，第一永磁環(huán)貼裝在徑向定子的內(nèi)表面；徑向轉(zhuǎn)子組件包括軸向充磁的第二永磁環(huán)和徑向轉(zhuǎn)子鐵心，第二永磁環(huán)貼裝在徑向轉(zhuǎn)子鐵心的外表面；兩個(gè)徑向轉(zhuǎn)子鐵心分別套裝在轉(zhuǎn)軸上，使兩個(gè)永磁徑向磁軸承相互對(duì)應(yīng)；所述永磁偏置軸向磁軸承包括偏置定子組件和偏置轉(zhuǎn)子組件，偏置定子組件包括軸向定子磁極和軸向控制繞組，軸向控制繞組繞設(shè)于軸向定子磁極上；偏置轉(zhuǎn)子組件包括偏置轉(zhuǎn)子鐵心和徑向充磁的第三永磁環(huán)，第三永磁環(huán)嵌裝在偏置轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)部；偏置轉(zhuǎn)子鐵心套裝在轉(zhuǎn)軸上，從而與軸向定子磁極形成軸向氣隙；所述偏置轉(zhuǎn)子鐵心位于兩個(gè)徑向轉(zhuǎn)子鐵心之間，且偏置轉(zhuǎn)子鐵心與兩個(gè)徑向轉(zhuǎn)子鐵心之間均設(shè)置隔磁體，兩個(gè)隔磁體分別套裝在轉(zhuǎn)軸上。

上述徑向定子由實(shí)心軟磁材料制成。

上述徑向轉(zhuǎn)子鐵心由實(shí)心軟磁材料制成。

上述第二永磁環(huán)的外部還使用碳纖維包裹。

上述軸向定子磁極由實(shí)心軟磁材料制成。

上述偏置轉(zhuǎn)子鐵心由實(shí)心軟磁材料制成。

上述三個(gè)永磁環(huán)均由釹鐵硼制成。

采用上述方案后，本實(shí)用新型利用兩個(gè)永磁徑向磁軸承和一個(gè)永磁偏置軸向磁軸承實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子五自由度懸浮，利用轉(zhuǎn)軸兩端兩個(gè)軸向充磁的永磁環(huán)實(shí)現(xiàn)徑向四自由度懸浮，軸向懸浮則是利用位于中部的永磁偏置軸向磁軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)，其利用位于偏置轉(zhuǎn)子鐵心的永磁環(huán)提供軸向偏置磁通，位于軸向定子內(nèi)的軸向控制繞組產(chǎn)生控制磁通與偏置磁通疊加，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的軸向懸浮，永磁徑向磁軸承不產(chǎn)生功耗，永磁偏置軸向磁軸承是一種混合磁軸承，功耗也較低，使整個(gè)系統(tǒng)的功耗得以降低。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，臨界轉(zhuǎn)速高，功耗低，在我國(guó)航空航天、汽車工業(yè)、模具加工、紡織和化工機(jī)械等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)平面示意圖；

圖2是本實(shí)用新型的原理圖；

其中，實(shí)線表示永磁偏置磁通，虛線表示軸向控制繞組產(chǎn)生的控制磁通。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本實(shí)用新型提供一種五自由度磁懸浮軸承系統(tǒng)，包括兩個(gè)隔磁體5、一個(gè)轉(zhuǎn)軸6、兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的永磁徑向磁軸承和一個(gè)永磁偏置軸向磁軸承，下面分別介紹。

所述永磁徑向磁軸承包括徑向定子組件和徑向轉(zhuǎn)子組件，其中，徑向定子組件包括徑向定子1和軸向充磁的永磁環(huán)2，徑向定子1由實(shí)心軟磁材料制成，而永磁環(huán)2貼裝在徑向定子1的內(nèi)表面；徑向轉(zhuǎn)子組件包括軸向充磁的永磁環(huán)3和徑向轉(zhuǎn)子鐵心4，徑向轉(zhuǎn)子鐵心4由實(shí)心軟磁材料制成，永磁環(huán)3貼裝在徑向轉(zhuǎn)子鐵心4的外表面，且為了防止其在高速時(shí)旋落，永磁環(huán)3的外部還使用碳纖維包裹。兩個(gè)永磁徑向磁軸承的徑向轉(zhuǎn)子鐵心4分別套裝在轉(zhuǎn)軸6上，且使兩個(gè)永磁徑向磁軸承相互對(duì)應(yīng)。所述永磁環(huán)2、3均可由釹鐵硼制成。

所述永磁偏置軸向磁軸承包括偏置定子組件和偏置轉(zhuǎn)子組件，其中，偏置定子組件包括軸向定子磁極7和軸向控制繞組10，軸向定子磁極7由實(shí)心軟磁材料制成，軸向控制繞組10繞設(shè)于軸向定子磁極7上；偏置轉(zhuǎn)子組件包括偏置轉(zhuǎn)子鐵心8和徑向充磁的永磁環(huán)9，偏置轉(zhuǎn)子鐵心8由實(shí)心軟磁材料制成，永磁環(huán)9由釹鐵硼制成，嵌裝在偏置轉(zhuǎn)子鐵心8的內(nèi)部。偏置轉(zhuǎn)子鐵心8套裝在轉(zhuǎn)軸6上，從而與軸向定子磁極7形成軸向氣隙，永磁環(huán)9產(chǎn)生偏置磁通(可參考圖2中的實(shí)線所示)，軸向控制磁通在軸向定子磁極7、軸向氣隙、偏置轉(zhuǎn)子鐵心8形成閉合磁路(可參考圖2中的虛線所示)。所述偏置轉(zhuǎn)子鐵心8位于兩個(gè)徑向轉(zhuǎn)子鐵心4之間，且偏置轉(zhuǎn)子鐵心8與每個(gè)徑向轉(zhuǎn)子鐵心4之間均設(shè)置隔磁體5，兩個(gè)隔磁體5分別套裝在轉(zhuǎn)軸6上。

本實(shí)用新型的軸承五自由度懸浮基本工作原理是：兩個(gè)永磁徑向磁軸承和一個(gè)永磁偏置軸向磁軸承實(shí)現(xiàn)五自由度懸浮，永磁磁軸承為被動(dòng)磁軸承，實(shí)現(xiàn)軸承的四自由度徑向懸浮，不產(chǎn)生功耗，軸向懸浮利用的是一個(gè)永磁偏置軸向磁軸承，功耗也較低，其基本工作原理是：當(dāng)偏置轉(zhuǎn)子鐵心位于軸向平衡位置時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，位于偏置轉(zhuǎn)子鐵心上的永磁環(huán)產(chǎn)生的磁通在軸向定子磁極軸向端面的右面氣隙和左面氣隙處是相等的，此時(shí)左右吸力相等。假定此時(shí)轉(zhuǎn)子受到一水平向左的擾動(dòng)力，則軸向控制繞組通以控制電流在軸向氣隙中產(chǎn)生控制磁通與偏置磁通疊加，右氣隙中磁場(chǎng)增強(qiáng)，左氣隙中控制磁場(chǎng)與偏置磁場(chǎng)方向相反，磁場(chǎng)減弱，在偏置轉(zhuǎn)子鐵心上產(chǎn)生水平向右的懸浮力。若轉(zhuǎn)子受到向右的擾動(dòng)力，則控制電流反向，形成的控制磁通反向與偏置磁通疊加，形成向左的懸浮力。

以上實(shí)施例僅為說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)思想，不能以此限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡是按照本實(shí)用新型提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本實(shí)用新型保護(hù)范圍之內(nèi)。