本發(fā)明屬于磁懸浮軸承技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種高懸浮性能、低損耗的雙層定子永磁偏置徑向磁軸承。

背景技術(shù)：

目前，磁懸浮軸承由于具有機(jī)械磨損小、能耗低、可支承轉(zhuǎn)速高、無(wú)需潤(rùn)滑油和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，從根本上改變了傳統(tǒng)的支承形式，在真空、超凈、超高速等場(chǎng)合具有廣闊的應(yīng)用前景。

按照磁力提供的方式，可將磁軸承分為三種：

第一種是被動(dòng)磁軸承，這種磁軸承利用永磁體之間產(chǎn)生磁力(吸引力或排斥力)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低。但它不能單獨(dú)用于轉(zhuǎn)子支承，而必須與其它軸承(如：機(jī)械軸承)配合使用，且剛度和阻尼都較??；

第二種是主動(dòng)磁軸承，這種磁軸承一般由磁軸承本體、懸浮轉(zhuǎn)子、位移傳感器、控制器和功率放大器組成，形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的精密控制，剛度較大。但其偏置磁通和控制磁通都由電磁線圈產(chǎn)生，功耗較高；

第三種是永磁偏置磁軸承，這種磁軸承利用永磁體產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁通來(lái)取代主動(dòng)磁軸承中電磁繞組產(chǎn)生的偏置磁通，其勵(lì)磁繞組中只有控制電流，不需要偏置電流，可以明顯降低磁軸承的損耗和功放電路的功耗，同時(shí)減小了磁軸承的體積和重量。

通常，永磁偏置徑向磁軸承根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式又分為同極性和異極性結(jié)構(gòu)。同極性結(jié)構(gòu)的磁軸承鐵心損耗較小，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，需要的控制線圈多，并且其軸向長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)，不利于轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的提高。異極性結(jié)構(gòu)的磁軸承軸向長(zhǎng)度較短，臨界轉(zhuǎn)速高，但其轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)行下會(huì)產(chǎn)生較大的鐵心損耗，不利于轉(zhuǎn)子的散熱。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種雙層定子永磁偏置徑向磁軸承，其目的在于，-通過(guò)采用雙層定子結(jié)構(gòu)，隔離了徑向兩自由度上的磁路，在減小定子磁極數(shù)目的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了兩方向控制磁場(chǎng)解耦，從而能提高磁軸承的懸浮性能，并降低其轉(zhuǎn)子損耗。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種雙層定子永磁偏置磁軸承，其包括定子、轉(zhuǎn)子、永磁體、控制線圈、隔磁環(huán)、隔磁體和轉(zhuǎn)軸，其定子包括上層定子和下層定子，

所述轉(zhuǎn)子設(shè)置在所述定子中間處，且相對(duì)于所述定子能進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，定子與轉(zhuǎn)子之間設(shè)置有氣隙；所述永磁體對(duì)稱設(shè)置于所述定子的相鄰兩定子齒之間；所述轉(zhuǎn)軸設(shè)置在所述轉(zhuǎn)子中間處，并能隨著該轉(zhuǎn)子一同轉(zhuǎn)動(dòng)；所述控制線圈纏繞在所述定子的定子極上；

所述定子包括上層定子和下層定子，上下兩層定子的軛部之間設(shè)置有隔磁體和隔磁環(huán)，用以隔離兩層定子的磁路，并減小氣隙的漏磁，提高氣隙永磁偏置磁場(chǎng)。定子齒的軸向長(zhǎng)度與所述轉(zhuǎn)子相同，且末端向兩邊延伸至與永磁體相接，由此使得定子極的面積增加。每層定子軛部的軸向長(zhǎng)度只有所述轉(zhuǎn)子的一半。

進(jìn)一步地，所述定子的鐵心由實(shí)心軟磁材料制成，所述轉(zhuǎn)子的鐵心由多層無(wú)取向硅鋼片軸向疊壓而成。

進(jìn)一步地，定子的鐵心總共有四個(gè)定子極，每個(gè)定子極上都繞有一個(gè)控制線圈，且每層定子的鐵心上的兩個(gè)控制線圈之間形成串聯(lián)，分別用于控制轉(zhuǎn)子在X方向或Y方向上的位置。

進(jìn)一步地，隔磁體為低磁性永磁材料，共八塊，八塊隔磁體沿圓周間隔45度均勻放置在隔磁環(huán)內(nèi)，充磁方向采用軸向充磁。

進(jìn)一步地，嵌放于定子鐵心內(nèi)的永磁體為環(huán)形片狀結(jié)構(gòu)，共四塊，按兩兩相隔90度的方式嵌入上下兩層定子鐵心齒部之間，充磁方向采用周向充磁，且相鄰兩塊永磁體大小相同、充磁方向相反。

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

(1)永磁體安裝在定子齒之間，定子上只有四個(gè)能進(jìn)行主動(dòng)控制的定子磁極，不存在不能實(shí)施主動(dòng)控制的永磁體磁極，這樣使得轉(zhuǎn)子偏心時(shí)位移負(fù)剛度較小，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)也較小。

(2)采用雙層定子結(jié)構(gòu)，隔離了控制磁路，實(shí)現(xiàn)了X方向和Y方向上的控制磁路解耦，有利于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

(3)控制磁通不經(jīng)過(guò)永磁體，不存在附加氣隙，所需電勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)小，系統(tǒng)損耗小、效率高；調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流不會(huì)引起永磁體的不可逆失磁，可靠性高；調(diào)節(jié)控制電流不會(huì)引起永磁體的不可逆失磁，提高了系統(tǒng)可靠性；

(4)定子主動(dòng)控制極面積增大，增加了控制范圍，提高了轉(zhuǎn)子懸浮穩(wěn)定性。

(5)通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少了定子磁極數(shù)目，降低了氣隙磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)的頻率，從而有效降低了轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)行下的鐵心損耗。

(6)磁軸承在徑向各個(gè)方向均能滿足承載力要求，且具有較大的電流剛度和較小的位移剛度，提高了磁軸承系統(tǒng)的懸浮性能。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明雙層定子永磁偏置徑向磁軸承的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的立體裝配示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的永磁偏置磁路示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例的控制磁路示意圖，其中，(a)是X方向控制磁路，(b)是Y方向控制磁路。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1-上層定子鐵心、2-轉(zhuǎn)子鐵心、3-控制線圈、4-永磁體、5-下層定子鐵心、6-隔磁環(huán)、7-轉(zhuǎn)軸、8-隔磁體。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1為雙層定子永磁偏置徑向磁軸承的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為雙層定子永磁偏置徑向磁軸承的立體裝配示意圖，由于整個(gè)結(jié)構(gòu)的上下部分非對(duì)稱，通過(guò)立體裝配圖能夠更好的了解磁軸承的結(jié)構(gòu)。由上述兩圖可知，其包括上層定子鐵心1、轉(zhuǎn)子鐵心2、控制線圈3、永磁體4、下層定子鐵心5、隔磁環(huán)6以及轉(zhuǎn)軸7。

其中，所述轉(zhuǎn)子2設(shè)置在所述定子中間處，且相對(duì)于所述定子能進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，定子與轉(zhuǎn)子2之間設(shè)置有氣隙，所述永磁體4對(duì)稱設(shè)置于所述定子的相鄰兩定子齒之間，所述轉(zhuǎn)軸7設(shè)置在所述轉(zhuǎn)子2的中間處，并能隨該轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，所述控制線圈3纏繞在所述定子的定子極上，所述定子包括上層定子1和下層定子5，兩層定子軛部之間設(shè)置隔磁體8和隔磁環(huán)6，以起到隔磁作用，所述定子齒的軸向長(zhǎng)度與所述轉(zhuǎn)子2相同，且所述定子齒末端延伸至與永磁體4相接，由此使得定子極的面積增加，每層定子的軛部的軸向長(zhǎng)度只有所述轉(zhuǎn)子2的一半左右。在實(shí)際工程實(shí)踐中，定子軛部厚度＝0.5*(轉(zhuǎn)子厚度-隔磁環(huán)厚度)，由于隔磁環(huán)很薄，所以其實(shí)際厚度比轉(zhuǎn)子厚度一半少一點(diǎn)。

更具體的，所述上層定子1和下層定子5的鐵心由實(shí)心軟磁材料制成，所述轉(zhuǎn)子2的鐵心由多層無(wú)取向硅鋼片軸向疊壓而成。所述隔磁體8為低磁性永磁材料，其總共具有八塊，八塊隔磁體8沿圓周間隔45度均勻設(shè)置在隔磁環(huán)6內(nèi)。八塊隔磁體8充磁方向?yàn)檩S向充磁。隔磁環(huán)6采用不導(dǎo)磁的環(huán)氧樹(shù)脂澆注而成，隔磁體8采用低永磁鐵氧體制備，隔磁體8為片狀，隔磁體沿圓周間隔45度均勻設(shè)置在隔磁環(huán)6內(nèi)。嵌裝于定子內(nèi)的永磁體4為環(huán)形片狀。永磁體4共四塊，按兩兩相隔90度的方式嵌裝在上下兩層定子的定子齒部之間。所述永磁體4充磁方向?yàn)橹芟虺浯?，且相鄰兩塊永磁體大小相同、充磁方向相反。

圖3和圖4分別為磁軸承的永磁偏置磁路示意圖和控制磁路示意圖，圖4中，(a)是X方向控制磁路，(b)是Y方向控制磁路。如圖3和4所示，永磁偏置磁路和控制磁路在結(jié)構(gòu)上對(duì)稱分布，且都為徑向磁路。

本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，定子總極數(shù)為四個(gè)，每層定子極數(shù)為兩個(gè)，每個(gè)定子極上都分別纏繞有控制線圈。同一層定子上的兩個(gè)控制線圈串聯(lián)相接，分別用于控制轉(zhuǎn)子在X方向或Y方向的位置。轉(zhuǎn)子在初始時(shí)刻位于中間平衡位置。

在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，上層定子鐵心1和下層定子鐵心5由電工純鐵制成，轉(zhuǎn)子鐵心2由硅鋼片軸向疊壓而成，厚度為0.2mm、0.35mm或0.5mm，以減小鐵心內(nèi)部的渦流損耗?？刂凭€圈3分為兩組，分別繞在上層定子鐵心1和下層定子鐵心5的四個(gè)極上，受功率放大器控制；永磁體4采用具有高磁性能的燒結(jié)釹鐵硼材料，以產(chǎn)生足夠的偏置磁通；永磁體加工為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，嵌放于定子鐵心兩齒之間，兩兩相隔90度，充磁方向采用周向充磁，且相鄰兩塊永磁體大小相同、充磁方向相反；隔磁環(huán)和隔磁體厚度設(shè)置譬如為5mm；轉(zhuǎn)軸7采用譬如高強(qiáng)度的45號(hào)鋼；隔磁環(huán)采用不導(dǎo)磁的環(huán)氧樹(shù)脂澆注而成，隔磁體采用低磁性能的永磁鐵氧體，隔磁體加工為片狀結(jié)構(gòu)，沿圓周間隔45度均勻放置在隔磁環(huán)內(nèi)；工作氣隙設(shè)置為譬如0.5mm，隔磁環(huán)和隔磁體的厚度設(shè)置譬如為5mm，遠(yuǎn)大于氣隙長(zhǎng)度；永磁偏置磁路和控制磁路在同一個(gè)平面上，都為徑向磁路，X方向和Y方向的控制磁路在定子側(cè)相互獨(dú)立。

下面將以X方向?yàn)槔?，?duì)上述組件的工作過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明：

初始時(shí)，轉(zhuǎn)子位于中間平衡位置時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，周向充磁的環(huán)形永磁體在+X和-X氣隙處產(chǎn)生的偏置磁通相等，此時(shí)兩邊吸力相等，轉(zhuǎn)子所受的合力為零。如果在此時(shí)轉(zhuǎn)子受到-X方向的外擾力，轉(zhuǎn)子就會(huì)偏離平衡位置向-X方向偏移，造成X方向上的氣隙偏置磁通發(fā)生變化(-X方向氣隙磁通大，+X方向氣隙磁通小)，由于磁場(chǎng)吸力大小與磁通的平方成正比，因此+X方向的吸力小于-X方向，在加入控制磁通前，轉(zhuǎn)子將無(wú)法回到中間平衡位置。此時(shí)，位移傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的偏移量，控制器將該位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，功率放大器再將該控制信號(hào)轉(zhuǎn)化成控制電流，此時(shí)，該控制電流通過(guò)X方向控制線圈會(huì)產(chǎn)生如圖4(a)所示的控制磁通，該磁通與氣隙中的偏置磁通疊加，導(dǎo)致+X方向氣隙磁通得到增強(qiáng)，-X方向氣隙磁通得到減弱，共同作用后產(chǎn)生一個(gè)沿+X方向的吸力，將轉(zhuǎn)子拉回原來(lái)的平衡位置。

當(dāng)轉(zhuǎn)子受到Y(jié)方向的擾動(dòng)并發(fā)生偏移時(shí)，其過(guò)程與上面類(lèi)似。因此，不論轉(zhuǎn)子受到X還是Y方向上的外擾動(dòng)，都能通過(guò)控制線圈來(lái)調(diào)節(jié)各氣隙磁通的大小，使轉(zhuǎn)子保持在平衡位置。

本發(fā)明的工作原理是：

由永磁體提供磁軸承懸浮的偏置磁場(chǎng)，由控制線圈產(chǎn)生需要的控制磁場(chǎng)。永磁體的偏置磁通路徑為永磁體N極→上層定子鐵心→工作氣隙→轉(zhuǎn)子鐵心→工作氣隙→下層定子鐵心→永磁體S極；

X方向控制線圈產(chǎn)生的控制磁通路徑為上層定子鐵心→工作氣隙→轉(zhuǎn)子鐵心→工作氣隙→上層定子鐵心；

Y方向控制線圈產(chǎn)生的控制磁通路徑為下層定子鐵心→工作氣隙→轉(zhuǎn)子鐵心→工作氣隙→下層定子鐵心。

永磁體和控制線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在兩邊氣隙中一邊加強(qiáng)一邊減弱，共同作用在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生承載力。

本發(fā)明的電機(jī)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)中永磁偏置徑向磁軸承結(jié)構(gòu)的主要差別在于：通過(guò)磁路分離設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了控制磁路解耦；同時(shí)，既沒(méi)有引入附加氣隙，又將定子極數(shù)由八極減小到四極，從而減小了勵(lì)磁損耗，并降低了氣隙磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)的頻率，有效減小了轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的鐵心損耗。

本發(fā)明中，上層定子和上層定子鐵心指代同一事物、下層定子和下層定子鐵心也指代同一事物，定子和定子鐵心指代同一事物。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。