專利名稱：一種大承載力徑向磁軸承的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種非接觸磁懸浮軸承，特別是一種大承載力徑向磁軸承，可作為電 機、機床等機械設備中旋轉部件的無接觸支撐。
背景技術：
應用于地面設備的磁懸浮技術，往往要求徑向磁軸承能支承較大的轉子重力，如 磁懸浮高速電機、磁懸浮儲能飛輪等。目前應用于地面支承用的徑向磁懸浮軸結構主要有 以下幾種其一是純電磁軸承，靠電磁磁場產生的磁拉力克服轉子重力以及受到的擾動力。 這種磁軸承體積較大，使用的電流大、功耗大，特別在大承載力時，線圈銅耗將急劇上升。其 二是被動磁軸承，其利用永磁體之間的吸力或斥力產生懸浮力。該種結構磁軸承不消耗功 率，但其剛度、阻尼不可控，且一般要求轉子上安裝有永磁體，不適合應用于高速旋轉的設 備中。其三是永磁偏置磁軸承，該種磁軸承利用永磁體產生的磁場承擔主要的承載力，電磁 磁場提供輔助的調節力，因而這種磁軸承可大大減小控制電流，降低損耗。然而，傳統的永 磁偏置徑向磁軸承各偏置磁極結構對稱，在各自由度上各偏置磁極的永磁力互相抵消，在 一些大型旋轉設備中，轉子通常懸浮于中心位置，此時永磁偏置磁軸承仍需要通較大的電 流以產生較大的單邊磁拉力克服重力，因此該種磁軸承的體積及功耗仍是可觀的。鑒于上 述原因，現有的磁軸承結構無法滿足地面應用中的較大恒定承載力的要求。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種利用永磁力克服重力， 同時能調節電磁力進行主動控制，體積小，功耗低的大承載力徑向磁軸承。本發明的技術解決方案之一為大承載力徑向磁軸承，由永磁體、控制側定子導 磁環、控制側定子鐵心、激磁線圈、控制側轉子鐵心、承重側定子導磁環、承重側定子鐵心大 端、承重側定子鐵心小端、承重側轉子鐵心、轉子導磁環組成，定子鐵心分為左右兩端，分別 為控制側和承重側，控制側定子鐵心包含X、Y正負方向上的4個定子磁極，它們之間通過 軛部連接，每個定子磁極繞制有激磁線圈，承重側定子鐵心大端為一個長軸向定子磁極，承 重側定子鐵心小端為一個短軸向定子磁極，控制側定子鐵心外部為控制側定子導磁環，承 重側定子鐵心大端和承重側定子鐵心小端外部為承重側定子導磁環，永磁體在軸向上位于 控制側導磁環和承重側導磁環之間，控制側定子鐵心內部為控制側轉子鐵心，承重側定子 鐵心大端和承重側定子鐵心小端內部為承重側轉子鐵心，控制側定子鐵心內表面與控制側 轉子鐵心外表面留有一定的間隙，形成控制側氣隙，承重側轉子鐵心大端、承重側轉子鐵心 小端內表面與承重側轉子鐵心外表面留有一定的間隙，形成承重側氣隙，轉子導磁環安裝 在控制側轉子鐵心與承重側轉子鐵心內部，并將兩側轉子鐵心連接起來，形成磁通路。大承 載力徑向磁軸承，其特征在于承重側定子鐵心小端的軸向長度為承重側定子鐵心大端的 0. 4 0. 7倍。所述的永磁體為一軸向圓環，沿軸向充磁，采用稀土永磁材料或鐵氧體永磁 材料制成。承重側定子鐵心大端、承重側定子鐵心小端、控制側定子導磁環、承重側定子導磁環和轉子導磁環均采用導磁性能良好的材料，如電工純鐵、1J50或硅鋼的任意一種制成。 控制側氣隙長度為承重側氣隙長度的0. 5 1倍。上述方案的原理是本發明將徑向磁軸承分為承重側和控制側兩個部分，承重側 用來克服轉子重力，而控制側用來克服轉子受到的擾動力。永磁體通過控制側定子導磁環、 控制側定子鐵心、控制側氣隙、控制側轉子鐵心、轉子導磁環、承重側轉子鐵心、承重側氣 隙、同時經承重側定子鐵心大端和小端、承重側定子導磁環構成磁路。電磁磁路在控制側定 子鐵心、控制側氣隙、控制側轉子鐵心構成回路。在承重側，由于兩個定子鐵心磁極軸向長 度不同，永磁磁路分別在大、小兩端鐵心的氣隙處產生不同大小的永磁拉力，兩力合成后對 轉子的單邊磁拉力用以克服轉子重力；在控制側，永磁磁路分別在4個定子鐵心對應的氣 隙處產生偏置磁場，電磁磁路在該氣隙處產生調節磁場，由于轉子重力由承重側的永磁力 承擔，控制側只需承擔轉子受到的擾動力，因此相比現有的兩端皆為對稱結構的永磁偏置 徑向磁軸承結構，該結構的懸浮電流較小，軸承體積也較小。本發明的永磁磁路為磁通從 永磁體N極出發，通過控制側定子導磁環、控制側定子鐵心、控制側氣隙、控制側轉子鐵心、 內導磁環到承重側的轉子鐵心、承重側氣隙、分為兩路分別經過承重側定子鐵心大端和承 重側定子鐵心小端、承重側外導磁體回到永磁體S極，形成磁懸浮軸承的主磁路，如圖1所 示。電磁磁路以X正方向磁極激磁線圈通電后產生的磁通為例X正方向定子磁極、X正方 向氣隙、控制側轉子鐵心、分為三路分別通過X負方向、Y正方向和Y負方向氣隙后，經各個 氣隙對應的定子磁極回到X正方向磁極構成閉合回路，如圖3所示。本發明的技術解決方案之二為大承載力徑向磁軸承，由永磁體、控制側定子導 磁環、控制側定子鐵心、激磁線圈、控制側轉子鐵心、承重側定子導磁環、承重側定子鐵心大 端、承重側定子鐵心小端、承重側轉子鐵心、轉子導磁環組成。定子鐵心分為左右兩端，分 別為控制側和承重側。控制側定子鐵心包含X、Y正負方向上的4個定子磁極，它們之間通 過軛部連接，每個定子磁極繞制有激磁線圈，承重側定子鐵心大端為一個極弧長度較長的 定子磁極，承重側定子鐵心小端為一個極弧長度較短的定子磁極，小端極弧長度一般為大 端的0. 4 0. 7倍。控制側定子鐵心外部為控制側定子導磁環，承重側定子鐵心大端和承 重側定子鐵心小端外部為承重側定子導磁環，永磁體在軸向上位于控制側導磁環和承重側 導磁環之間，控制側定子鐵心內部為控制側轉子鐵心，承重側定子鐵心大端和承重側定子 鐵心小端內部為承重側轉子鐵心，控制側定子鐵心內表面與控制側轉子鐵心外表面留有一 定的間隙，形成控制側氣隙，承重側轉子鐵心大端、承重側轉子鐵心小端內表面與承重側轉 子鐵心外表面留有一定的間隙，形成承重側氣隙，控制側氣隙一般為承重側氣隙的0. 5 1 倍。轉子導磁環安裝在控制側轉子鐵心與承重側轉子鐵心內部，并將兩側轉子鐵心連接起 來，形成磁通路。上述方案的原理是本發明將徑向磁軸承分為承重側和控制側兩個部分，承重側 用來克服轉子重力，而控制側用來克服轉子受到的擾動力。永磁體通過控制側定子導磁環、 控制側定子鐵心、控制側氣隙、控制側轉子鐵心、轉子導磁環、承重側轉子鐵心、承重側氣 隙、同時經承重側定子鐵心大端和小端、承重側定子導磁環構成磁路。電磁磁路在控制側定 子鐵心、控制側氣隙、控制側轉子鐵心構成回路。在承重側，由于兩個定子鐵心磁極極弧長 度不一致，永磁磁路分別在大、小兩端磁極的氣隙處產生不同大小的永磁拉力，兩力合成后 對轉子的單邊磁拉力用以克服轉子重力；在控制側，永磁磁路分別在4個定子鐵心對應的氣隙處產生偏置磁場，電磁磁路在該氣隙處產生調節磁場，由于轉子重力由承重側的永磁 力承擔，控制側只需承擔轉子受到的擾動力，因此相比現有的兩端皆為對稱結構的永磁偏 置徑向磁軸承結構，該結構的懸浮電流較小，軸承體積也較小。本發明的永磁磁路為磁通 從永磁體N極出發，通過控制側定子導磁環、控制側定子鐵心、控制側氣隙、控制側轉子鐵 心、內導磁環到承重側的轉子鐵心、承重側氣隙、分為兩路分別經過承重側定子鐵心大端和 承重側定子鐵心小端、承重側外導磁體回到永磁體S極，形成磁懸浮軸承的主磁路，如圖4 所示。電磁磁路以Y方向磁極激磁線圈產生的磁通為例Y正方向定子磁極、Y正方向氣隙、 控制側轉子鐵心、Y負方向氣隙、Y負方向磁極、經控制側轉子鐵心回到Y正方向磁極構成閉 合回路，如圖5所示。本發明與現有技術相比的優點在于本發明將徑向磁軸承分為承重側和控制側兩 個部分。在承重側磁極無激磁線圈，利用兩個磁極通過面積不一致的結構產生單邊磁拉力， 使得承重側僅需要較小的磁極面積即可克服較大的重力。因此，與現有的兩側皆為對稱結 構的永磁偏置徑向磁軸承結構相比，在應用于相同的承重場合時，該結構縮小了體積，減輕 了重量，減小了 4個激磁線圈，提高了系統的可靠性。同時，該徑向磁軸承由于轉子重力完 全由承重側承擔，故控制側僅需通以較小的電流即可保持轉子穩定懸浮。因此，該結構的另 一優點是懸浮電流小，銅耗小。
圖1為本發明技術解決方案之一的大承載力徑向磁軸承軸向截面圖；圖2為本發明技術解決方案之一的大承載力徑向磁軸承承重側定子鐵心結構圖；圖3為本發明技術解決方案之一、二的大承載力徑向磁軸承控制側軸向端面圖；圖4為本發明技術解決方案之二的大承載力徑向磁軸承軸向截面圖；圖5為本發明技術解決方案之二的大承載力徑向磁軸承承重側軸向端面圖。
具體實施例方式如圖1所示，為本發明技術解決方案之一的承重側磁極軸向長度不相等的永磁偏 置內轉子徑向磁軸承，即本發明的基本形式，它由1個永磁體1、1個控制側定子導磁環2、1 個控制側定子鐵心3、4個控制側激磁線圈4、1個控制側轉子導磁環、1個承重側定子導磁環 7、1個承重側定子鐵心大端8、1個承重側定子鐵心小端9、1個承重側轉子鐵心11、1個轉 子導磁環12組成。其中控制側定子鐵心3包含了磁軸承一端Χ、Υ方向上的4個定子磁極， 磁極之間通過軛部連接，控制側的每個定子磁極繞制有激磁線圈4，控制側定子鐵心3外部 為控制側定子導磁環2，如圖3所示。承重側定子鐵心大端8和承重側定子鐵心小端9組 成了磁軸承另一端Y方向上的2個定子磁極，磁極之間通過軸向長度不同的軛部在鐵心中 部連接，承重側定子鐵心小端9的軸向長度為大端8的0. 4 0. 7倍，具體值由轉子重量決 定，轉子越重，則取值越小，如圖2所示。承重側定子鐵心大端8、承重側定子鐵心小端9外 部為承重側定子導磁環7，永磁體1在軸向上位于控制側定子導磁環2與承重側定子導磁環 7之間。控制側定子鐵心3內部為控制側轉子鐵心6，控制側定子鐵心3內表面與控制側轉 子鐵心6外表面留有一定的間隙，形成控制側氣隙5，承重側定子鐵心大端8、承重側定子鐵 心小端9內部為承重側轉子鐵心11，承重側定子鐵心大端8、承重側定子鐵心小端9內表面與承重側轉子鐵心11外表面留有一定的間隙，形成承重側氣隙10，控制側氣隙為承重側氣 隙的0. 5 1倍，轉子導磁環12安裝在控制側轉子鐵心6和承重側轉子鐵心11內部，并將 控制側轉子鐵心6與承重側轉子鐵心11連接起來，形成磁通路。如圖4所示，為本發明技術解決方案之二的承重側磁極極弧長度不相等的永磁偏 置內轉子徑向磁軸承，它由ι個永磁體1、1個控制側定子導磁環2、1個控制側定子鐵心3、 4個控制側激磁線圈4、1個控制側轉子導磁環、1個承重側定子導磁環7、1個承重側定子鐵 心大端8、1個承重側定子鐵心小端9、1個承重側轉子鐵心11、1個轉子導磁環12組成。其 中控制側定子鐵心3包含了磁軸承一端X、Y方向上的4個定子磁極，磁極之間通過軛部連 接，控制側的每個定子磁極繞制有激磁線圈4，控制側定子鐵心3外部為控制側定子導磁環 2，如圖3所示。承重側定子鐵心大端8和承重側定子鐵心小端9組成了磁軸承另一端Y方 向上的2個定子磁極，磁極之間通過軛部連接，承重側定子鐵心小端9的極弧長度為大端8 的0. 4 0. 7倍，具體值由轉子重量決定，轉子越重，則取值越小，如圖5所示。承重側定子 鐵心大端8、承重側定子鐵心小端9外部為承重側定子導磁環7，永磁體1在軸向上位于控 制側定子導磁環2與承重側定子導磁環7之間。控制側定子鐵心3內部為控制側轉子鐵心 6，控制側定子鐵心3內表面與控制側轉子鐵心6外表面留有一定的間隙，形成控制側氣隙 5，承重側定子鐵心大端8、承重側定子鐵心小端9內部為承重側轉子鐵心11，承重側定子鐵 心大端8、承重側定子鐵心小端9內表面與承重側轉子鐵心11外表面留有一定的間隙，形成 承重側氣隙10，控制側氣隙為承重側氣隙的0. 5 1倍，轉子導磁環12安裝在控制側轉子 鐵心6和承重側轉子鐵心11內部，并將控制側轉子鐵心6與承重側轉子鐵心11連接起來， 形成磁通路。上述本發明各技術方案所用的承重側定子鐵心大端8、承重側定子鐵心小端9、控 制側定子導磁環2、承重側定子導磁環7和轉子導磁環12均用導磁性能良好的材料制成，如 電工純鐵、各種碳鋼、鑄鐵、鑄鋼、合金鋼、1J50和1J79等磁性材料。控制側定子鐵心3、控 制側轉子鐵心6和承重側轉子鐵心11可用導磁性能良好的電工薄鋼板如電工純鐵、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為一軸向圓環，沿軸向充磁。激磁線圈4用 導電良好的電磁線繞制后浸漆烘干而成。
權利要求
1.大承載力徑向磁軸承，由永磁體(1)、控制側定子導磁環O)、控制側定子鐵心(3)、 激磁線圈G)、控制側轉子鐵心(6)、承重側定子導磁環(7)、承重側定子鐵心大端(8)、承重 側定子鐵心小端(9)、承重側轉子鐵心(11)、轉子導磁環(1 組成，其特征在于定子鐵心 分為左右兩端，分別為控制側和承重側，控制側定子鐵心C3)包含X、Y正負方向上的4個定 子磁極，它們之間通過軛部連接，每個定子磁極繞制有激磁線圈(4)，承重側定子鐵心大端(8)為一個長軸向定子磁極，承重側定子鐵心小端(9)為一個短軸向定子磁極，控制側定子 鐵心C3)外部為控制側定子導磁環O)，承重側定子鐵心大端(8)和承重側定子鐵心小端(9)外部為承重側定子導磁環(7)，永磁體(1)在軸向上位于控制側導磁環( 和承重側導 磁環(7)之間，控制側定子鐵心(3)內部為控制側轉子鐵心(6)，承重側定子鐵心大端(8) 和承重側定子鐵心小端(9)內部為承重側轉子鐵心(11)，控制側定子鐵心(3)內表面與控 制側轉子鐵心(6)外表面留有一定的間隙，形成控制側氣隙(5)，承重側轉子鐵心大端(8)、 承重側轉子鐵心小端(9)內表面與承重側轉子鐵心(11)外表面留有一定的間隙，形成承重 側氣隙(10)，轉子導磁環(1 安裝在控制側轉子鐵心(6)與承重側轉子鐵心(11)內部，并 將兩側轉子鐵心連接起來，形成磁通路。
2.根據權利要求1所述的大承載力徑向磁軸承，其特征在于承重側定子鐵心小端(9) 的軸向長度為承重側定子鐵心大端(8)的0. 4 0. 7倍。
3.根據權利要求1所述的大承載力徑向磁軸承，其特征在于所述的承重側定子鐵心 大端(8)、承重側定子鐵心小端(9)、控制側定子導磁環O)、承重側定子導磁環(7)和轉子 導磁環(1 均采用導磁性能良好的材料，如電工純鐵、1J50或硅鋼的任意一種制成。
4.根據權利要求1所述的大承載力徑向磁軸承，其特征在于所述的永磁體(1)為一 軸向圓環，沿軸向充磁。
5.根據權利要求1所述的大承載力徑向磁軸承，其特征在于控制側氣隙( 長度為 承重側氣隙(10)長度的0. 5 1倍。
6.大承載力徑向磁軸承，由永磁體(1)、控制側定子導磁環O)、控制側定子鐵心(3)、 激磁線圈G)、控制側轉子鐵心(6)、承重側定子導磁環(7)、承重側定子鐵心大端(8)、承重 側定子鐵心小端(9)、承重側轉子鐵心(11)、轉子導磁環(1 組成，其特征在于定子鐵心 分為左右兩端，分別為控制側和承重側，控制側定子鐵心C3)包含X、Y正負方向上的4個定 子磁極，它們之間通過軛部連接，每個定子磁極繞制有激磁線圈(4)，承重側定子鐵心大端(8)為一個大極弧定子磁極，承重側定子鐵心小端(9)為一個小極弧定子磁極，控制側定子 鐵心C3)外部為控制側定子導磁環O)，承重側定子鐵心大端(8)和承重側定子鐵心小端(9)外部為承重側定子導磁環(7)，永磁體(1)在軸向上位于控制側導磁環( 和承重側導 磁環(7)之間，控制側定子鐵心(3)內部為控制側轉子鐵心(6)，承重側定子鐵心大端(8) 和承重側定子鐵心小端(9)內部為承重側轉子鐵心(11)，控制側定子鐵心(3)內表面與控 制側轉子鐵心(6)外表面留有一定的間隙，形成控制側氣隙(5)，承重側轉子鐵心大端(8)、 承重側轉子鐵心小端(9)內表面與承重側轉子鐵心(11)外表面留有一定的間隙，形成承重 側氣隙(10)，轉子導磁環(1 安裝在控制側轉子鐵心(6)與承重側轉子鐵心(11)內部，并 將兩側轉子鐵心連接起來，形成磁通路。
7.根據權利要求6所述的大承載力徑向磁軸承，其特征在于承重側定子鐵心小端(9) 的極弧長度為承重側定子鐵心大端(8)的0. 4 0. 7倍。
8.根據權利要求6所述的大承載力徑向磁軸承，其特征在于所述的承重側定子鐵心 大端(8)、承重側定子鐵心小端(9)、控制側定子導磁環O)、承重側定子導磁環(7)和轉子 導磁環(1 均采用導磁性能良好的材料，如電工純鐵、1J50或硅鋼的任意一種制成。
9.根據權利要求6所述的大承載力徑向磁軸承，其特征在于所述的永磁體(1)為一 軸向圓環，沿軸向充磁。
10.根據權利要求6所述的大承載力徑向磁軸承，其特征在于控制側氣隙(5)長度為 承重側氣隙(10)長度的0. 5 1倍。
全文摘要
大承載力徑向磁軸承，由永磁體、控制側定子導磁環、控制側定子鐵心、激磁線圈、控制側轉子鐵心、承重側定子導磁環、承重側定子鐵心大端、承重側定子鐵心小端、承重側轉子鐵心、轉子導磁環組成。定子鐵心分為左右兩端，分別為控制側和承重側。控制側定子鐵心包含X、Y正負方向上的4個定子磁極，它們之間通過軛部連接，每個定子磁極繞制有激磁線圈，承重側定子鐵心包含重力方向上一個面積較大的磁極及一個面積較小的磁極。永磁體置于兩側定子導磁環之間，為控制側提供偏置磁場及為承重側提供產生單邊磁拉力的永磁磁場。本發明解決了現有徑向磁軸承在支承較大轉子重力時體積大、懸浮電流大的缺點，具有性能可靠、利于控制的優點。
文檔編號F16C32/04GK102072249SQ20111000675
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月13日 優先權日2011年1月13日
發明者樂韻, 孫津濟, 房建成 申請人:北京航空航天大學