一種徑向兩自由度混合磁懸浮軸承的制作方法

本發明涉及了一種磁懸浮軸承，尤其是涉及了一種徑向兩自由度混合磁懸浮軸承。

背景技術：

與滾珠軸承、滑動軸承等傳統軸承相比，磁懸浮軸承定轉子之間不存在機械接觸，因而轉子可以實現高轉速，并且具有能耗低、無需潤滑、壽命長和無污染等諸多優點，在工業應用中具有廣泛的前景。

磁懸浮軸承一般可以分為三類：純電磁式的主動磁軸承、純永磁式的被動磁軸承和混合磁懸浮軸承。混合磁懸浮軸承利用永磁體產生的磁場作為靜態偏置磁場，線圈電流產生的磁場作為控制磁場，又稱為永磁偏置磁懸浮軸承。能夠降低線圈中的電流、降低功率放大器的功耗，減小軸承體積，是目前磁懸浮軸承主要的研究方向。但是現有的徑向兩自由度混合磁懸浮軸承結構設計存在一些不足：部分結構復雜，材料加工難度大；在部分結構設計中，控制電流產生的控制磁場會穿過永磁體，因而需要較大的控制電流，功耗變大，同時也會對永磁體反復進行充磁和退磁，影響永磁體的性能和可靠性；部分結構設計中，不同方向的控制磁場之間存在耦合現象，增加控制系統的復雜度，降低了軸承整體的可靠性；部分結構設計中，鐵芯硅鋼片的疊壓方向和磁場的方向相同，會增加磁路中鐵芯的磁阻，進而需要更多的永磁體和更大的控制電流，同時也會增加設計優化的難度；部分結構設計中，異極型磁懸浮軸承的直徑較大，不便于安裝，同極型磁懸浮軸承的軸向長度較長，占據了較長的一段轉子，影響系統性能。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供了一種徑向兩自由度混合磁懸浮軸承，能夠克服上述背景技術中的一些現有結構的不足。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

本發明包括兩個定子鐵芯、轉子鐵芯、控制線圈和定子永磁體，兩個定子鐵芯相交叉垂直安裝，兩個定子鐵芯之間連接有永磁體，轉子鐵芯安裝在兩個定子鐵芯一端的中間并留有工作氣隙，兩個定子鐵芯均繞有控制線圈，轉子鐵芯同軸安裝在轉軸上。

所述的兩個定子鐵芯均呈c字形，形成中間部和經磁極臂連接在中間部兩端的兩個磁極，兩個定子鐵芯相交叉垂直放置，在兩個定子鐵芯的中間部之間通過永磁體連接，轉子鐵芯安裝在兩個定子鐵芯的磁極端處，轉子鐵芯和定子鐵芯磁極端的磁極之間留有工作氣隙，定子鐵芯兩磁極臂上均各繞有一組控制線圈。

同一個所述定子鐵芯中，兩磁極臂上的兩個控制線圈串聯相接，并各自磁極臂通入電流后產生的磁場方向相反，從而使得定子鐵芯具有環形的控制磁場磁路。

所述的永磁體的磁場方向與轉子鐵芯的旋轉軸向平行。

所述的轉子鐵芯和定子鐵芯均由硅鋼片疊壓而成，硅鋼片的疊壓方向均垂直于磁場方向，轉子鐵芯和定子鐵芯硅鋼片的疊壓方向相垂直。

所述的永磁體為軸向充磁，充磁方向沿兩個定子鐵芯中間部之間連接方向。

通過永磁體的充磁和兩個定子鐵芯通入電流產生磁場的配合控制磁場和永磁偏置磁場在氣隙中抵消或疊加，產生承載力。

兩個所述定子鐵芯通電電流產生的控制磁場磁路不會通過永磁體，并且兩個定子鐵芯的控制磁場磁路所在平面相垂直，如圖2所示的x、y兩個方向的控制磁場磁路只通過對應方向的定子鐵芯，磁路相互解耦。

本發明的永磁體產生永磁偏置磁場，其磁通從永磁體n極出發，通過y軸方向的定子鐵芯、y軸方向氣隙、轉子鐵芯、x軸方向氣隙、x軸方向的定子鐵芯，回到永磁體的s極。控制線圈產生控制磁場，y方向控制磁通通過y方向的定子鐵芯、y軸方向氣隙、轉子鐵芯、y軸方向氣隙，回到y方向的定子鐵芯。通過控制系統向y軸方向的控制線圈中通入控制電流，其產生的控制磁場在y軸方向的一個氣隙中和永磁體產生的偏置磁場抵消，在另一個氣隙中疊加，從而在轉子上產生一個y軸方向的承載力。x方向的控制原理相同，不再贅述。

本發明的有益效果是：

1、結構簡單、材料加工容易；

2、控制電流產生的控制磁場不會通過永磁體，需要的控制電流較小，永磁體也不會出現反復充磁退磁的現象，保持永磁體性能的穩定；

3、兩個方向的控制磁場通過不同的定子鐵芯，因而其磁路相互解耦，便于控制系統的設計；

4、定子鐵芯和轉子鐵芯中的磁場方向都與硅鋼片的疊壓方向垂直，既能減小磁路中鐵芯部分的磁阻，減小永磁體用量和控制電流大小，也能減小渦流損耗。

5、磁懸浮軸承安裝在轉軸末端，轉子鐵芯在轉軸上所占的長度較小，而且徑向的尺寸也較小。可以滿足多種應用場合的工程要求。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明實施例的永磁體產生的偏置磁路和控制電流產生的控制磁路整體示意圖；

圖3為本發明實施例的永磁體產生的偏置磁路和控制電流產生的控制磁路截面示意圖；

圖4為本發明實施例的定子鐵芯和轉子鐵芯的疊片方式示意圖。

圖中：1、定子鐵芯，2、轉子鐵芯，3、轉軸，4、控制線圈，5、永磁體，6、永磁偏置磁場磁路，7、控制磁場磁路。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

如圖1所示，本發明由定子鐵芯1、轉子鐵芯2、定子永磁體5、控制線圈4組成。其中轉子鐵芯2安裝在轉軸3末端，兩個c字形狀的定子鐵芯1交叉垂直放置，形成四個磁極，磁極和轉子之間留有工作氣隙，兩個定子鐵芯1之間安裝有永磁體5，定子鐵芯1上繞有四組控制線圈4。本發明的磁懸浮軸承安裝在轉軸3的末端，轉子鐵芯2在轉軸3上所占的長度較小，而且徑向的尺寸也較小，可以滿足多種應用場合的工程要求。

兩個定子鐵芯1均呈c字形，形成中間部和經磁極臂連接在中間部兩端的兩個磁極，但大小不同，兩個定子鐵芯1相交叉垂直放置，在兩個定子鐵芯1的中間部之間通過永磁體5連接，兩個定子鐵芯1磁極端的磁極在同一平面上相對齊，轉子鐵芯2安裝在兩個定子鐵芯1的磁極端處，轉子鐵芯2和定子鐵芯1磁極端的磁極之間留有工作氣隙，定子鐵芯1兩磁極臂上均各繞有一組控制線圈4。

本發明的具體實施原理如下：

如圖2和圖3所示，其xyz坐標系中的x和y方向是沿垂直轉軸3軸向的兩個相垂直方向，分別位于在定子鐵芯1所在平面上，z方向是沿轉軸3軸向。

在本實施例中，永磁體5的充磁方式為軸向充磁，產生永磁偏置磁場，永磁偏置磁場磁路6如圖2和圖3中的實線所示，其磁通從永磁體5一端的n極出發，通過y軸方向的外圈的定子鐵芯1后經過兩臂到兩端磁極，再由y軸方向氣隙進入轉子鐵芯2，接著由x軸方向氣隙進入x軸方向的內圈的定子鐵芯1，然后通過兩臂經過內圈的定子鐵芯1回到永磁體5另一端的s極。

控制線圈4產生控制磁場，控制磁場磁路7如圖2和圖3中的虛線所示，在同一個定子鐵芯上的兩個控制線圈串聯相接，通入電流后產生的磁場在控制磁路上方向一致。在本實施例中，對于中間部磁場方向沿y軸方向的外圈定子鐵芯1，y方向控制磁通通過其定子鐵芯1一端磁極經y軸方向氣隙進入轉子鐵芯2，再由y軸方向氣隙回到其定子鐵芯1另一端磁極，形成環路；對于中間部磁場方向沿x軸方向的外圈定子鐵芯1，x方向控制磁通通過其定子鐵芯1一端磁極經x軸方向氣隙進入轉子鐵芯2，再由x軸方向氣隙回到其定子鐵芯1另一端磁極，形成環路。

向y軸方向的控制線圈4中通入控制電流，其產生的控制磁場磁路7在y軸正方向的氣隙中和永磁體5產生的偏置磁場磁路6方向相同，磁場相互疊加，在y軸負方向的氣隙中方向相反，磁場相互抵消，從而在轉子鐵芯2上產生一個y軸正方向的承載力。對于x軸方向，原理與上述相同。

控制電流產生的控制磁場磁路7不會通過永磁體5，因而需要的控制電流較小，永磁體5也不會出現反復充磁退磁的現象，能保持性能的穩定。因此，x、y兩個方向的控制磁場只通過對應方向的定子鐵芯，因而其磁路相互解耦，便于控制系統的設計。

如圖4所示，本發明實施例的轉子鐵芯2和定子鐵芯1均由硅鋼片疊壓而成，轉子鐵芯2的疊壓方向為z向，定子鐵芯1的疊壓方向為x向，兩者的疊壓方向都與鐵芯中的磁場方向垂直，既能減小磁路中鐵芯部分的磁阻，減小永磁體用量和控制電流大小，也能減小渦流損耗。硅鋼片的形狀也很簡單，加工難度較低。

本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明的解釋說明，并不是對本發明進行限制，本發明的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所述的具體內容，在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、替換和改變等，均包含在本發明的保護范圍內。