專利名稱：一種可控制徑向扭轉的軸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，特別是一種可控制徑向扭轉的軸向磁軸承， 可作為體積及功耗都要求嚴格的磁懸浮設備的無接觸支撐。
背景技術：
常用磁懸浮軸承分電磁偏置式和永磁偏置加電磁控制的混合式磁懸浮軸承，前者采用電流產生偏置磁場，因此工作電流大、功耗大，后者利用永磁體替代電流產生偏置磁場，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承載力，因而這種軸承可大大減小控制電流，降低損耗。現有多數結構的軸向磁軸承定子結構都是整圓結構，對轉子只能進行軸向平動控制，無法對轉子進行徑向扭動控制，因而在要求系統整體軸向長度較小的應用場合中難以得到應用，特別是現有的飛輪系統，通常做成外轉子結構形式以減小整體體積，利用成對使用的徑向磁軸承控制扭轉，所以成對使用的徑向磁軸承之間必須要有一定的跨距，這就帶來了軸向長度的增加。而現有的三自由度軸向磁軸承，由于其沿內環鐵芯和外環鐵芯沿圓周方向分為4個磁極，因此磁場在轉子旋轉一周時需要交變4次，在高速旋轉時功耗仍然不可忽視。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種旋轉損耗低、可進行徑向扭動控制的軸向磁軸承。本發明的技術解決方案為
一種可控制徑向扭轉的軸向磁軸承，包括轉子以及設置在轉子上方的定子組件，定子組件包括永磁體以及四個定子鐵芯磁極，該四個定子鐵芯磁極周向均布在永磁體外圍，且其中相對設置的一對內環定子鐵芯磁極與永磁體的徑向內側相連，余下的另一對外環定子鐵芯磁極與永磁體的徑向外側相連，一對內環定子鐵芯磁極的重心連線與另一對外環定子鐵芯磁極的重心連線相垂直；每個定子鐵芯磁極上繞制有線圈，內環定子鐵芯磁極和外環定子鐵芯磁極與轉子之間形成軸向磁氣隙。所述的永磁體采用稀土永磁材料或鐵氧體永磁材料制成，并為徑向充磁。所述的內環定子鐵芯磁極和外環定子鐵芯磁極采用導磁性能良好的材料疊壓而成，與轉子之間形成的軸向磁氣隙為0. 2—0. 4mm。所述的轉子為導磁性能良好的材料制成的推力圓盤，或者為導磁性能良好的材料制成的系統轉動部分的一部分。上述方案的原理是永磁體給磁軸承提供永磁偏置磁場，承擔磁軸承所受的軸向力，激磁線圈產生的磁場起調節作用，保持磁軸承定轉子氣隙均勻，并使轉子得到無接觸支撐。本發明的永磁磁路通過永磁體、內環定子鐵芯磁極、外環定子鐵芯磁極、磁氣隙以及轉子構成閉合回路，形成磁懸浮軸承的主磁路；由于永磁體將內環定子鐵芯磁極和外環定子鐵芯磁極“隔開”(永磁體磁阻大，對電磁磁路來講是一個很大的磁阻)，因此內環定子鐵芯磁極繞制的線圈通電時產生的電磁磁路僅在兩個內環定子鐵芯磁極之間形成電磁磁路，同理，外環定子鐵芯磁極繞制的線圈通電時產生的電磁磁路僅在兩個外環定子鐵芯磁極之間形成電磁磁路。這樣保證了電磁磁路不通過永磁體內部，減小了電磁磁路的磁阻，降低了激磁電流，降低了軸承的功耗。本發明的軸向磁軸承成對使用，安裝時保證上下兩個軸向磁軸承的定子鐵芯磁極正對，即同時保證兩個軸向磁軸承的內環定子鐵芯磁極同時沿+X和-χ 方向放置，并且外環定子鐵芯磁極同時沿+Y和-Y方向放置，或者兩個軸向磁軸承的內環定子鐵芯磁極同時沿+Y和-Y方向放置，并且外環定子鐵芯磁極同時沿+X和-X方向放置。 永磁體在內環定子鐵芯磁極與轉子之間氣隙處產生的磁通方向相同，而內環定子鐵芯磁極上的線圈通電在內環兩個定子鐵芯磁極與轉子之間的氣隙處產生的磁通方向相反，因此當轉子發生徑向扭轉時，通過調節線圈電流可以實現電磁磁通在一個內環定子磁極與轉子之間的氣隙處與永磁磁通相疊加，而在另一個內環定子磁極與轉子之間氣隙處與永磁磁通相抵消，因此可以產生徑向方向的回轉力矩使轉子恢復到平衡位置。同理，永磁體在外環定子鐵芯磁極與轉子之間氣隙處產生的磁通方向相同，而外環定子鐵芯磁極上的線圈通電在外環兩個定子鐵芯磁極與轉子之間的氣隙處產生的磁通方向相反，因此當轉子發生徑向扭轉時，通過調節線圈電流可以實現電磁磁通在一個外環定子磁極與轉子之間的氣隙處與永磁磁通相疊加，而在另一個外環定子磁極與轉子之間氣隙處與永磁磁通相抵消，因此可以產生徑向方向的回轉力矩使轉子恢復到平衡位置。本發明與現有技術相比的優點在于本發明由于采用永磁磁場作為偏置磁場，與傳統電磁軸承相比消除了在線圈電流中占主要分量的偏置電流，降低了繞組銅耗和控制功放損耗，因此功耗低。與現有的永磁偏置軸向磁軸承相比，本發明所述的永磁偏置軸向磁軸承的定子組件采用了內環定子鐵芯和外環定子鐵芯的形式，并且內、外環定子鐵芯均有 2個磁極，因而可實現轉子的徑向扭動控制，并且使得轉子旋轉一周時氣隙中的磁場只有兩次交變，減小了現有三自由度軸向磁軸承旋轉損耗的缺陷，在實現系統減小軸向長度的同時，可以大大減小高速下的旋轉損耗。
圖1為本發明的可控制徑向扭轉的軸向磁軸承定子結構示意圖。圖2為本發明的可控制徑向扭轉的軸向磁軸承定子結構示意圖。圖3為本發明的可控制徑向扭轉的軸向磁軸承定轉子組件示意圖。圖中1，內環定子鐵芯磁極；2，外環定子鐵芯磁極；3，永磁體；4，線圈；5，磁氣隙； 6，轉子。
具體實施例方式如圖1、圖2和圖3所示，本發明的可控制徑向扭動的軸向磁軸承，由定子組件和轉子6組成，定子組件由內環定子鐵芯磁極1、外環定子鐵芯磁極2、永磁體3以及線圈4組成，一對內環定子鐵芯磁極1的重心連線與另一對外環定子鐵芯磁極2的重心連線相垂直， 即其中內環定子鐵芯磁極1有兩個，沿+X、_X方向，外環定子鐵芯磁極2有兩個，沿+Y、-Y 方向；或者兩個軸向磁軸承的內環定子鐵芯磁極1同時沿+Y和-Y方向放置，外環定子鐵芯磁極2同時沿+X和-X方向放置，每個定子鐵芯磁極上繞制有線圈4，內環定子鐵芯磁極1和外環定子鐵芯磁極2與轉子6之間形成軸向磁氣隙5，永磁體3的徑向內側與內環定子鐵芯磁極1相連，徑向外側與外環定子鐵芯磁極2相連。從圖2可以看出內環定子鐵芯磁極、外環定子鐵芯磁極、永磁體和線圈之間的相對位置關系，圖3給出了軸向磁軸承定轉子組件示意圖。所述的內環定子鐵芯磁極1和外環定子鐵芯磁極2與轉子6之間形成的軸向磁氣隙 5 為 0. 2—0. 4_。在實際安裝時，最好成對使用本發明所述的軸向磁軸承，保證上下兩個軸向磁軸承的定子鐵芯磁極正對，即同時保證兩個軸向磁軸承的內環定子鐵芯1磁極同時沿+X和-X 方向放置，并且外環定子鐵芯磁極2同時沿+Y和-Y方向放置。由于內環定子鐵芯磁極1 的線圈4通電僅在內環鐵芯之間形成回路，外環定子鐵芯磁極2的線圈4通電僅在外環鐵芯之間形成回路，因此通過控制內環定子鐵芯磁極1的線圈4和外環定子鐵芯磁極2的線圈4中的電流大小和方向就可以實現對轉子6發生徑向扭動方向的控制。本發明所用的內環定子鐵芯磁極1和外環定子鐵芯磁極2可用導磁性能良好的電工薄鋼板如電工硅鋼板01 510、01 470、01350、150、179或硅鋼薄帶等磁性材料制成；轉子 6為導磁性能良好的材料如電工純鐵、1J50、1J79等制成的推力圓盤，或者為導磁性能良好的材料如電工純鐵、硅鋼等制成的系統轉動部分的一部分；永磁體3的材料為磁性能良好的稀土永磁體或鐵氧體永磁體，并且為徑向充磁，線圈4用導電良好的電磁線繞制后浸漆烘干而成。需要說明的是，如果需要進一步降低軸向磁軸承的功耗，可以將內環定子鐵芯磁極1和外環定子鐵芯磁極2以及轉子分別采用納米晶等低交流損耗的軟磁材料卷繞而成。另外，本發明所述軸向磁軸承特別適合于控制徑向扭轉，在實際應用時需要利用系統的徑向空間增加僅提供軸向平動的單自由度軸向磁軸承。本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。
權利要求
1.一種可控制徑向扭轉的軸向磁軸承，其特征在于包括轉子(6)以及設置在轉子上方的定子組件，定子組件包括永磁體以及四個定子鐵芯磁極，該四個定子鐵芯磁極周向均布在永磁體外圍，且其中相對設置的一對內環定子鐵芯磁極(1)與永磁體(3)的徑向內側相連，余下的另一對外環定子鐵芯磁極(2)與永磁體(3)的徑向外側相連，一對內環定子鐵芯磁極(1)的重心連線與另一對外環定子鐵芯磁極(2)的重心連線相垂直；每個定子鐵芯磁極上繞制有線圈(4)，內環定子鐵芯磁極(1)和外環定子鐵芯磁極(2)與轉子(6)之間形成軸向磁氣隙(5)。
2.根據權利要求1所述的可控制徑向扭轉的軸向磁軸承，其特征在于所述的永磁體 (3)為徑向充磁。
3.根據權利要求1或2所述的可控制徑向扭轉的軸向磁軸承，其特征在于所述的內環定子鐵芯磁極(1)和外環定子鐵芯磁極(2)與轉子(6)之間形成的軸向磁氣隙(5)為 0. 2—0. 4mm。
4.根據權利要求3所述的可控制徑向扭轉的軸向磁軸承，其特征在于所述的永磁體 (3)采用稀土永磁材料或鐵氧體永磁材料制成。
5.根據權利要求3所述的可控制徑向扭轉的軸向磁軸承，其特征在于所述的內環定子鐵芯磁極(1)和外環定子鐵芯磁極(2)采用導磁性能良好的材料疊壓而成。
6.根據權利要求3所述的可控制徑向扭轉的軸向磁軸承，其特征在于所述的轉子(6) 為導磁性能良好的材料制成的推力圓盤，或者為導磁性能良好的材料制成的系統轉動部分的一部分。
全文摘要
一種可以控制徑向扭轉的軸向磁軸承，由定子組件和轉子組成，定子組件由2組定子鐵芯、永磁體以及線圈組成，2組定子鐵芯共4個磁極，沿內環和外環布置，一對內環定子鐵芯磁極的重心連線與另一對外環定子鐵芯磁極的重心連線相垂直每個定子鐵芯磁極上繞制有線圈。定子組件與轉子之間形成軸向磁氣隙，永磁體的徑向內側與內環定子鐵芯相連，徑向外側與外環定子鐵芯相連，本發明通過2組定子鐵芯可實現磁懸浮轉子的徑向扭動控制，可大大減小系統的軸向尺寸。該軸向磁軸承還具有旋轉損耗低、性能可靠、利于控制等優點。
文檔編號F16C32/04GK102537048SQ20121002761
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月8日 優先權日2012年2月8日
發明者孫寧, 張穎超, 李濤 申請人:南京信息工程大學