一種電網發電機用新型自穩定被動磁軸承的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種非接觸磁懸浮軸承，特別是一種電網發電機用新型自穩定被動磁軸承結構，可實現電網用小型發電機、電動機等旋轉部件的無接觸支撐。
【背景技術】
[0002]電網技術錯綜復雜，在電網電力系統中，發電機是其重要的環節之一，為了提高發電機效率，提升發電機技術水平，實現國家節能環保的目標，磁懸浮電機的發展在近年來迅猛發展，傳統的磁懸浮電機系統實現五自由度的懸浮，其必須采用主動磁軸承和被動磁軸承結合的方式，我們知道，磁懸浮軸承分為主動式和被動式，主動式磁懸浮軸承是在偏置磁場的基礎上疊加控制線圈所產生的磁場而成的磁懸浮軸承，被動式磁懸浮軸承是只有永磁磁場而成的磁懸浮軸承，現有的被動磁軸承分為吸力型和斥力型被動磁軸承，大多都是利用定子永磁體與轉子永磁體在氣隙中的相互作用產生穩定時需要的作用力，根據恩休定理，單個被動磁軸承無法實現五自由度的全懸浮，但是該定理并沒有對將被動磁軸承進行組合配置進行說明，目前的單個被動磁軸承確實無法實現五自由度的全懸浮。
【發明內容】
[0003]本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供一種電網發電機用新型自穩定被動磁軸承，這種軸承通過被動磁軸承的組合配置以及截面形狀的變化，可以實現系統的全懸浮。
[0004]本發明的技術解決方案是:一種電網發電機用新型自穩定被動磁軸承，由兩組被動磁軸承對組成，每一組被動磁軸承對分為兩個永磁體環，其中一個永磁體環作為定子部分，另一個永磁體環作為轉子部分，兩組被動磁軸承對的轉子部分通過非導磁材料進行粘接固定，兩組被動磁軸承對的定子部分安裝于發電機機殼上。每一組被動磁軸承對的永磁體環完全相同，每個永磁體環均沿徑向充磁，其截面為平行四邊形，且平行四邊形的銳角部分必須介于40度?60度之間。
[0005]所述的兩組被動磁軸承對的安裝還可以是關于y軸對稱安裝。
[0006]所述的永磁體對一組的截面平行四邊形的銳角為42度，另一組的截面平行四邊形的銳角為53度。
[0007]所述的永磁體環為燒結釤鈷永磁體或釹鐵硼永磁體。
[0008]本發明的原理是:根據兩個永磁體環在同樣充磁方向，但不同截面形狀下產生的徑向力和軸向力的大小和方向的不同，通過仿真和實驗尋求產生徑向力和軸向力穩定的組合，通過不同永磁體對的組合，可以實現五自由度的全懸浮。
[0009]本發明與現有技術相比的優點在于:與現有主動式磁懸浮軸承相比，節省傳感器系統、控制線圈以及控制線圈所需要的控制器，縮小了體積、減輕了重量、消除了損耗、提高了系統的可靠性；與現有被動式磁懸浮軸承相比，本發明采用了不同截面形狀的永磁體對的組合，可以實現磁懸浮系統的五自由度全懸浮。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明的單組被動磁軸承對的基本結構圖。
[0011]圖2為本發明的單組被動磁軸承對在截面平行四邊形銳角為10度時的受力曲線，其中圖2a為軸向力曲線，圖2b為徑向力曲線。
[0012]圖3為本發明的單組被動磁軸承對在截面平行四邊形銳角為50度時的受力曲線，其中圖3a為軸向力曲線，圖3b為徑向力曲線。
[0013]圖4為本發明的單組被動磁軸承對在截面平行四邊形銳角為75度時的受力曲線，其中圖4a為軸向力曲線，圖4b為徑向力曲線。
[0014]圖5為本發明的所述兩組被動磁軸承對(截面平行四邊形銳角相同)的結構示意圖。
[0015]圖6為本發明的所述兩組被動磁軸承對在最優截面平行四邊形銳角下的結構示意圖。
[0016]圖7為本發明的所述兩組被動磁軸承對(截面平行四邊形銳角沿y軸對稱)的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017]圖1為本發明所述的單組被動磁軸承對，圖中α為截面平行四邊形銳角，Di為永磁體環的內徑，本實施例中為280mm，D。為永磁體環的外徑，本實施例中為390mm，L為永磁體環的軸向長度，本實施例中為120_，每個永磁體環的厚度在本實施例中為110_，圖中δ為氣隙長度，在本實施例中為1.5_，當其中一個永磁體環發生軸向移動時，所產生的位移我們稱為偏移量，沿ζ軸正向或y軸正向運動為正，沿z軸負向或y軸負向運動為負。所有永磁體環均沿徑向充磁。
[0018]當永磁體環的截面平行四邊形銳角α為10度時，可以得到單個永磁體環受到的軸向力曲線和徑向力曲線，如圖2所示，從圖2a中可以看出，隨著軸向偏移量的增加，軸向力絕對值減小，方向為負，也就是說，當一個永磁體環從平衡位置往ζ軸負向移動時，所受軸向力的方向為負，且偏移量越大，軸向力越大；同理，當一個永磁體環從平衡位置往ζ軸正向移動時，所受軸向力的方向仍為負，且偏移量越大，軸向力越小，因此在軸向上是半穩定狀態(即僅往正方向偏移穩定)，從圖2b可以看出，當徑向偏移量沿正向增加時，一個永磁體環的所受徑向力為負值，且越來越大，當徑向偏移量沿負向增加時，一個永磁體環所受徑向力為正值，且越來越大，因此這種情況，該組磁軸承為徑向方向穩定。
[0019]當永磁體環的截面平行四邊形銳角α為50度時，可以得到單個永磁體環受到的軸向力曲線和徑向力曲線，如圖3所示，從圖3a中可以看出，隨著軸向偏移量的增加，軸向力為正且在減小，也就是說，當一個永磁體環沿ζ軸負向移動時，其所受的軸向力為正向，且負向移動距離越大軸向力正向越大，同理，當一個永磁體環沿ζ軸正向移動時，盡管所受軸向力也為正，但是隨著軸向偏移量的增加，軸向力在減小，這說明如果采用圖5所示的兩組所述被動磁軸承對時，如果一端的一組被動磁軸承間隙變大，即轉子對于這端來說出現正向偏移量，則隨著偏移量的增大這端轉子所受軸向力減小，而對于另一端來說，相當于出現負向偏移，隨著偏移量的減小，該端轉子所受軸向力與偏移量方向相反且增大，因此可以實現軸向上的自穩定；從圖3b可以看出，當徑向偏移量沿正向增加時，一個永磁體環所受徑向力為負值，且越來越大，當徑向偏移量沿負向增加時，一個永磁體環的所受徑向力為正值，且越來越大，因此這種情況，該組磁軸承為徑向方向穩定。由此可以看出，采用永磁環截面平行四邊形銳角為50度時，一組被動磁軸承的徑向方向是自穩定的，當采用相同的兩組被動磁軸承對后，軸向方向也是自穩定的。
[0020]當永磁體環的截面平行四邊形銳角α為75度時，可以得到單個永磁體環受到的軸向力曲線和徑向力曲線，如圖4所示，從圖4a中可以看出，隨著軸向偏移量的增加，軸向力絕對值減小，方向為正，也就是說，當一個永磁體環從平衡位置往ζ軸負向移動時，所受軸向力的方向為正，且偏移量越大，軸向力越大；同理，當一個永磁體環從平衡位置往ζ軸正向移動時，所受軸向力的方向仍為正，且偏移量越大，軸向力越小，因此在軸向上可認為是半穩定狀態(即僅往負方向偏移穩定)，從圖4b可以看出，當徑向偏移量沿正向增加時，一個永磁體環的所受徑向力為正值，且越來越大，當徑向偏移量沿負向增加時，一個永磁體環所受徑向力為負值，且越來越大，因此這種情況，該組磁軸承在徑向方向不穩定。
[0021]本發明所述的自穩定被動磁軸承由上述的兩組被動磁軸承對組成，每一組被動磁軸承對分為兩個永磁體環，其中一個永磁體環作為定子部分，另一個永磁體環作為轉子部分，兩組被動磁軸承對的轉子部分通過非導磁材料(如鋁合金、lCrl8Ni9Ti以及鈦合金等材料)進行粘接固定，兩組被動磁軸承對的定子部分安裝于發電機機殼上。每一組被動磁軸承對的永磁體環完全相同，每個永磁體環均沿徑向充磁，其截面為平行四邊形。根據大量仿真和實驗，可以得出本發明所述永磁體環截面平行四邊形的銳角必須介于40度?60度之間，可以實現整個系統的五自由度自穩定。特別地，所述的永磁體對一組的截面平行四邊形的銳角為42度，另一組的截面平行四邊形的銳角為53度，如圖6所示，可以實現穩定程度最優，即徑向剛度和軸向剛度均可達到最大值。
[0022]根據永磁體環形狀的對稱性可知，本發明所述兩組永磁體環截面形狀可以采用圖7所示的沿y軸對稱的截面形狀。所述的永磁體環為燒結釤鈷永磁體或釹鐵硼永磁體。
[0023]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。
【主權項】
1.一種電網發電機用新型自穩定被動磁軸承，其特征在于:由兩組被動磁軸承對組成，每一組被動磁軸承對分為兩個永磁體環，其中一個永磁體環作為定子部分，另一個永磁體環作為轉子部分，兩組被動磁軸承對的轉子部分通過非導磁材料進行粘接固定，兩組被動磁軸承對的定子部分安裝于發電機機殼上。每一組被動磁軸承對的永磁體環完全相同，每個永磁體環均沿徑向充磁，其截面為平行四邊形，且平行四邊形的銳角部分必須介于40度?60度之間。2.根據權利要求1所述的新型自穩定被動磁軸承，其特征在于:所述的兩組被動磁軸承對的安裝關于1軸對稱。3.根據權利要求1所述的新型自穩定被動磁軸承，其特征在于:所述的永磁體對一組的截面平行四邊形的銳角為42度，另一組的截面平行四邊形的銳角為53度。4.根據權利要求1所述的新型自穩定被動磁軸承，其特征在于:所述的永磁體環為燒結釤鈷永磁體或釹鐵硼永磁體。
【專利摘要】本發明涉及一種非接觸磁懸浮軸承，特別是一種電網用新型自穩定被動磁軸承，可作為小型電網用發電機等機械設備中旋轉部件的無接觸支撐。本發明的被動磁軸承由兩組被動磁軸承對組成，每一組被動磁軸承對由兩個永磁體環組成，它們共同組成了定子部分和轉子部分，定子部分和轉子部分之間形成磁氣隙，每個永磁體環的截面形狀有著特殊的要求。本發明節省了傳感器系統、控制線圈以及控制線圈所需要的功放電路，特別地，本發明采用了被動磁軸承對的結構形式，可實現被動磁軸承的五自由度全懸浮。
【IPC分類】F16C32/04
【公開號】CN105275991
【申請號】CN201510835422
【發明人】俱子研
【申請人】俱子研
【公開日】2016年1月27日
【申請日】2015年11月27日