一种无槽直流混合磁轴承的制作方法

1.本实用新型涉及一种非机械接触磁轴承，特指一种无槽直流混合磁轴承，可作为飞轮系统、机床电主轴、离心机等高速传动部件的无接触悬浮支承。


背景技术：

2.磁轴承是利用定子和转子之间的电磁力将转子悬浮于空间，使定、转子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承。目前，磁轴承按照磁力提供的方式分为以下三种：（1）主动磁轴承，由偏置电流产生偏置磁场，控制电流产生的控制磁通与偏置磁通相互叠加，从而产生可控的悬浮力，该种磁轴承体积、重量和功耗都比较大；（2）被动磁轴承，悬浮力完全由永磁体提供，所需的控制器简单，悬浮功耗小，但是刚度和阻尼都较小，一般运用于仅在一个方向上支撑物体或者是减轻作用在传统轴承上的负荷；（3）混合磁轴承，是采用永磁材料替代主动磁轴承中的电磁铁来产生偏置磁场，控制电流仅提供平衡负载或干扰的控制磁通，大大降低了磁轴承的功率损耗，缩小了磁轴承的体积，减轻其重量，并提高了承载能力。
3.现有的混合磁轴承结构共性都是在定子沿圆周分布定子齿，并且绕组绕制于定子齿上，该结构的绕组的设计涉及到匝数、导线的截面积、电流密度等，且占用径向空间，径向磁极面积无法做到最大，径向承载力小，轴向长度较长、临界转速低。另外，该结构的气隙磁密受齿部饱和的限制，不能根据需要提高。


技术实现要素：

4.实用新型目的：本实用新型的目的是提出一种无槽直流混合磁轴承，该结构的混合磁轴承绕组嵌放于转子铁芯的槽内，增大了定转子之间的有效面积、增大了悬浮力密度，具有结构紧凑、稳定性好、利用率高的特点。
5.技术方案：本实用新型公开了一种无槽直流混合磁轴承，包括定子和转子，所述定子包括左侧定子铁芯、右侧定子铁芯和一个永磁环；两个定子铁芯为圆盘环状结构；所述永磁环为轴向充磁，其外径与两个所述定子铁芯的外径相同，左侧定子铁芯与右侧定子铁芯通过永磁环相连接；所述转子包括转子铁芯和转轴；所述转轴贯穿所述转子铁芯；所述转子铁芯沿径向剖面为“h”形结构，其左右两侧分别与左侧定子铁芯、右侧定子铁芯位置相对，其与左侧定子铁芯、右侧定子铁芯之间形成气隙；所述转子铁芯沿其圆周边贯穿设置有4n个左侧圆形内槽与4n个右侧圆形内槽，其中n为正整数，在左侧圆形内槽与右侧圆形内槽内分别放置绕组，沿圆周左、右两侧相对的两个圆形内槽中的绕组一端短接，另一端与转子铁芯一侧的一个换向器中的换向片连接，或者左、右两侧圆形内槽中的绕组另一端分别连接于转子铁芯左、右两侧换向器中的换向片，所述换向片个数为4n个，所述换向片通过碳刷连接双极性开关功放。
6.进一步地，取n=3，所述左侧圆形内槽与右侧圆形内槽个数为12个，其内设置的绕组分别记为绕组r
l1
‑
r
l12
、绕组r
r1
‑
r
r12
通入直流电流，记绕组r
l1
与绕组r
r1
为绕组r1，以此类推，绕组r
l12
与绕组r
r12
为绕组r
12
。
7.进一步地，沿圆周左、右两侧相对的两个圆形内槽中的绕组一端短接，另一端与转子铁芯一侧的一个换向器中的换向片连接，所述换向片个数为12个，每3个换向片连接一个碳刷，所述绕组r
l1
‑
r
l12
、r
r1
‑
r
r12
用于悬浮控制，绕组r
l1
与r
l7
、绕组r
l2
与r
l8
、绕组r
l3
与r
l9
、绕组r
l4
与r
l10
、绕组r
l5
与r
l11
、绕组r
l6
与r
l12
、绕组r
r1
与r
r7
、绕组r
r2
与r
r8
、绕组r
r3
与r
r9
、绕组r
r4
与r
r10
、绕组r
r5
与r
r11
、绕组r
r6
与r
r12
同向串联，左侧的六组绕组同向并联，右侧的六组绕组同向并联，左侧和右侧同位置的绕组再同向串联或并联后连接于所述换向器上的12个换向片，控制径向两自由度。
8.进一步地，沿圆周左、右两侧相对的两个圆形内槽中的绕组一端短接，左、右两侧圆形内槽中的绕组另一端分别连接转子铁芯左、右两侧换向器中的换向片，每侧换向器中的换向片个数均为12个，每3个换向片连接一个碳刷，所述绕组r
l1
‑
r
l12
、r
r1
‑
r
r12
用于悬浮控制，绕组r
l1
与r
l7
、绕组r
l2
与r
l8
、绕组r
l3
与r
l9
、绕组r
l4
与r
l10
、绕组r
l5
与r
l11
、绕组r
l6
与r
l12
、绕组r
r1
与r
r7
、绕组r
r2
与r
r8
、绕组r
r3
与r
r9
、绕组r
r4
与r
r10
、绕组r
r5
与r
r11
、绕组r
r6
与r
r12
同向串联，左侧的12个绕组一端接左侧换向器中的12个换向片，右侧的12个绕组一端接右侧换向器中的12个换向片，共同控制径向两自由度。
9.进一步地，所述换向器包括底座，所述底座为绝缘材料，其上设有换向器圆柱，所述换向器圆柱表面分布个数与左侧圆形内槽个数相等的所述换向片，记为换向片c1~c
12
，两两所述换向片之间绝缘，12个所述绕组连接于12个所述换向片，6个所述绕组对应连接的换向片用于控制x方向，其余6个所述绕组对应连接的换向片用于控制y方向；在x和y方向共设置4个所述碳刷，每个碳刷与3个换向片位置对应，每个碳刷的两端与其对应的3个换向片外侧位置对齐，其弦长宽度等于对应的三个换向片的宽度加之间的两个绝缘宽度，各所述换向片通过所述碳刷连接双极性开关功放。
10.进一步地，相邻所述换向片之间的绝缘宽度与换向片宽度相同。
11.进一步地，在转子旋转时，所述碳刷位置不动，四个碳刷下连接的绕组顺序变化，且碳刷下对应的所述换向片个数不变。
12.进一步地，所述左侧定子铁芯、右侧定子铁芯、转子铁芯由整块导磁材料制成，所述永磁环为稀土永磁材料制成。
13.有益效果：
14.本实用新型由永磁环提供静态偏置磁通，转子铁芯内槽绕组通电产生的控制磁通调节相应的偏置磁通；该结构的混合磁轴承绕组嵌放于槽内，增大定转子间有效面积，增大了悬浮力密度，具有结构紧凑、稳定性好、利用率高的特点。
附图说明
15.图1为本实用新型一种无槽直流混合磁轴承换向器连接图，其中（a）为单侧连接一个换向器时结构图，（b）为双侧连接换向器时的结构图；
16.图2为本实用新型一种无槽直流混合磁轴承单侧换向器绕组分布图；
17.图3为本实用新型一种无槽直流混合磁轴承双侧换向器绕组分布图，其中（a）为左侧换向器与绕组连接图；（b）为右侧换向器与绕组连接图；
18.图4为本实用新型一种无槽直流混合磁轴承轴向剖分与悬浮磁通图；
19.图5为本实用新型一种无槽直流混合磁轴承 x方向悬浮力径向悬浮磁通图，其中
（a）为 x方向左侧悬浮力径向悬浮磁通图，（b）为 x方向右侧悬浮力径向悬浮磁通图；
20.图6为本实用新型一种无槽直流混合磁轴承45
°
方向悬浮力径向悬浮磁通图，其中（a）为45
°
方向左侧悬浮力径向悬浮磁通图，（b）为45
°
方向右侧悬浮力径向悬浮磁通图。
21.其中，1
‑
左侧定子铁芯，2
‑
右侧定子铁芯，3
‑
永磁环，4
‑
转子铁芯，5
‑
转轴，6
‑
气隙，7
‑
静态偏置磁通，8
‑
径向悬浮控制磁通，9
‑
换向片，10
‑
碳刷，11
‑
底座。
具体实施方式
22.下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
23.实施方式1：
24.具体实施方式如图1
‑
6所示，本实用新型公开了一种无槽直流混合磁轴承，包括定子和转子，定子包括左侧定子铁芯1、右侧定子铁芯2和一个永磁环3。两个定子铁芯为圆盘环状结构；永磁环3为轴向充磁，永磁环3的外径与两个定子铁芯的外径相同，两个定子铁芯分别为左侧定子铁芯1与右侧定子铁芯2，左侧定子铁芯1与右侧定子铁芯2通过永磁环3相连接。转子包括转子铁芯4和转轴5，转子铁芯4为环状结构，转轴5贯穿转子铁芯4，转子铁芯4沿径向剖面为“h”形结构，转子铁芯4左右两侧分别与左侧定子铁芯1、右侧定子铁芯2位置相对，与左侧定子铁芯1、右侧定子铁芯2之间形成气隙6。转子铁芯4为环状结构，转子铁芯4沿其圆周边贯穿设置有4n个左侧圆形内槽与4n个右侧圆形内槽，其中n为正整数，本实施方式以n=3为例进行描述，圆形内槽个数为12个，在左侧圆形内槽与右侧圆形内槽内分别放置绕组r
l1
‑
r
l12
、绕组r
r1
‑
r
r12
，沿圆周左、右两侧相对的两个圆形内槽中的绕组一端短接，另一端连接于转子铁芯4一侧的一个换向器上的换向片9或者左、右两侧圆形内槽中的绕组另一端分别连接于转子铁芯4左、右两侧换向器中的换向片9，换向片9个数为4n个，即每个换向器中有12个换向片9。换向片9通过碳刷10连接双极性开关功放。在实际使用过程中，换向器可放置于转子铁芯4一侧或转子铁芯4两侧，参见附图1，换向器可以为一个也可以为2个。本实施方式中，以转子铁芯4一侧连接换向器进行说明。左侧定子铁芯1、右侧定子铁芯2、转子铁芯4由整块导磁材料制成，永磁环3为稀土永磁材料制成。
25.本实施方式中，绕组r
l1
‑
r
l12
、绕组r
r1
‑
r
r12
通入的是直流电流，为了便于描述，记绕组r
l1
与绕组r
r1
为绕组r1~绕组r
l12
与绕组r
r12
为绕组r
12
。沿圆周左、右两侧相对的两个圆形内槽中的绕组一端短接，另一端连接后连接于一个换向器中的换向片9上。绕组r
l1
‑
r
l12
、r
r1
‑
r
r12
用于悬浮控制，绕组r
l1
与r
l7
、绕组r
l2
与r
l8
、绕组r
l3
与r
l9
、绕组r
l4
与r
l10
、绕组r
l5
与r
l11
、绕组r
l6
与r
l12
、绕组r
r1
与r
r7
、绕组r
r2
与r
r8
、绕组r
r3
与r
r9
、绕组r
r4
与r
r10
、绕组r
r5
与r
r11
、绕组r
r6
与r
r12
同向串联，左侧的六组绕组同向并联，右侧的六组绕组同向并联，左侧和右侧同位置的绕组再同向串联或并联后连接于换向器中的换向片9上，换向片9通过碳刷10连接双极性开关功放，控制径向两自由度。参见附图1中的（a）所示。
26.换向器包括底座11，底座11上设有换向器圆柱，底座11为绝缘材料，换向器圆柱表面分布12个换向片9，记为换向片c1~c
12
，两两所述换向片9之间绝缘，换向片9之间的绝缘宽度与换向片9宽度相同，12个绕组与12个换向片连接。为了便于描述，记绕组r
l1
与绕组r
r1
为
绕组r1，以此类推，绕组r
l12
与绕组r
r12
为绕组r
12
，绕组r2、r3、r4、r8、r9、r
10
对应的换向片9用于控制x方向，绕组r1、r5、r6、r7、r
11
、r
12
对应的换向片9用于控制y方向；在图示位置下，绕组r2r3r4、r8r9r
10
、r5r6r7、r1r
11
r
12
对应的换向片9上相对位置放置四个碳刷10，记为碳刷a~碳刷d，每个碳刷10与3个换向片9位置对应，每个碳刷10的两端与其对应的3个换向片9外侧位置对齐，其弦长宽度等于对应的三个换向片9的宽度加之间的两个绝缘宽度，本实施方式中，相邻换向片9之间的绝缘宽度与换向片9宽度相同，在转子旋转时，碳刷10位置不动，四个碳刷10下的绕组顺序变化，且碳刷10下对应的换向片9个数不变。各换向片9通过其对应的3个碳刷10连接双极性开关功放。
27.换向片9随转轴5一起旋转，碳刷10在空间上固定不动，转轴5转动的时候，给碳刷10端施加直流电压，将电能通过换向器输送给绕组，并保证了每三个绕组边中的电流始终是一个方向，且碳刷10下对应的换向片个数保持不变。
28.在图2位置下，当6个绕组r1‑
r6与6个绕组r7‑
r
12
通入方向相反大小一致的直流电流时，将产生一个与偏置磁通相对应的磁通分布。根据磁路结构的对称性，在x轴方向磁场轴线正方向与负方向处的气隙磁场强度幅值相等，而磁场方向相反。
29.永磁环3提供静态偏置磁通7，参见附图4，静态偏置磁通7的磁路为：磁通从永磁环3的n极出发，通过左侧定子铁芯1、气隙6、转子铁芯4、气隙6、右侧定子铁芯2回到永磁环3的s极。
30.绕组r
l1
‑
r
l12
、r
r1
‑
r
r12
通电产生的径向悬浮控制磁通8，其磁路为：左侧定子铁芯1、气隙6、转子铁芯4、左侧定子铁芯1形成闭合回路。参见附图5与附图6。
31.悬浮原理：如图5所示，图5中（a）为 x方向左侧悬浮力径向悬浮磁通图，（b）为 x方向右侧悬浮力径向悬浮磁通图，产生 x方向悬浮力，x方向通入电流，径向由静态偏置磁通7与径向悬浮控制磁通8相互作用，使得与转子径向偏心方向相同一侧气隙磁场叠加减弱，而相反方向气隙磁场叠加增强，在转子上产生与转子偏移方向相反的力，将转子拉回径向平衡位置。
32.如图6所示，图6中（a）为45
°
方向左侧悬浮力径向悬浮磁通图，（b）为45
°
方向右侧悬浮力径向悬浮磁通图，产生45
°
方向悬浮力，45
°
方向通入电流，径向由静态偏置磁通7与径向悬浮控制磁通8相互作用，使得与转子径向偏心方向相同一侧气隙磁场叠加减弱，而相反方向气隙磁场叠加增强，在转子上产生与转子偏移方向相反的力，将转子拉回径向平衡位置。
33.实施方式2：
34.本实施方式与实施方式1的不同之处在于：转子铁芯4两侧均连接换向器，即换向器为两个时，绕组r
l1
‑
r
l12
、r
r1
‑
r
r12
用于悬浮控制，转子铁芯4圆形内槽相对位置的绕组：绕组r
l1
与r
l7
、绕组r
l2
与r
l8
、绕组r
l3
与r
l9
、绕组r
l4
与r
l10
、绕组r
l5
与r
l11
、绕组r
l6
与r
l12
、绕组r
r1
与r
r7
、绕组r
r2
与r
r8
、绕组r
r3
与r
r9
、绕组r
r4
与r
r10
、绕组r
r5
与r
r11
、绕组r
r6
与r
r12
同向串联，左侧的12个绕组一端接左侧换向器中的12个换向片9，右侧的12个绕组一端接右侧换向器中的12个换向片9，每3个换向片9对应一个碳刷10，每个换向器中设置12个换向片9与4个碳刷10。详细的绕组连接方式参见附图3。当连接两个换向器时，左侧的换向器上的4个碳刷记为碳刷a~碳刷d，右侧换向器上的4个碳刷记为碳刷e~碳刷h。各换向器中的换向片9通过其对应的碳刷10连接双极性开关功放，共同控制径向两自由度。
35.本实施方式的其他结构以及悬浮磁通等均与实施方式1相同，此处不作赘述。
36.本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。