一种外转子洛伦兹力轴向磁轴承.pdf

本发明公开了一种外转子洛伦兹力轴向磁轴承，主要由定子系统和转子系统两部分组成，定子系统主要包括骨架、上绕组、下绕组、环氧树脂胶、导磁座和定子锁母；转子系统主要包括：上磁钢、下磁钢、隔磁环、导磁环、转子锁母和套筒；其中绕组直接安装具有良好导热性能的导磁座，绕组铜耗和旋转损耗可通过导磁座迅速传导出去；采用单边磁钢结构，具有结构简单、线性度好、带宽高、导热性能好等优点，提高了轴向磁轴承的结构可靠性，同时降低了磁轴承的温升，可用于磁悬浮动量轮和磁悬浮陀螺仪无接触悬浮支承。

权利要求书
1.  一种外转子洛伦兹力轴向磁轴承，主要由定子系统和转子系统两部分组成，其特 征在于：
定子系统主要包括：骨架(1)、上绕组(2A)、下绕组(2B)、环氧树脂胶 (3)、导磁座(4)和定子锁母(5)；
转子系统主要包括：上磁钢(6A)、下磁钢(6B)、隔磁环(7)、导磁环(8)、 转子锁母(9)和套筒(10)；
所述骨架(1)外壁内有上下两个环形槽，上绕组(2A)和下绕组(2B)分别缠绕 在骨架(1)的上环形槽和下环形槽内，并通过环氧树脂胶(3)固化在骨架(1)上，导 磁座(4)位于骨架(1)的径向内侧，定子锁母(5)位于骨架(1)的上端，骨架(1) 位于导磁座(4)的径向外侧上方，并通过定子锁母(5)固定安装在导磁座(4)上，上 磁钢(6A)位于上绕组(2A)的径向外侧，下磁钢(6B)位于下绕组(2B)的径向外 侧，隔磁环(7)位于上磁钢(6A)和下磁钢(6B)间，导磁环(8)位于上磁钢 (6A)、下磁钢(6B)和隔磁环(7)的径向外侧，转子锁母(9)位于上磁钢(6A)、 下磁钢(6B)、隔磁环(7)和导磁环(8)下方，套筒(10)位于上磁钢(6A)、下磁 钢(6B)、隔磁环(7)、导磁环(8)和转子锁母(9)的径向外侧，转子锁母(9)通 过与套筒(10)的螺纹连接将上磁钢(6A)、下磁钢(6B)、隔磁环(7)和导磁环 (8)固定在套筒(10)的径向内侧，上磁钢(6A)、下磁钢(6B)和隔磁环(7)与上 绕组(2A)和下绕组(2B)留有一定的间隙，形成空气气隙(11)。

2.  根据权利要求1所述的外转子洛伦兹力轴向磁轴承，其特征在于：所述的骨架 (1)为耐高温高强度的聚酰亚胺材料。

3.  根据权利要求1所述的外转子洛伦兹力轴向磁轴承，其特征在于：所述的导磁座 (4)为高导热性的电工纯铁DT4C或1J22块材材料。

4.  根据权利要求1所述的一种外转子洛伦兹力轴向磁轴承，其特征在于：所述的上磁 钢(6A)和下磁钢(6B)为衫钴合金或钕铁硼合金材料。

5.  根据权利要求1所述的一种外转子洛伦兹力轴向磁轴承，其特征在于：所述的导磁 环(8)为电工纯铁DT4C或1J22块材材料。

6.  根据权利要求1所述的一种外转子洛伦兹力轴向磁轴承，其特征在于：所述的上磁 钢(6A)和下磁钢(6B)大小形状相同，充磁方向均为径向充磁，且充磁方向相反。

7.  根据权利要求1所述的外转子洛伦兹力轴向磁轴承，其特征在于：所述的环氧树脂 胶(3)为双组份胶水，两种胶水比例为1:2。

8.  根据权利要求1所述的外转子洛伦兹力轴向磁轴承，其特征在于：所述的环氧树脂 胶(3)固化在常温真空环境下进行，固化时间不低于24小时。

说明书一种外转子洛伦兹力轴向磁轴承
技术领域
本发明涉及一种非接触外转子洛伦兹力轴向磁轴承，尤其涉及一种外转子洛伦兹力 轴向磁轴承。
背景技术
磁悬浮轴承分为磁阻式磁轴承和洛伦兹力磁轴承，前者通过改变气隙或磁动势的大 小，来改变磁极面处的磁密和磁通，从而控制电磁力的大小和方向，后者的气隙不变， 通过改变绕组电流大小和方向，控制线圈中安培力的大小和方向。对于磁阻式磁轴承， 其磁密与控制电流成正比，电磁力与磁密的平方成正比，磁阻式磁轴承的电磁力与控制 电流成平方关系，经线性化处理后其线性范围较窄，控制精度较低。相比之下，洛伦兹 力磁轴承磁动势和气隙大小不变，即气隙内的磁密不变，安培力只与电流有关，且成线 性关系，因此洛伦兹力磁轴承具有很好的线性度，控制精度较高。授权专利 201110253688.0所述的一种大力矩磁悬浮飞轮采用一种两自由度偏转洛伦兹力磁轴承， 通过控制沿圆周均匀放置于定子骨架内的四个线圈电流的大小和方向，实现了飞轮径向 两个自由度的偏转控制，但没有实现轴向平动悬浮。论文《一种磁悬浮陀螺飞轮方案设 计与关键技术分析》所述的磁悬浮陀螺飞轮，在授权专利201110253688.0所述的两自由 度偏转洛伦兹力磁轴承的基础上，增加两个整环线圈用于飞轮转子平动控制。由于气隙 内增加了两个环形线圈，导致气隙增加，在相同的永磁磁动势下，气隙内的磁密大幅下 降，从而降低了线圈电流产生的安培力的大小和洛伦兹力磁轴承的支承刚度，增加了整 机功耗。此外，磁阻式磁轴承的气隙大小一般为0.2～0.35mm，气隙内的磁密大小一般 为1.0～1.4T，且悬浮电磁力与磁密的平方成正比，其较小的电流就能产生较大的悬浮电 磁力，功耗较低。由于洛伦兹力磁轴承气隙较大，一般为4～6mm，气隙内永磁体产生的 磁密大小一般为0.2～0.4T，且悬浮安培力与磁密成正比，即需要较大电流才能输出一定 的悬浮力，因此功耗较大，产生的热量也相应较大。尤其当采用洛伦兹力磁轴承承重或 输出偏转力矩时，线圈电流更大，产生的热量更多，过多的热量会导致洛伦兹力磁轴承 温度急剧升高，从而易导致线圈固化胶熔化、线圈绝缘漆熔化短路等事故的发生。由于 存在上述缺陷，现有洛伦兹力磁轴承在磁悬浮动量轮和磁悬浮陀螺仪的应用中，存在功 耗大且不易散热的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、散热性好、线性度好、带宽高的外转子洛伦兹 力轴向磁轴承。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的外转子洛伦兹力轴向磁轴承，主要由定子系统和转子系统两部分组成，定 子系统主要包括：骨架、上绕组、下绕组、环氧树脂胶、导磁座和定子锁母；
转子系统主要包括：上磁钢、下磁钢、隔磁环、导磁环、转子锁母和套筒；
骨架外壁内有上下两个环形槽，上绕组和下绕组分别缠绕在骨架的上环形槽和下环 形槽内，并通过环氧树脂胶固化在骨架上，导磁座位于骨架的径向内侧，定子锁母位于 骨架的上端，骨架位于导磁座的径向外侧上方，并通过定子锁母固定安装在导磁座上， 上磁钢位于上绕组的径向外侧，下磁钢位于下绕组的径向外侧，隔磁环位于上磁钢和下 磁钢间，导磁环位于上磁钢、下磁钢和隔磁环的径向外侧，转子锁母位于上磁钢、下磁 钢、隔磁环和导磁环下方，套筒位于上磁钢、下磁钢、隔磁环、导磁环和转子锁母的径 向外侧，转子锁母通过与套筒的螺纹连接将上磁钢、下磁钢、隔磁环和导磁环固定在套 筒的径向内侧，上磁钢、下磁钢和隔磁环与上绕组和下绕组留有一定的间隙，形成空气 气隙。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的外转子洛伦兹力轴向 磁轴承，由于采用了单边外圈磁钢结构，与传统双边磁钢洛伦兹力轴向磁轴承相比，减 少了内圈磁钢的使用，结构更加简单，结构可靠性更高。同时相比将绕组固化在非金属 材料(导热性差)的骨架上的结构方案，该结构将绕组直接安装在定子导磁座上，更有 利于绕组热量的散发，降低磁轴承的温升，从而提高磁轴承可靠性。可作为空间用磁悬 浮动量轮和磁悬浮陀螺仪等旋转部件的无接触支承，降低磁轴承悬浮工作时的温升。
附图说明
图1为本发明实施例中外转子洛伦兹力轴向磁轴承的剖视图；
图2为本发明实施例中定子系统的剖视图；
图3为本发明实施例中转子系统的剖视图；
图4a为本发明实施例中骨架、上绕组、下绕组和环氧树脂胶固化装配后组件的剖视 图；
图4b为本发明实施例中骨架、上绕组、下绕组和环氧树脂胶组件固化镗内孔后的剖 视图；
图5a为本发明实施例中骨架在与上绕组、下绕组和环氧树脂胶固化装配前的零件剖 视图；
图5b为本发明实施例中骨架在与上绕组、下绕组和环氧树脂胶固化装配前的零件三 维结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
本发明的外转子洛伦兹力轴向磁轴承，其较佳的具体实施方式是：
如图1所示，主要由定子系统和转子系统两部分组成，定子系统主要包括：骨架1、 上绕组2A、下绕组2B、环氧树脂胶3、导磁座4和定子锁母5；转子系统主要包括：上磁 钢6A、下磁钢6B、隔磁环7、导磁环8、转子锁母9和套筒10；骨架1外壁内有上下两个环 形槽，上绕组2A和下绕组2B分别缠绕在骨架1的上环形槽和下环形槽内，并通过环氧树 脂胶3固化在骨架1上，导磁座4位于骨架1的径向内侧，定子锁母5位于骨架1的上端，骨 架1位于导磁座4的径向外侧上方，并通过定子锁母5固定安装在导磁座4上，上磁钢6A位 于上绕组2A的径向外侧，下磁钢6B位于下绕组2B的径向外侧，隔磁环7位于上磁钢6A和 下磁钢6B间，导磁环8位于上磁钢6A、下磁钢6B和隔磁环7的径向外侧，转子锁母9位于 上磁钢6A、下磁钢6B、隔磁环7和导磁环8下方，套筒10位于上磁钢6A、下磁钢6B、隔 磁环7、导磁环8和转子锁母9的径向外侧，转子锁母9通过与套筒10的螺纹连接将上磁钢 6A、下磁钢6B、隔磁环7和导磁环8固定在套筒10的径向内侧，上磁钢6A、下磁钢6B和 隔磁环7与上绕组2A和下绕组2B留有一定的间隙，形成空气气隙11。
所述的骨架1为耐高温高强度的聚酰亚胺材料。
所述的导磁座4为高导热性的电工纯铁DT4C或1J22块材材料。
所述的上磁钢6A和下磁钢6B为衫钴合金或钕铁硼合金材料。
所述的导磁环8为电工纯铁DT4C或1J22块材材料。
所述的上磁钢6A和下磁钢6B大小形状相同，充磁方向均为径向充磁，且充磁方向相 反。
所述的环氧树脂胶3为双组份胶水，两种胶水比例为1:2。
所述的环氧树脂胶3固化在常温真空环境下进行，固化时间不低于24小时。
图2为本发明中定子系统的剖视图，上绕组2A和下绕组2B分别缠绕在骨架1的上环形 槽和下环形槽内，并通过环氧树脂胶3固化在骨架1上，骨架1、上绕组2A、下绕组2B和 环氧树脂胶3固化为一个整体组件后，通过定子锁母5将其安装在导磁座4上。
图3为本发明中转子系统的剖视图，隔磁环7位于上磁钢6A下端和下磁钢6B上端，导 磁环8位于上磁钢6A、下磁钢6B和隔磁环7的径向外侧，上磁钢6A、下磁钢6B、隔磁环7 和导磁环8位于套筒10的径向内侧，并通过转子锁母9固定在套筒10的径向内侧。
上绕组2A和下绕组2B均需在真空下涂一层绝缘漆，绝缘漆厚度为10～20μm，待绝 缘漆完全粘在上绕组2A和下绕组2B后，再将上绕组2A和下绕组2B分别缠绕在骨架1的上 环形槽和下环形槽内，随后利用环氧树脂胶3将上绕组2A和下绕组2B固化在骨架1上，如 图4a所示。其中，环氧树脂胶3为双组份胶水，两种胶水比例为1:2，其固化在常温真空 环境下进行，固化时间不低于24小时。待骨架1、上绕组2A、下绕组2B和环氧树脂胶3固 化为一个整体组件后，在经过镗削加工，将骨架1的内壁厚度由固化前的4～5mm镗削至 0.3～0.5mm，如图4b所示。
图5a为本发明中骨架1在与上绕组2A、下绕组2B和环氧树脂胶3固化装配前的零件剖 视图，图5b为本发明中骨架1在与上绕组2A、下绕组2B和环氧树脂胶3固化装配前的零件 三维结构示意图，其材料为耐高温高强度的聚酰亚胺，定子锁母安装面1001用于骨架1与 定子锁母5压紧配合安装，上环形槽1002用于上绕组2A的缠绕，下环形槽1003用于下绕 组2B的缠绕，在骨架1、上绕组2A、下绕组2B和环氧树脂胶3固化为一个整体组件后，镗 削柱面1004需经过镗削加工，其内壁厚度由固化前的4～5mm镗削至0.3～0.5mm，导磁 座安装面1005用于与导磁座4配合安装。
本发明的外转子洛伦兹力轴向磁轴承，克服了现有技术的不足，结构简单、散热性 好、线性度好、带宽高。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明由于采用了单边外圈磁钢结构，与传统双边磁钢洛伦兹力轴向磁轴承相比， 减少了内圈磁钢的使用，结构更加简单，结构可靠性更高。同时相比将绕组固化在非金 属材料(导热性差)的骨架上的结构方案，该结构将绕组直接安装在定子导磁座上，更 有利于绕组热量的散发，降低磁轴承的温升，从而提高磁轴承可靠性。
本发明的原理是：
上磁钢和下磁钢反向充磁，并串联在闭合的永磁磁路中，给磁轴承提供恒定的永磁 磁场，通电的上绕组和下绕组在永磁磁场中产生安培力，提供所需的悬浮力，使转子得 到无接触支承。本发明的永磁磁路为：磁通从下磁钢N极出发，通过气隙，穿过下绕组， 到达导磁座下端，从导磁座上端流出，通过气隙，穿过上绕组，到达上磁钢S极，从上磁 钢N极流出，经过导磁环回到下磁钢S极，形成洛伦兹力磁轴承的永磁磁路，如图1所示。 当同时对上绕组加载顺时针电流(从+Z向往-Z方向俯视)和对下绕组加载逆时针电流 (从+Z向往-Z方向俯视)时，上绕组和下绕组均产生沿+Z方向的安培力。当同时对上绕 组加载逆时针电流(从+Z向往-Z方向俯视)和对下绕组加载顺时针电流(从+Z向往-Z方 向俯视)时，上绕组和下绕组均产生沿-Z方向的安培力。通过同时改变上绕组和下绕组中 电流的大小和方向，控制安培力的大小和方向，从而实现转子的无接触悬浮支承。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的 保护范围为准。