CN2597738Y

CN2597738Y - 混合磁悬浮轴承

Info

Publication number: CN2597738Y
Application number: CNU022887563U
Authority: CN
Inventors: 方家荣
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2002-12-11
Filing date: 2002-12-11
Publication date: 2004-01-07
Anticipated expiration: 2012-12-11

Abstract

混合磁悬浮轴承，属于机械领域，由高温超导磁悬浮轴承，有源磁悬浮轴承和永磁磁悬浮轴承三部分构成。高温超导磁悬浮轴承安装在底部，顶部装有轴向永磁磁悬浮轴承，在永磁磁悬浮轴承和高温超导磁悬浮轴承内侧安装了两个径向有源磁悬浮轴承，径向有源磁悬浮轴承提高了超导磁悬浮轴承的径向刚度及阻尼，克服转子临界转速时所产生的共振，降低机械振动及损耗，保证系统高速稳定旋转。本实用新型可以解决目前高温超导磁悬浮轴承所存在的承载能力低，刚度低，阻尼小，工作位置不确定以及场冷与零场冷等问题，对发展磁悬浮轴承技术和高温超导块材工程应用具有重大的理论研究意义和实际应用价值。

Description

混合磁悬浮轴承

技术领域

本实用新型涉及一种混合磁悬浮轴承，属于机械领域。

背景技术

磁悬浮轴承是一种利用磁场力将转子悬浮于空中，使转子与定子之间实现无机械接触的一种新型高性能轴承。磁悬浮轴承没有机械摩擦，可以降低能耗和噪声，具有无需润滑，无油污染，寿命长以及能适用于许多应用环境等优点，因而具有一般传统轴承和支承技术所无法比拟的优越性。

现有的磁悬浮轴承有永磁、超导、有源三种。根据产生磁悬浮力的不同方式，单纯使用永磁体构成的磁悬浮轴承称为永磁磁悬浮轴承，而由超导体产生磁悬浮的轴承称为超导磁悬浮轴承。使用电磁吸力方式产生的磁悬浮轴承称为有源磁悬浮轴承。

永磁磁悬浮轴承具有简单，可靠和价低等优点，但是完全由永磁材料构成的悬浮系统存在阻尼和不稳定问题。同样，传统的采用电磁吸力方式的有源磁悬浮轴承，本身为一不稳定系统，必须由快速响应的反馈系统加以控制。由高温超导体构成的高温超导磁悬浮轴承，本身就是一个稳定系统，无需有源控制。但是，采用高温超导体的超导磁悬浮轴承，存在着磁通蠕动，承载能力低，刚度低，阻尼小以及工作位置不确定等问题。

发明内容

为克服上述已有技术的缺点，本实用新型提出了一种立式高温超导有源永磁混合磁悬浮轴承，由高温超导磁悬浮轴承，有源磁悬浮轴承和永磁磁悬浮轴承三部分构成。高温超导磁悬浮轴承安装在底部，顶部装有轴向永磁磁悬浮轴承，永磁磁悬浮轴承既可以提供轴向磁悬浮力，又可以确定轴向位置，从而解决超导磁悬浮轴承承载小，工作位置不确定以及场冷与零场冷问题；同时，本实用新型在永磁磁悬浮轴承和高温超导磁悬浮轴承内侧安装了两个径向有源磁悬浮轴承，径向有源磁悬浮轴承提高了超导磁悬浮轴承的径向刚度及阻尼，克服转子临界转速时所产生的共振，降低机械振动及损耗，保证系统高速稳定旋转。因此，本实用新型可以解决目前高温超导磁悬浮轴承所存在的承载能力低，刚度低，阻尼小，工作位置不确定以及场冷与零场冷等问题。

本实用新型的永磁磁悬浮轴承的转子通过过盈配合固定在磁悬浮轴承转轴上，其定子则通过定子衬套固定在磁悬浮轴承外套上。永磁磁悬浮轴承采用了上，下两个相反径向磁化方向的永磁环，而且每个永磁环的截面面积相等，同时利用铁轭来导磁和屏蔽，大大提高了永磁环之间气隙的磁场感应强度和磁压，使两个永磁环之间产生更大的相互作用力，从而提高永磁磁悬浮轴承的承载力和刚度，同时也解决了磁屏蔽的问题。

附图说明：

图1为本实用新型的机械结构图：1、接线插座；2、尾盖；3、上端轴向传感器；4、端盖；5、保护轴承；6、上端径向传感器探头；7、永磁磁悬浮轴承定子；8、永磁磁悬浮轴承转子；一9、永磁磁悬浮轴承定子衬套；10、磁悬浮轴承外套；11、上端有源磁悬浮轴承转子；12、上端有源磁悬浮轴承定子；13、上端有源磁悬浮轴承定子衬套；14、转轴；15、电机定子；16、电机转子；17、下端有源磁悬浮轴承转子；18、下端有源磁悬浮轴承定子；19、下端有源磁悬浮轴承定子衬套；20、下端径向传感器探头；21、下端盖；22、支撑盘；23、联轴器；24、支撑圆柱；25、高温超导磁悬浮轴承转子--飞轮；26、超导磁悬浮轴承定子[超导块材钇钡铜氧(YBCO)]；27、液氮；28、液氮容器；29、基座；30、调节螺栓。

图2为本实用新型的永磁磁悬浮轴承的结构剖面图：7、永磁磁悬浮轴承定子；8、永磁磁悬浮轴承转子；31、永磁环；32、永磁环；33、铁轭。

图3为本实用新型的有源磁悬浮轴承的单自由度结构框图。

图4为本实用新型的高温超导磁悬浮轴承转子--飞轮的结构图：25、高温超导磁悬浮轴承转子--飞轮；34、圆柱形永磁体；35、环形永磁体。

图5为本实用新型的高温超导磁悬浮轴承定子的超导块材布置图。

图6为本实用新型的高温超导混合磁悬浮轴承系统原理框图。

本实用新型的机械结构如图1所示：

上部的永磁磁悬浮轴承7、8、9、电机15、16以及有源磁悬浮轴承的定子12、18、转子11、17分别通过过盈配合固定在磁悬浮轴承外套10及转轴14上。位移传感器探头6、20和保护轴承5分别固定在上、下两个端盖4和21上。转轴14通过联轴器23与飞轮25经过盈配合进行连接，以确保转轴同心度。超导磁悬浮轴承定子26被内装在液氮容器28中。整个装置通过支撑盘22与支撑圆柱24被固定在基座29上。另外，本实用新型可以通过支撑圆柱24和调节螺栓30来调整装置系统的水平度。

本实用新型高温超导混合磁悬浮轴承由於采用了三种磁悬浮轴承，它的转子包括了这三种轴承的转子。如图1所示，转轴及其装配在转轴上的部件统称为转子，从上到下依次为：永磁磁悬浮轴承转子8，上端径向磁悬浮轴承转子11，电机转子16，下端径向磁悬浮轴承转子17，联轴器23，高温超导磁悬浮轴承转子25。

图2为本实用新型的永磁磁悬浮轴承结构剖面图。该永磁磁悬浮轴承的转子8和定子7均采用了上，下两个不同径向磁化方向的永磁环31和32，而且每个永磁环的截面面积相等。为了减少漏磁，以及提高永磁材料的利用效率，除相互作用的永磁环气隙外，永磁内、外环全部采用铁轭33来导磁，进行屏蔽，减少了漏磁，永磁环气隙处的磁场感应强度得到了提高，而且磁场作用力与磁场感应强度的平方成正比，所以可以大大提高永磁磁悬浮轴承的悬浮力和刚度性能。

图3为本实用新型的有源磁悬浮轴承的单自由度结构框图。其主要由有源磁悬浮轴承定子12、18，转子11、17，传感器，控制器以及功率放大器组成。在有源磁悬浮轴承系统中，每个有源磁悬浮轴承定子12、18由四个电磁铁组成，四个电磁铁沿转子11、17圆周对称安排，这样在单个自由度上采用了一对对称的电磁铁，从而可以控制两个径向自由度。如图3所示，由传感器检测到位移信号，并由一对对称的功放电路，按差动模式驱动电磁铁，从而同时使转子在一个自由度上受到两个方向相反的电磁作用力。

图4所示为高温超导磁悬浮轴承转子--飞轮25结构。转子--飞轮25包括一个位于中心的圆柱形的永磁体34和一个环形永磁体35组成。为了增大永磁体结构的磁场强度梯度，圆柱体与圆环的磁化方向相反，一个方向向上，一个向下。

图5所示为高温超导磁悬浮轴承定子的超导块材布置图，本实用新型采用了七块尺寸相同的用熔融织构方法制备的钇钡铜氧(YBCO)。其中一块置于中心，其余六块围绕中心，块材均匀布置在圆周上，与永磁圆环中心圆圈对齐布置。

由于处于超导状态的高温超导体具有很强的抗磁性和磁通钉扎性，高温超导磁悬浮轴承本身就是一个稳定系统，它既为轴向磁悬浮轴承，也为径向磁悬浮轴承，可以实现转子的稳定悬浮和运转。为了提高超导磁悬浮轴承的承载能力，在本实用新型的顶部放置有一个轴向永磁磁悬浮轴承7、8、9，用以轴向卸载，以便悬浮质量更大的转子，由于高温超导磁悬浮轴承径向刚度和阻尼小，本实用新型中部装有两个径向有源磁悬浮轴承11、12、13、17、18、19、，用以控制当转子由静态稳浮过渡到稳定运转的动态过程时产生的径向摆动，提高径向刚度和阻尼，从而实现转子的高速运转。在转子两端装有保护轴承5，以便系统调试，以及系统高速运转失控时起保护作用。系统装置中部装有三相异步中频电机15、16，用以驱动转子高速旋转。在转子底端装有内嵌圆柱形永磁体35及环形永磁体36的飞轮25，它与下端的定子——七块高温超导块材钇钡铜氧(YBCO)26一起构成高温超导磁悬浮轴承。

有源磁悬浮轴承控制系统主要由有源磁悬浮轴承定子12、18，转子11、17，传感器，控制器以及功率放大器组成。它采用了上、下两个径向有源磁悬浮轴承11、12、13、17、18、19，利用位移传感器6、20检测到转子的位移偏差信号，经由一定控制规律的控制器和功率放大器，调节径向电磁铁的励磁电流，以调整对转子的电磁吸力，使转子控制在轴心位置上，从而实现对转子的径向运动进行控制。

整个高温超导混合磁悬浮轴承系统结构示意图如图6所示，其中图中虚线部分为高温超导混合磁悬浮轴承。整个高温超导混合磁悬浮轴承系统包括永磁磁悬浮轴承，有源磁悬浮轴承，高温超导磁悬浮轴承转子--飞轮25，高温超导磁悬浮轴承定子26，液氮容器28，位移传感器，控制器和功率放大器，三相异步电机以及变频电源等组成。

下面结合图6详细说明该混合磁悬浮轴承的工作原理和过程：

永磁磁悬浮轴承依靠永磁体之间的相互作用力来产生悬浮，不需要有源控制。因此本实用新型采用轴向永磁磁悬浮轴承，提供轴向稳定的悬浮力，所以可以利用它来轴向卸载，悬浮起转子，并预先确定转子的轴向位置。对于立式系统来说，系统始终保持轴向悬浮状态。为了提高永磁磁悬浮轴承的承载力和刚度，该永磁磁悬浮轴承的转子8和定子7均采用了上，下两个不同径向磁化方向的永磁环31、32，而且每个永磁环的截面面积相等。为了减少漏磁，以及提高永磁材料的利用效率，除相互作用的永磁环间隙外，永磁内、外环全部采用铁轭33来导磁。

本实用新型高温超导有源永磁混合磁悬浮轴承的工作过程为：首先，从液氮杜瓦容器中注入液氮至液氮容器，高温超导块材钇钡铜氧(YBCO)冷却后，即处于超导状态，具有抗磁性和磁通钉扎性。高温超导磁悬浮轴承就是利用超导块材的抗磁性提供一个静态磁悬浮力，利用钉扎提供一个稳定力，从而实现稳定悬浮，所以，它既为轴向磁悬浮轴承，也为径向磁悬浮轴承。但是，高温超导磁悬浮轴承的磁悬浮力与冷却前外加磁场的初始状态以及历史过程有关，具有磁滞特性，工作位置不确定，并存在场冷与零场冷问题。零场冷条件下可以提供更大的磁悬浮力，但刚度不如场冷情况。本实用新型采用了轴向永磁磁悬浮轴承，利用永磁体提供较大的磁悬浮力，轴向位置确定，并可以通过支撑圆柱24和调节螺栓30来调整高温超导磁悬浮轴承转子--飞轮25与定子26的工作间隙距离。工作间隙越小，转子--飞轮25底端的内嵌圆柱永磁体34及环形永磁体35则越靠近高温超导块材，那么高温超导块材的背景磁场就越高，这样，可以使高温超导块材在磁场中冷却，即高温超导磁悬浮轴工作于场冷方式，从而解决了高温超导磁悬浮轴承存在的承载能力低，工作位置不确定以及零场冷与场冷等问题。

由高温超导磁悬浮轴承和轴向永磁磁悬浮轴承组成的混合磁悬浮轴承系统，可以低转速平稳旋转，但是，在转子由低频向高频加速过程中，存在临界转速问题，由于高温超导磁悬浮轴承径向刚度和阻尼小，难以平稳越过临界转速。为了平稳越过临界转速，如图1所示，在本实用新型转轴14中部装有的电机15、16与上端轴向永磁磁悬浮轴承7、8之间，以及电机与下端高温超导磁悬浮轴承25、26之间，各安装一个径向有源磁悬浮轴承11、12、13和17、18、19，分别控制转子上端的两个径向自由度，和下端的两个径向自由度，一共四个径向自由度，这样，可以控制当转子由静态稳浮过渡到稳定运转的动态过程时产生的径向摆动，提高径向刚度和阻尼，从而实现转子的高速运转。

具体实施方式

图1为具体实施例结构图。如图1所示，本实施例的高温超导磁悬浮轴承25、26安装在底部，顶部装有轴向永磁磁悬浮轴承7、8、9，在转轴14中部装有的电机15、16与上端轴向永磁磁悬浮轴承7、8之间，以及电机与下端高温超导磁悬浮轴承25、26之间，各安装一个径向有源磁悬浮轴承11、12、13和17、18、19。永磁磁悬浮轴承的转子8和定子7均采用了上，下两个不同径向磁化方向的永磁环31、32，而且每个永磁环的截面面积相等。为了减少漏磁，以及提高永磁材料的利用效率，除相互作用的永磁环间隙外，永磁内、外环全部采用铁轭33来导磁。

本实施例的超导磁悬浮轴承采用了七块φ30×18mm钇钡铜氧(YBCO)块材，最大磁浮力密度可达14.4N/cm²。性能指标为：转子质量约为3.5kg，径向刚度约为1.68MN/m，轴向刚度约为65N/mm，运行转速为9,600rpm。高温超导磁悬浮轴承刚度低，大约为10N/mm。为了提高超导磁悬浮轴承的刚度，本实施例采用径向有源磁悬浮轴承，径向刚度达到1.68MN/m，将超导磁悬浮轴承径向刚度提高了两个数量级；另外，采用了轴向永磁磁悬浮轴承，不但轴向卸载，而且使高温超导磁悬浮轴承轴向刚度提高了六倍多，达到了65N/mm，可使高温超导混合磁悬浮轴承高速运转，运行转速为9,600rpm，并具有大范围稳定性。

本实用新型对发展磁悬浮轴承技术和高温超导块材工程应用具有重大的理论研究意义和实际应用价值。

Claims

1、一种混合磁悬浮轴承，其特征在于由永磁磁悬浮轴承、有源磁悬浮轴承和超导磁悬浮轴承构成，一个高温超导磁悬浮轴承安装在底部，顶部装有一个轴向永磁磁悬浮轴承，在永磁磁悬浮轴承和高温超导磁悬浮轴承之间安装了两个径向有源磁悬浮轴承。

2、按照权利要求1所述的混合磁悬浮轴承，其特征在于永磁磁悬浮轴承转子和定子采用上，下两个截面面积相等，径向磁化方向不同的永磁环，永磁内、外环采用铁轭导磁并屏蔽。