一种大承载轴向混合磁轴承的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种轴承，特别是一种大承载轴向混合磁轴承。
【背景技术】
[0002] 飞轮储能系统依靠高速或超高速运行的飞轮转子来进行动能存储。要保证转子在 高速或超高速状态下正常工作，整个飞轮转子是通过性能良好的支撑部件的支承而获得稳 定运转的。系统的支承特性显得尤为重要。飞轮储能系统中传统机械轴承包括普通球轴承、 流体动压轴承等，因其旋转损耗和发热过大，难以满足高速重载且摩擦损耗低的要求，早期 飞轮储能系统发展缓慢，最主要原因就在于此。
[0003]随着飞轮储能系统的发展，为更大程度上提高飞轮的储能容量和减小运转过程中 的损耗，对支撑系统提出了工作转速高、损耗小、高可靠性和长寿命等严格的要求。因此，现 代用于飞轮系统的支撑件得到了快速发展，出现了陶瓷球轴承、磁悬浮轴承、空气轴承、超 导磁悬浮轴承等。近年来发展较快的空气轴承，虽然适用于高速和超高速状况，但其支承刚 度低，对于要求承载能力高的飞轮系统亦不适合。超导磁悬浮轴承是由永磁体与超导体组 合而成，具有无源、无机械磨损、高转速、长寿命等特点，吸引了各国科技人员的关注。20多 年前，美、日、德等国已经对此开始了研究，并逐渐取得了重大成果。但由于超导磁悬浮需要 低温液氮等装置来维持超导特性，比较复杂和昂贵，因此应用得到限制。
[0004] 现有磁轴承（磁悬浮轴承）中，主要是利用矩形截面的永磁环进行设计，但矩形截 面的永磁环会对磁力造成一定的阻碍，造成功耗高、承载能力小等缺点。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的在于，提供一种大承载轴向混合磁轴承。本实用新型不仅结构 简单，便于加工和装配，而且具有功耗低、承载能力大的特点。
[0006]本实用新型的技术方案:一种大承载轴向混合磁轴承，包括转子，转子上设有磁轴 承定子，磁轴承定子内设有定子腔，定子腔内设有树脂，树脂内侧包围电磁绕组线圈，树脂 外侧设有导磁环和梯形截面的永磁环，永磁环位于导磁环上方;所述的磁轴承定子与转子 之间形成轴向气隙。
[0007]前述的大承载轴向混合磁轴承中，所述的转子的内径小于磁轴承定子的内径。
[0008]前述的大承载轴向混合磁轴承中，所述的导磁环的内外半径与定子腔外环的内外 半径相等。
[0009] -种大承载轴向混合磁轴承用的永磁环，所述永磁环的截面为梯形。
[0010] 前述的大承载轴向混合磁轴承用的永磁环中，所述梯形为直角梯形。
[0011] 前述的大承载轴向混合磁轴承用的永磁环中，所述梯形的腰与垂直方向的夹角a 的范围为15°-20°。
[0012] 前述的大承载轴向混合磁轴承用的永磁环中，所述梯形的腰与垂直方向的夹角a 为20°。
[0013]与现有技术相比，本实用新型采用"梯形"截面永磁环，电磁磁路几乎不通过永磁 体本身而形成回路，承载力大;与传统截面永磁体混合磁轴承结构相比，在实现同等控制载 荷下，控制线圈电流小，减小了线圈损耗和发热，极大地提高了轴承系统的效率，且本实用 新型采用永磁偏置和电磁控制配合使用，永磁和电磁共享磁路，结构简单，便于加工和装 配。以方形截面和梯形截面磁轴承结构对比，轴向气隙为2mm，产生1200N的电磁力，同样情 况下梯形截面结构励磁电流可降低30%~40%，线圈能耗可降低约63.24%，功耗低。
[0014]本实用新型进行了大量的实验研究，以下为本实用新型的实验:实验例1:
[0015]为了得到更好的磁轴承结构，我们可以进一步研究永磁体梯形截面的斜面倾斜角 取值，找出规律，寻求最优值。现假设在10A电流的作用下，分别取5°、10°、15°、20°、25°的倾 角进行分析，磁密和相对磁密变化趋势见表1、图3和图4。
[0016]表1不同工作条件下各倾角所对应的磁密
[0018]从表1、图3和图4可知，随着倾角增加，磁密随之减小。从图4可知，相对磁密从5°到 15°是相对增加的，从15°到20°是持平状态，从20°到25°相对减小。考虑初设磁密及最终磁 密和永磁体加工工艺，永磁体倾斜角度20°为最佳状态。
[0019] 实验例2:截面为矩形和梯形的永磁环对比实验
[0020] 混合磁轴承中永磁体的结构设计合理与否，直接关系到整个磁轴承的效率。在此 设计截面分别为矩形和梯形的两种永磁体结构，通过比较它们的特性分析，选择更合理的 结构。对永磁偏置轴向磁轴承性能分析：
[0021] (1)永磁体单独作用
[0022] 当永磁体单独工作时，运用ANS0FT电磁分析软件对两种不同截面的磁轴承进行分 析，得到磁密波形图分别如图5和图6所示。
[0023]对照图5和图6可知，矩形截面永磁体产生的气隙磁密与梯形截面永磁体产生的气 隙磁密波形基本趋势相同，前者平均气隙磁密为0.8932T，后者平均气隙磁密为0.6317T。这 是因为后者表面积较前者略小，表面两端漏磁所致。表2列出永磁体单独作用时，两者在相 同条件下产生的永磁力的比较，可看出前者产生的永磁力比后者大。
[0024]表2两种截面在相同条件下产生的永磁力
[0026] (2)电磁单独作用
[0027]当电磁单独作用时，通10A的电流，运用ANS0FT电磁分析软件对两种不同截面的磁 轴承进行分析，得到磁密波形图分别如图7和图8所示。
[0028]对照图7和图8可知，两者的气隙磁密波形基本相同，前者平均气缝隙磁密为 0.0954T，后者为0.165T。表3为电励磁单独作用时，定子梯形槽与定子方形槽结构产生电磁 力的对比。从表3中可以看出，定子梯形槽轴向力为方形槽结构的2.77倍。
[0029]表3相同条件下不同截面产生的电磁力
[0031] (3)永磁体和电流电磁同时作用
[0032]当永磁体和电磁同时作用时，运用ANS0FT电磁分析软件对采用两种不同截面的磁 轴承进行分析。当通10A的电流时，两者气隙磁密波形图如图9和图10所示。
[0033]对照图9和图10可看出采用矩形截面结构与梯形截面结构产生的气隙磁密波形图 趋势基本相同，前者平均气隙磁密为0.8938T，后者平均气隙磁密为0.6325T。
[0034]通过上述分析可知，由于梯形截面结构永磁体相对于矩形截面结构的磁阻小，在 产生相同电磁力的情况下，梯形所需的电流较小，即能耗较小，产生的热量也相应小，本文 选用梯形截面磁轴承结构。
[0035] (4)混合磁轴承关键工作点分析
[0036]通过ANS0FT电磁分析软件对磁轴承在平衡位置工作点、最大气隙位置工作点、最 小气隙位置工作点的磁场以及气隙磁密分布进行分析，可为设计磁轴承时选择合理的电磁 参数和最佳的磁路结构提供一定的依据。
[0037]a、平衡位置
[0038]永磁体单独励磁、永磁力与转子重量平衡时，磁轴承处于平衡位置工作点，此时工 作气缝隙为2.5mm。磁轴承的磁密分布图如图11所示。
[0039] 根据图11可以看出，只有永磁体边缘很小区域出现了磁密饱和，其余部分磁密比 较低，说明磁轴承在此位置处整个磁路是不饱和的。此时转子受到的轴向力如表4所示。