CN100591935C - 三自由度锥形定转子交直流混合磁轴承 - Google Patents

三自由度锥形定转子交直流混合磁轴承 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三自由度锥形定转子交直流混合磁轴承，在定子内侧沿径向圆周均匀分布三个硅钢叠片的分隔式锥形磁极，锥形磁极分隔开的两部分相互镜像对称分布，中间安装隔磁铝环进行空间隔离；三相径向控制线圈缠绕在三个分隔式锥形磁极上，轴向控制线圈位于定子内侧空腔中；转子设置成与锥形磁极相对应的圆锥形，圆锥形的转子与锥形磁极之间形成一个工作气隙。本发明定子采用双片式六极(2×3)结构，轴向定子和径向定子共用，径向、轴向控制电流独立输入，实现了利用轴向磁路和径向磁路共用同一工作气隙同时控制圆锥形转子在轴向、径向三个自由度的悬浮；进一步精简了磁轴承结构；控制简单，减少了功率损耗。

Description

三自由度锥形定转子交直流混合磁轴承
技术领域
本发明属于机电气传动设备的技术领域，是一种没有任何机械接触的磁轴承领域，特指集轴向、径向功能于一体的新型三自由度交直流混合磁轴承，适用于高速高精运转系统及机械加工系统中三自由度转轴的悬浮支承。
背景技术
自二十世纪七十年代磁轴承技术迅速发展以来，研究方向主要为采用直流驱动同时提供静态偏置磁通与控制磁通的主动型磁轴承，并集中于轴向单自由度与径向二自由度磁轴承的研究。一个典型的磁悬浮系统需要同时在五个自由度方向上施加约束控制，通常是由一个轴向单自由度磁轴承和两个径向二自由度磁轴承组成。这种结构设计增大了轴承的轴向长度，使得磁轴承系统体积较大，重量增加。电机轴向长度增加使得转子临界转速下降，电机向更高转速发展受到限制。较大的体积和重量严重制约磁轴承在航空航天等领域的应用发展。同时，主动型磁轴承的电流驱动需要一套直流功率放大电路装置，直流功放体积庞大，成本较高，这极大地限制着磁轴承在机械加工等领域的实际应用。
在第七届国际磁轴承会议上，瑞士苏黎士联邦工学院(ETH)的Redemann.C发表了关于30kW无轴承密封泵应用测试报告，研究了二自由度的交流混合磁轴承，该磁轴承直接采用工业上通用的三相逆变器提供控制电流，并采用永磁体提供静态偏置磁场，大大减小了功率放大器体积，并降低了转动损耗，但还是要与一轴向磁轴承才能实现三自由度的悬浮支承，依然没能在整体系统轴向结构紧凑方面及转子临界转速提高方面取得进步。
国内现有的相关专利申请情况检索有：(1)专利公开号：CN1644940，专利名称：一种低功耗永磁偏置外转子径向磁轴承；(2)专利公开号：CN1737388，专利名称：三自由度交直流径向一轴向混合磁轴承及其控制方法；(3)专利公开号：CN101038011，专利名称：三自由度交流混合磁轴承。上述专利申请1提出的磁轴承为双片式八极定子结构，径向控制线圈采用直流功放驱动控制，其缺陷是：定子的结构复杂，使得磁轴承系统体积较大，重量增加；直流功放装置体积庞大，成本较高。专利2、3中提出的三自由度交流混合磁轴承，径向控制线圈采用三相交流逆变器驱动，轴向控制线圈采用直流开关功放驱动，其定子为单片式结构，且定子分为轴向定子和径向定子两部分，空气气隙也分为轴向空气气隙和径向空气气隙，其缺陷是：这种结构设计增大了轴承的轴向长且转子临界转速不太高。
发明内容
本发明的目的是：提出一种结构简单紧凑，体积较小，降低磁轴承功耗，同时控制轴向-径向三自由度的永磁偏置交直流混合磁轴承，减小轴承轴向尺寸，以使得系统的临界转速得到进一步提高，并采用工业上广泛应用的交流逆变器作为径向控制线圈的电流驱动，使得此种结构磁轴承可以在高速高精数控机床、磁悬浮无轴承电机、飞轮储能系统及航空航天发动机等悬浮支承系统中得到广泛应用。
本发明采用的技术方案是：包括圆环形永磁体和与其靠近的定子、圆锥形转子套在转轴上，两组控制线圈靠近定子安装，定子为双片式六极(2片×3极)结构，由软磁材料硅钢片叠压而成，圆环形永磁体置于两片定子之间；在定子内侧沿径向圆周均匀分布的三个分隔式锥形磁极由软磁材料硅钢叠片做成，分隔开的两部分分隔式锥形磁极相互呈镜像对称分布，分隔开的两部分分隔式锥形磁极中间安装隔磁铝环进行空间隔离；所述两组控制线圈包括轴向控制线圈和三相径向控制线圈，三相径向控制线圈缠绕在三个分隔式锥形磁极上，轴向控制线圈位于定子内侧空腔中；所述圆锥形转子由圆环形硅钢迭片叠加而成，且圆锥形转子的锥角与分隔式锥形磁极的锥角设置成相同，圆锥形转子与分隔式锥形磁极之间形成一个工作气隙。
本发明的有益效果是：
1.磁轴承转子与磁极采用锥形结构，利用锥形的结构特点使得圆锥形转子受到的磁吸引力在轴向、径向均有分量，实现了利用轴向磁路和径向磁路共用同一工作气隙同时控制圆锥形转子在轴向、径向三个自由度的悬浮；通过调整工作气隙磁场大小，轴承吸力可同时控制圆锥形转子轴向悬浮力和径向悬浮力，使得圆锥形转子能够稳定悬浮在平衡位置。
2.集轴向径向功能于一体的结构设计使得磁轴承支承的电机系统轴向长度大大减小，结构更加紧凑，临界转速提高，电机可以向更高转速发展。同极结构的设计使得转子的铁损降低。这种结构应用于高速运动系统例如飞轮储能系统。
3.定子采用双片式六极(2×3)结构，轴向定子和径向定子共用，进一步精简了磁轴承结构。
4、径向、轴向控制电流独立输入，控制简单，径向控制磁通和轴向控制磁通相互独立，不存在耦合，减少了阻抗损耗。
附图说明
图1是本发明的轴向截面图；
图中：1.定子、2.轴向控制线圈、3.分隔式锥形磁极、4.圆锥形转子、5.转轴、7工作气隙、8.径向控制线圈、9.隔磁铝环、11圆环形永磁体；
带箭头的虚线回路6是轴向控制磁通回路；
带箭头的点画线回路10是径向控制磁通回路；
带箭头的实线回路12是偏置磁通回路；
图2是图1中A-A剖面的左视图；
图3是图1中B-B剖面的右视图。
具体实施方式
本发明首先设计三自由度锥形定转子交直流混合磁轴承的结构及磁路，并根据磁场假设条件及磁路等效原理推导出三自由度锥形定转子交直流混合磁轴承的数学模型，再根据数学模型并结合预先给定的技术指标设计磁轴承的结构参数及电气性能参数。依此结构参数使用有限元分析软件Maxwell 3D对磁轴承结构参数进一步优化设计，并验证结构设计原理及磁通分布的正确性。最后，根据数学模型进一步推导出轴向悬浮力和径向悬浮力的计算公式，采用控制器构建双闭环控制系统。
具体方案如图1～3所示，本发明的基本结构是：定子1为双片式六极(2片×3极)结构，由软磁材料硅钢片叠加而成，圆环形永磁体11置于两片定子1之间，这样可以有效地减少涡流损耗；分隔开的两部分分隔式锥形磁极3中间由隔磁铝环9进行空间分隔，磁极材料选用硅钢迭片，分隔式锥形磁极3沿径向圆周均匀分布；三相径向控制线圈8分别缠绕在三个分隔式锥形磁极3上，通以三相交流电流产生旋转的合成磁通来控制圆锥形转子4在径向2个自由度的悬浮，轴向控制线圈2分布在定子1内侧的空腔里，通以直流电流产生轴向控制磁通控制圆锥形转子4在轴向方向上的悬浮，控制线圈匝数根据实际设计时承载能力确定；分隔式锥形磁极3的锥角与圆锥形转子4的锥角设置成相同，之间形成工作气隙区域7，圆锥形转子4由圆环形硅钢迭片叠压而成套在转轴上5；圆环形永磁体11选用高性能稀土永磁材料钕铁硼(NdFeB)制成，用以提供静态偏置磁通，其磁通路径如图1中带箭头的实线回路12。
如图1所示，带箭头的实线回路12表示静态偏置磁通磁路，静态偏置磁通从圆环形永磁体11的N极流出，均衡地流经两部分分隔式锥形磁极3，然后经过圆锥形转子4左侧，再从圆锥形转子4右侧流出经过分隔式锥形磁极3回到圆环形永磁体S极。假定圆锥形转子4处于径向、轴向平衡状态，即圆锥形转子4每部分受到的磁吸引力在径向、轴向方向上合力为零。然而，如果圆锥形转子4在径向方向发生偏移，偏置磁通的不均衡分布将会产生相对径向空气气隙减小方向的吸引合力。同样，若圆锥形转子4在轴向方向产生偏移，圆锥形转子4将会受到一个相对轴向空气气隙减小方向的合力。带箭头的点画线回路10表示径向控制磁通磁路，径向控制磁通从分隔式锥形磁极3(A)部分经圆锥形转子4左半部分流入分隔式锥形磁极3(B)部分。同时，径向控制磁通从分隔式锥形磁极3(C)经圆锥形转子4的右半部分流入分隔式锥形磁极3(D)。径向控制磁通增强了上侧空气气隙的偏置磁通密度，减弱了下侧空气气隙的偏置磁通密度，因此，圆锥形转子4受到向上的吸引力并向上移动。带箭头的虚线回路6表示轴向控制磁通磁路，轴向控制磁通从分隔式锥形磁极3(A、B)的左部分经圆锥形转子4流入分隔式锥形磁极3(A、B)的右部分。轴向控制磁通增加了左侧气隙的偏置磁通密度，减弱了右侧气隙的偏置磁通密度，这样将会产生向左的吸引合力使得圆锥形转子4向左移动。分析分隔式锥形磁极3(C、D)部分，轴向控制磁通也增加了左侧气隙的偏置磁通密度，减弱了右侧气隙的偏置磁通密度，产生向左的吸引合力使得圆锥形转子4向左移动。

Claims (3)

1.三自由度锥形定转子交直流混合磁轴承，包括圆环形永磁体(11)和与圆环形永磁体(11)靠近的定子(1)、套在转轴(5)上的圆锥形转子(4)，靠近定子(1)安装的径向-轴向两组控制线圈，其特征在于：定子(1)为双片式六极结构，由软磁材料硅钢片叠压而成，圆环形永磁体(11)置于定子(1)两片之间；在定子(1)的两片内侧均有沿径向圆周均匀分布的三个分隔式锥形磁极(3)，所述分隔式锥形磁极(3)由软磁材料硅钢叠片做成，每个分隔式锥形磁极(3)中间安装的隔磁铝环(9)将分隔式锥形磁极(3)分隔成呈镜像对称分布的两部分；所述两组控制线圈包括轴向控制线圈(2)和三相径向控制线圈(8)，在每个分隔式锥形磁极(3)上均缠绕所述三相径向控制线圈(8)，在定子(1)的每片内侧空腔中均设有所述轴向控制线圈(2)；所述圆锥形转子(4)由圆环形硅钢迭片叠加而成，每个分隔式锥形磁极(3)的锥角与圆锥形转子(4)的锥角设置成相同，圆锥形的转子(4)与每个分隔式锥形磁极(3)之间形成一个工作气隙(7)。
2.根据权利要求1所述三自由度锥形定转子交直流混合磁轴承，其特征在于：圆环形永磁体(11)和两组控制线圈产生的合成磁场对圆锥形转子(4)产生的磁吸引力在轴向和径向方向上均有分量，工作气隙(7)同时控制圆锥形转子(4)在轴向和径向三个自由度的悬浮，轴向悬浮力和径向悬浮力的比例由锥角的大小确定。
3.根据权利要求1所述三自由度锥形定转子交直流混合磁轴承，其特征在于：永磁偏置磁通在定子(1)的两片、锥形磁极(3)、工作气隙(7)和转子(4)间形成一闭合磁通回路。
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