CN101038011A - 三自由度交流混合磁轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电气传动设备领域，特指一种新型的三自由度交流混合磁轴承。其采取一个环形永磁体同时提供轴向和径向静态偏置磁通，由转轴、转子外侧铝片、转子内侧铝片、轴向定子外侧铝片、轴向定子内侧铝片、环形永磁体、薄片状的轴向定子、径向定子、径向绕组、一端为薄片状的转子构成三自由度交流混合磁轴承；其转子一端为薄片结构用作轴向磁轴承的转子，使用转子外侧铝片和转子内侧铝片来增加强度和进一步减小长径比；径向采用三极结构交流励磁，径向采用三相逆变器提供控制电流。本发明使用铝片增加强度和进一步减小长径比，基于薄片电机原理实现被动悬浮，提高了被动悬浮能力；无需励磁绕组，从而大大减小了磁轴承轴向占用的空间尺寸。

Description

三自由度交流混合磁轴承
技术领域
本发明属于电气传动(机械传动)设备领域，特指一种新型的三自由度交流混合磁轴承，适用与各类旋转机械的三自由度悬浮支承，属于电力传动控制设备的技术领域。
背景技术
目前，磁悬浮轴承(简称磁轴承)按照磁力提供方式，分为主动磁轴承、被动型磁轴承和混合型磁轴承(永磁偏置)三种。混合磁轴承用永久磁铁产生的磁场取代主动磁轴承中电磁铁产生的静态偏置磁场，能大大降低功率放大器的功耗，使电磁铁的安匝数减少，缩小磁轴承体积，提高轴承承载能力。传统直流偏置型径向磁轴承机械结构简单，但功率损耗大；传统永磁偏置型径向磁轴承虽功耗有所降低，但结构又较复杂。
目前国内、国外研究的三极径向混合磁轴承综合了传统永磁偏置型径向磁轴承与直流偏置型径向磁轴承的优点，采用永磁体代替偏置直流来提供偏置磁通以提供静态悬浮力，减小了功率损耗，大大缩小了电磁铁体积及绕线空间；采用三相逆变器对三极控制线圈进行励磁以产生控制磁通来克服瞬态负载及扰动，简化了控制算法，减小了磁轴承的功放体积与成本。但是轴向和径向都需要同时控制，由于励磁控制中还存在直流励磁，因而控制较复杂，控制性能很难提高，损耗也比较大。
为了从结构上来减小磁轴承的生产成本，提高磁轴承的工作性能，扩大磁轴承的应用领域，需采用一些新的生产成本，提高磁轴承的工作性能，扩大磁轴承的应用领域，需采用一些新的机械结构和磁路结构。
发明内容
本发明的目的是提出结构简单紧凑，控制简单，控制成本低，从而减小需要磁轴承支承旋转主轴的轴向尺寸，以使得系统的临界转速得到进一步提高，并大大减小功率放大器的体积与成本，提高磁轴承的控制性能，使得此类磁轴承能在微风型风力发电机、磁悬浮无轴承电机、飞轮储能系统及人造卫星等悬浮支撑系统中得到广泛应用。
本发明的方案是：采取一个环形永磁体同时提供轴向和径向静态偏置磁通，由转轴、转子外侧铝片、转子内侧铝片、轴向定子外侧铝片、轴向定子内侧铝片、环形永磁体、薄片状的轴向定子、径向定子、径向绕组、一端为薄片状的转子构成三自由度交流混合磁轴承；其转子一端为薄片结构用作轴向磁轴承的转子，使用转子外侧铝片和转子内侧铝片来增加强度和进一步减小长径比，基于薄片电机原理实现被动控制，提高被动悬浮能力；径向采用三极结构交流励磁，径向采用三相逆变器提供控制电流，轴向无需励磁因而损耗小和耦合也较小，其轴向被动悬浮力较主动控制小，适合轴向不是主要负载方向的场合，考虑到目前大多数负载是在径向的，因而具有更大的适用性。
采用DSP数字控制器同时对径向位移进行实时控制；由高分辨率的电涡流传感器或霍尔传感器对转子径向位置进行检测，传感器输出位移信号至DSP系统，线性闭环控制器对其参考位置信号进行比较，模糊PID位置控制器进行控制，输出控制信号，实现三自由度交流混合磁轴承闭环控制。
本发明的优点是采用永磁体同时对轴向和径向提供偏置磁通，轴向采用薄片结构，使用铝片增加强度和进一步减小长径比，基于薄片电机原理实现被动悬浮，提高了被动悬浮能力；无需励磁绕组，径向采用三极结构，交流励磁，从而大大减小了磁轴承轴向占用的空间尺寸；同时采用三相逆变器对径向磁轴承提供控制控制电流，减少了功率放大器地数量，控制简单，降低了制造与运行成本。
附图说明
图1是三自由度交流混合磁轴承三维截面图。
图1中标号名称：1、转轴。21、转子外侧铝片。22、转子内侧铝片。23、定子外侧铝片。24、定子内侧铝片。3、环形永磁体。41、轴向定子。42、径向定子。5、三极径向绕组。6、转子。
图2是三自由度交流混合磁轴承原理图
图2(a)和图2(b)是三自由度交流混合磁轴承的三极径向和薄片轴向结构示意图。图2(a)为三极径向磁轴承，图中Φa、Φb和Φc分别为A、B和C轴绕组产生的磁通，Φx和Φy分别是Φa、Φb和Φc到x和y轴的等效磁通。ia、ib和ic分别为A、B和C轴绕组电流，ix和iy为x和y轴等效绕组电流。Fx、Fy分别为x、y轴方向上所受径向力。图2(b)为被动轴向磁轴承结构示意图，Φz是轴向z方向上磁通，Fz为z方向上的被动悬浮力。
具体实施方式
图1是本发明的三自由交流混合磁轴承三维结构示意图，图中的定子分为轴向和径向两个部分，由硅钢片叠压而成，径向为三极结构，带有三个励磁绕组，转子薄片端和轴向定子部分分别加了内外两块铝片来提高薄片轴向定子的机械强度，有效的减小漏磁；转子轴向部分为薄片结构同样内外有两片铝片来提高轴向转子薄片部分的机械强度，减小漏磁，同时进一步减小薄片部分的长径比，提高被动悬浮能力。
其工作原理，如图2所示。在图2(a)中，转子在磁通Φa、Φb和Φc作用下，处于平衡位置，若转子受外扰力作用偏向x正方向，则减小磁通Φx即可让转子回到平衡位置。ia、ib和ic分别为A、B和C轴绕组电流，ix和iy为x和y轴等效绕组电流。分析可知，改变x、y轴绕组电流ix、iy大小和方向，即可改变Fx、Fy的大小和方向，让转子回到平衡位置。
图2(b)中，轴向的被动悬浮利用了薄片电机转子的轴向长度较直径小得多的结构特点和磁阻力总是有使磁路磁阻最小的趋势的性质。当转子发生轴向偏移的时，磁拉力总会将转子拉向磁阻最小的方向拉。当电机的直径与轴向长度之比满足一定的标准时，转子一旦有沿z轴方向的偏移，根据电磁学基本理论，都会受到一个与其偏移方向相反的电磁吸力Fz的作用，使其有往平衡位置返回的趋势，所以转子在沿z方向上是被动稳定的。图2(b)中，转子薄片端两侧采用铝块增强机械强度，提高了电机的直径与轴向长度之间的比例，提高了轴向被动位移刚度，提高被动稳定能力。

Claims (2)

1.三自由度交流混合磁轴承，其特征在该磁轴承由转轴(1)、转子外侧铝片(21)、转子内侧铝片(22)、轴向定子外侧铝片(23)、轴向定子内侧铝片(24)、环形永磁体(3)、薄片状的轴向定子(41)、径向定子(42)、径向绕组(5)、一端为薄片状的转子(6)组成；其中转子(6)薄片端和转子外侧铝片(21)、转子内侧铝片(22)紧密结合在一起，薄片状的轴向定子(41)和轴向定子外侧铝片(23)、轴向定子内侧铝片(24)紧密结合在一起。
2.根据权利要求1所述的三自由度交流混合磁轴承，其特征在于轴向采用径向三极结构，励磁控制电流采用交流。
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