CN101666353B - 径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承，它由轴向控制线圈中的偏磁电流为径向和轴向提供静态偏磁磁通来产生静态承载力，由轴向控制线圈与径向控制线圈中的控制电流提供控制磁通来分别产生轴向和径向动态悬浮力，克服外界扰动使转子稳定悬浮于轴向和径向平衡位置。轴向采用双极性开关功放、径向采用CRPWM电流跟踪型逆变器作为功率放大电路，采用电涡流位移传感器检测转子轴向和径向位移并反馈至DSP控制器，由DSP控制器进行PID运算和处理后为功率放大电路提供相应的控制信号，控制信号经过功率放大电路在磁轴承线圈中产生控制电流，实现转子在轴向和径向的稳定悬浮。本发明具有体积小，功放成本低，径向承载力高的优点。

Description

径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承及其控制方法

技术领域

本发明属于电气传动(机械传动)设备的技术领域，是一种没有机械接触的一种新型高性能轴承，特指集径向、轴向功能于一体的新型径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承，可作为五自由度磁悬浮高速机床电主轴系统等机械设备中旋转部件的无接触悬浮支承。

背景技术

自从二十世纪七十年代磁轴承技术的迅速发展以来，国内外的磁轴承研究人员着重研究了主动型轴向单自由度和径向二自由度磁轴承，在磁轴承控制方法上主要采用直流信号同时提供静态偏磁磁通与控制磁通。转子实现稳定悬浮，需要在5个自由度上施加控制力，通常采用1个轴向单自由度磁轴承和2个径向磁轴承来支承，其中每个径向磁轴承控制径向相互垂直的两个自由度，轴向磁轴承控制轴向自由度。这种5自由度磁轴承支承高速电机的机械结构轴向长度比较长，对转子临界转速的提高有一定限制，而且一个径向磁轴承需要两个双极性功率放大器驱动，功率放大器体积大、功耗大、成本较高，因此，这种磁轴承支承高速电机结构限制了其在工程中实际应用范围。

在第七届国际磁轴承会议上，瑞士苏黎士联邦工学院(ETH)的C.Redemann发表了关于30kW无轴承密封泵应用测试报告，研究了径向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。

为了从结构上来减小磁轴承轴向和径向尺寸，真正减小功率放大器体积、降低功率损耗，从而降低磁轴承的生产成本，提高磁轴承的工作性能，扩大磁轴承的应用领域，需采用一些新的机械结构和磁路结构，新的驱动和控制方法。如研制集径向-轴向控制于一体的结构更加紧凑，控制及功率放大器更加精简的径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承。

国内现有的相关专利申请情况检索有：1)三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承及其控制方法(专利公开号：CN1737388)；2)三自由度交流混合磁轴承(专利公开号：CN101038011)。

上述专利1、2中提到的三自由度混合磁轴承，都采用一个环形永磁体同时提供轴向和径向静态偏磁磁通，轴向控制线圈提供轴向控制磁通，轴向控制磁通回路和偏磁磁通回路独立，而本发明仅利用轴向控制线圈中的偏磁电流同时为径向和轴向提供偏磁磁通，轴向控制线圈中控制电流为轴向提供控制磁通，轴向控制磁通回路和偏磁磁通回路相同。

发明内容

本发明的目的是提出结构紧凑，功率放大电路体积小、效率高、轴承承载力大，同时控制径向和轴向三自由度的径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承，从而减小五自由度磁轴承支承高速电机的机械结构轴向长度，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，使得此类磁轴承能在超高速超精密数控机床、磁悬浮无轴承电机、飞轮储能系统等悬浮支承系统中得到广泛应用。

本发明的方案是：径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承，由转子、轴向定子圆盘、轴向定子圆筒、三个径向磁极对称分布的径向定子、轴向控制线圈、径向控制线圈等构成；转子由硅钢片叠压而成，中间由隔磁铝环将转子分隔成轴向对称的二部分，隔磁铝环和转子套在转轴上；二个轴向定子圆盘连接在轴向定子圆筒两侧，二个轴向定子圆盘和轴向定子圆筒由硅钢片叠压而成，二个轴向定子圆盘与转子之间的气隙构成轴向气隙；径向定子具有沿圆周均匀分布的三个径向定子磁极，径向定子处于二个轴向定子圆盘和轴向定子圆筒中间，并置于轴向定子圆筒内侧，径向定子由硅钢片叠压而成，隔磁铝片将径向定子分隔成轴向对称的二部分，三个径向定子磁极与转子之间的气隙构成三个径向气隙；轴向控制线圈分别紧挨二个轴向定子圆盘，并置于内侧；三个径向控制线圈固定在三个径向定子磁极上；径向控制磁通在径向定子、径向气隙和转子之间构成完整的磁通回路，轴向控制磁通经过轴向定子圆筒、轴向定子圆盘、轴向气隙、转子、径向气隙和径向定子构成完整的磁通回路。

在上述所说的磁轴承中，轴向控制线圈产生的偏磁电流，为径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承提供偏磁磁通，轴向控制线圈中的控制电流为轴向提供控制磁通，所述径向控制线圈缠绕在三个径向定子磁极上，通电后产生径向控制磁通，在轴向气隙与径向气隙处偏磁磁通与控制磁通的合成磁通变化能改变径向或轴向的悬浮力大小，使转子保持在轴向和径向平衡位置，径向磁路在径向定子、径向气隙和转子之间形成回路，轴向磁路在轴向定子圆盘、轴向定子圆筒、轴向气隙、转子、径向气隙和径向定子之间形成回路。

本发明所述径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承的控制方法是：轴向控制线圈产生的偏磁电流为径向和轴向同时提供静态偏磁磁通；其轴向采用双极性开关功放提供控制电流，径向采用CRPWM电流跟踪型逆变器提供控制电流；采用DSP控制器同时对轴向与径向位移进行实时控制；电涡流传感器对转子轴向和径向位置进行检测，电涡流传感器输出位移信号经调理后送入DSP控制器，并与平衡位置参考信号进行比较，经位置PID控制器运算处理，输出轴向和径向悬浮力参考信号，轴向悬浮力参考信号经过轴向力/电流变换输出轴向参考控制电流信号驱动双极性开关功放，径向悬浮力参考信号经过径向力/电流变换、2/3变换输出径向各相参考控制电流信号驱动CRPWM电流跟踪型逆变器实现径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承闭环控制。

本发明的原理是通过构造一种全新的磁路与机械结构，使磁轴承径向和轴向可以共用轴向控制线圈提供的静态偏磁磁通，径向控制磁回路与轴向控制回路无耦合，从而集成了轴向自由度与径向自由度的联合控制，缩短了转子轴向长度和磁轴承的体积，相比于二自由度磁轴承与单自由度磁轴承的组合，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电流，减少了功率放大器的数量和体积，且三相逆变器应用技术成熟、价格便宜，控制简单，降低了制造与运行成本。

本发明的优点在于：

1.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。

2.利用轴向线圈同时为轴向和径向提供偏磁磁通，相对于相同结构的二自由度交流主动磁轴承，降低了系统的损耗，提高了磁轴承径向的承载力。

3.径向二自由度只采用一个三相功率逆变器进行驱动控制，相比于常规的径向二自由度磁轴承需4路功率放大电路，大大减小了功放体积，降低了成本，降低了功率损耗，并且控制更加简化，大大提高了磁轴承的工作效率。

4.轴向和径向线圈分别采用直流和交流驱动控制，磁场相互独立，易于控制。

附图说明

图1是径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承机械结构的轴向截面图。

图2是径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承机械结构的径向截面图。

图1和图2中带箭头实线表示轴向控制线圈产生的静态偏磁磁通7，它在轴向定子圆筒102、轴向定子圆盘101、轴向气隙、转子5、径向气隙、径向定子2间形成回路；图2中带箭头虚线表示的是径向控制磁通8，径向控制磁通8箭头方向由径向控制电流方向按右手定则确定；径向控制磁通8在径向定子2、径向气隙与转子5间形成回路。

图3是径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承控制系统框图。主要由径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承25、电涡流传感器26，27，28、闭环控制器30，径向力/电流变换16、轴向力/电流变换17、双极性开关功放18、2/3变换19、CRPWM电流跟踪型逆变器20、霍尔传感器21，22，23构成。由电涡流传感器26，27，28对转子轴向和径向位置进行检测，与给定的参考位置信号进行比较并在DSP控制器31内部通过软件编程实现PID控制。

具体实施方式

本发明首先设计径向-轴向共用偏磁磁通的主动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径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承的数学模型，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，根据数学模型和各实际参数，设计控制器，构建出双闭环控制系统。

如图1和图2所示，转子5和隔磁铝环11套在转轴6上，转子5由硅钢片叠压而成，隔磁铝环11将转子5隔成对称的2部分，中间安装的隔磁铝环11进行空间隔磁，二个轴向定子圆盘101连接在轴向定子圆筒102两侧，并由硅钢片叠压而成，二个轴向定子圆盘101与转子5之间构成轴向气隙；径向定子2处于轴向二个定子圆盘101和轴向定子圆筒102中间，置于轴向定子圆筒102内侧，径向定子2由硅钢片叠压而成，隔磁铝片12将径向定子2隔成轴向对称的二部分，中间安装的隔磁铝片12进行空间隔磁，在径向定子2内侧有沿周向均匀分布三个径向定子磁极3，三个径向定子磁极3与转子5表面之间构成三个径向气隙，轴向控制线圈9，10分别紧挨二个轴向定子圆盘101，置于二个轴向定子圆盘101内侧；三个径向控制线圈4缠绕在径向定子2的三个径向定子磁极3上，最终组成径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承。径向磁路在径向定子2、径向气隙和转子5之间形成回路，轴向磁路在轴向定子圆筒102、轴向定子圆盘101、轴向气隙、转子5、径向气隙和径向定子2之间形成回路。在径向气隙处静态偏磁磁通与控制磁通的合成磁通变化能改变径向的悬浮力大小，通过改变轴向线圈9，10中的控制电流大小能改变轴向气隙处的控制磁通大小以此来改变轴向方向上的转子5所受的悬浮力大小。径向定子2处于二个轴向定子圆盘101和轴向定子圆筒102中间，置于轴向定子圆筒102内侧，充分利用了二个轴向定子圆盘101和轴向定子圆筒102的内部空间来放置径向控制线圈4、轴向控制线圈9，10，使得磁轴承轴向体积非常紧凑。

2.构建控制系统。闭环控制器30、双极性开关功放18、CRPWM电流跟踪型逆变器20、电涡流传感器26，27，28、霍尔传感器21，22，23、径向力/电流变换16、轴向力/电流变换17、2/3变换19、径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承25构建闭环控制系统。电涡流传感器26，27，28将径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承25三个自由度z，x，y方向的位移信号反馈至闭环控制器30，经过位置PID控制器15，14，13运算和处理，输出轴向和径向悬浮力参考信号，轴向悬浮力参考信号经轴向力/电流变化17输出轴向参考控制电流信号，经双极性开关功放18将轴向参考控制电流信号驱动放大成两路轴向控制电流通入轴向控制线圈9，10，从而使转子悬浮于轴向平衡位置不变；经过闭环控制器30运算和处理，输出径向悬浮力参考信号，经过径向力/电流变换16和2/3变换19后，得到径向各相的参考电流信号，并与通过霍尔电流传感器21，22，23检测来的实时三相电流信号相比较，提供给CRPWM电流跟踪型逆变器20，经过CRPWM电流跟踪型逆变器20放大得到所需的三相控制电流信号通入到径向控制线圈4，从而使转子悬浮在径向平衡位置不变。

根据以上所述，便可实现本发明。

Claims (2)

1.一种径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承，其特征在于转子(5)由硅钢片叠压而成，中间由隔磁铝环(11)将转子(5)分隔成轴向对称的2部分，隔磁铝环(11)和转子(5)套在转轴(6)上；二个轴向定子圆盘(101)连接在轴向定子圆筒(102)两侧，二个轴向定子圆盘(101)和轴向定子圆筒(102)由硅钢片叠压而成，二个轴向定子圆盘(101)与转子(5)之间的气隙构成轴向气隙；径向定子(2)具有沿圆周均匀分布的三个径向定子磁极(3)，径向定子(2)处于二个轴向定子圆盘(101)和轴向定子圆筒(102)中间，并置于轴向定子圆筒(102)内侧，径向定子(2)由硅钢片叠压而成，隔磁铝片(12)将径向定子(2)分隔成轴向对称的二部分，三个径向定子磁极(3)与转子(5)之间的气隙构成三个径向气隙；轴向控制线圈(9，10)分别紧挨二个轴向定子圆盘(101)，并置于内侧；三个径向控制线圈(4)固定在三个径向定子磁极(3)上；径向控制磁通在径向定子(2)、径向气隙和转子(5)之间构成完整的磁通回路，轴向控制磁通经过轴向定子圆筒(102)、轴向定子圆盘(101)、轴向气隙、转子(5)、径向气隙和径向定子(2)构成完整的磁通回路。

2.权利要求1所述的径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承的控制方法，其特征在于轴向控制线圈(9，10)产生的偏磁电流为径向和轴向同时提供静态偏磁磁通；其轴向采用双极性开关功放(18)提供控制电流，径向采用CRPWM电流跟踪型逆变器(20)提供控制电流；采用DSP控制器(31)同时对轴向与径向位移进行实时控制；电涡流传感器(26，27，28)对转子轴向和径向位置进行检测，电涡流传感器(26，27，28)输出位移信号经调理后送入DSP控制器(31)，并与平衡位置参考信号进行比较，经位置PID控制器(15，14，13)运算处理，输出轴向和径向悬浮力参考信号，轴向悬浮力参考信号经过轴向力/电流变换(17)输出轴向参考控制电流信号驱动双极性开关功放(18)，径向悬浮力参考信号经过径向力/电流变换(16)、2/3变换(19)输出径向各相参考控制电流信号，上述径向各相参考控制电流信号先与通过霍尔电流传感器(21，22，23)检测来的径向控制线圈中的实时三相电流信号相比较，再驱动CRPWM电流跟踪型逆变器(20)，实现径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承(25)闭环控制。

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