CN101922511A

CN101922511A - 一种永磁偏磁外转子径向交流混合磁轴承

Info

Publication number: CN101922511A
Application number: CN2010102623244A
Authority: CN
Inventors: 张维煜; 朱熀秋; 刁小燕; 杨泽斌; 魏杰
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2010-12-22

Abstract

本发明公开一种永磁偏磁外转子径向交流混合磁轴承，定子铁心设置于转子铁心中间，定子铁心具有沿周向均匀分布且沿径向向外延伸的6个相同的定子铁心磁极；相互间隔的3个定子铁心磁极上各设置一个插槽，各插槽中分别镶嵌有提供静态偏磁磁通的相同的长方体永磁体，永磁体的S极均朝向定子铁心，N极均朝向转子铁心；另3个相互间隔的所述定子铁心磁极上分别绕制有相同的控制线圈；定子铁心磁极的顶端位置各设置有一个凹槽，每个凹槽中各安装有相同的位置传感器，在定子铁心、径向气隙与转子铁心之间均形成控制磁通。本发明减小了控制磁路的磁阻，降低了线圈铜耗和功放损耗，体积小，重量轻，提高了磁轴承的工作效率。

Description

一种永磁偏磁外转子径向交流混合磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非机械接触磁轴承，特指一种体积小、功耗低的永磁偏磁外转子径向交流混合磁轴承，可作为五自由度磁悬浮高速机床电主轴、无轴承电机和飞轮储能系统等机械设备及卫星、空间站等航天器中旋转部件的无接触悬浮支承。

背景技术

自二十世纪七十年代磁轴承技术迅速发展以来，由于具有可以减小控制电流、降低损耗等优点，由永磁体提供静态偏磁磁通，由直流信号提供控制磁通的混合型磁轴承已经成为研究热点，但是此类磁轴承不能满足生产成本低且功耗低的要求。一方面，由于采用直流控制，直流功率放大器价格高，体积大，一个径向磁轴承通常需要四路单极性或两路双极性功率放大电路，从而直接导致了功率放大器体积大，成本高，大大限制了磁轴承的应用领域，特别是在航空航天及军事应用领域。另一方面，目前国际上研究的永磁偏磁外转子径向交流混合磁轴承分为异极性和同极性结构：异极性结构磁轴承的磁力线垂直于转子轴线，轴向长度可以做得较短，但是会产生磁滞损耗；同极性结构磁轴承的磁力线平行于转子轴线，产生的磁滞损耗大大减小，但是占用的轴向空间较大，不能满足卫星，空间站等航天器所要求的体积小、重量轻的目的且不利于转子临界转速的提高。另外，有些异极性结构磁轴承是将永磁体直接放置在控制磁路中，控制磁通要穿过永磁体，由于永磁体磁阻很大，因而产生相应的控制磁通需要增加控制线圈的激励电流，增加了磁轴承的功耗，使线圈发热严重；有些同极性结构磁轴承是将永磁体直接与定子叠片铁心相连，这样永磁磁路在穿过定子铁心时会损失过多的磁动势，大大减弱磁轴承的承载力。

在2000年第七届国际磁轴承会议上，瑞士苏黎世联邦工学院(ETH)的Redemann C发表了关于30kW无轴承密封泵应用测试报告，研究了二自由度的三相交流混合磁轴承，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磁磁场，大大减小了其功率放大器体积、降低了损耗，但是依然没能在整体系统结构紧凑方面、转子临界转速提高及磁轴承承载力提高方面取得进步。

现有的相关专利申请情况有：(1)专利号为200510040267.4、名称为“永磁偏置径向磁轴承”提出的磁轴承径向定子采用2对极结构，定子齿上绕有控制绕组，相对的2个齿上的绕组串联相接，采用直流驱动，此结构的磁轴承功耗高、功放成本较大。(2)专利号为200510086223.5，名称为“一种永磁偏置外转子径向磁轴承”采用单片8极异极性磁轴承结构来控制径向2个自由度，4个平行充磁的永磁体嵌于定子铁心中，并采用了直流功放驱动控制4个径向控制线圈，此结构的磁轴承体积相对较小，但是功耗高。(3)专利号为200510011270.3，名称为“一种低功耗永磁偏置外转子径向磁轴承”在形式上采用双片八极同极性磁轴承结构来控制径向2个自由度，并采用了直流功放驱动控制8个径向控制线圈，此结构的磁轴承体积大，比交流驱动的磁轴承功耗高。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，从结构上减少磁轴承的体积、降低磁轴承功耗和生产成本、提高磁轴承的工作性能、扩大磁轴承的应用领域而提出一种功耗低、体积小、重量轻、加工制造方便的永磁偏磁外转子径向交流混合磁轴承。

本发明采用的技术方案是：包括转子铁心和定子铁心，定子铁心设置于转子铁心中间，定子铁心具有沿周向均匀分布且沿径向向外延伸的6个相同的定子铁心磁极；相互间隔的3个所述定子铁心磁极上各设置一个插槽，各插槽中分别镶嵌有提供静态偏磁磁通的相同的长方体永磁体，永磁体的S极均朝向定子铁心，N极均朝向转子铁心；另3个相互间隔的所述定子铁心磁极上分别绕制有相同的控制线圈；所述定子铁心磁极的顶端位置各设置有一个凹槽，每个凹槽中各安装有相同的位置传感器，在定子铁心、径向气隙与转子铁心之间均形成控制磁通。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1、传统的直流式径向混合磁轴承需要4路单极性(或2路双极性)功率放大电路，而本发明采用已经成熟应用在工业领域中的交流驱动技术，只用1个三相交流功率逆变器即可完全驱动径向交流混合磁轴承，因而大大减小了功率放大电路的体积和成本，显著降低了功率放大器的功耗，简化了驱动控制方法，提高了磁轴承的工作效率，使得此类磁轴承能在超高速高精数控机床、无轴承电机、飞轮储能系统中得到广泛应用。

2、本发明的控制磁通不经过永磁体所在的磁极，减小了控制磁路的磁阻，降低了线圈铜耗和功放损耗，还可避免控制磁通与偏磁磁通方向相反时对永磁体的去磁。

3、由于该磁轴承为异极性结构，减小了轴向尺寸，轴向长度较短，加上永磁体所在磁极上不带控制线圈，可以充分利用其来安装位置传感器，因而，不需要再占用轴向空间，进一步减少了磁轴承的轴向长度，大大减少磁轴承系统的体积与成本，满足卫星，空间站等航天器所要求的体积小、重量轻的目的，还可以使系统的临界转速得到进一步提高。

4、定子铁心磁极中设计了3个插槽来安转永磁体，可使永磁体易于安装，且不会从定子铁心中轻易滑出，还可使永磁体与定子铁心磁极成为一个整体，保证了定子铁心的机械强度，也可安装好转子之后插入永磁体，因此，转子安装和卸载时不需要克服永磁体的产生的磁场阻力。

附图说明

图1为本发明永磁偏磁外转子径向交流混合磁轴承的径向截面图。

图2为本发明永磁偏磁外转子径向交流混合磁轴承的工作原理图。

图中：1.转子铁心；21、22、23.永磁体；3.定子铁心；31、32、33、34、35、36.定子铁心磁极；41、42、43.控制线圈；51、52、53.位置传感器；6.径向气隙；7.控制磁通；8.静态偏磁磁通。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括转子铁心1和定子铁心3，在转子铁心1的中间安装定子铁心3，为外转子径向交流混合磁轴承结构。定子铁心3具有6个相同的定子铁心磁极31、32、33、34、35、36，这6个相同的定子铁心磁极31、32、33、34、35、36沿定子铁心3的圆周方向均匀分布，且沿定子铁心3的径向向外延伸，每个定子铁心磁极31、32、33、34、35、36之间间隔角度为60度。6个相同的定子铁心磁极31、32、33、34、35、36的顶端面与转子铁心1的内表面之间留有0.3-0.6mm的间隙。根据磁回路要求，磁路部件需导磁性能良好，磁滞低，并尽量降低涡流损耗与磁滞损耗，由此确定转子铁心1和定子铁心3均采用硅钢片叠压而成。

在3个相互间隔的定子铁心磁极32、34、36上各设置一个插槽，在各插槽中分别镶嵌相同的长方体永磁体21、22、23。永磁体21、22、23的S极均朝向定子铁心3，N极均朝向转子铁心1。为了加工安装方便，同时考虑到磁饱和的因素，使定子铁心磁极32、34、36的两侧面与永磁体21、22、23两侧面之间的距离H均为0.5-1.0mm。未嵌入永磁体21、22、23的另外3个相互间隔的定子铁心磁极31、33、35上分别绕制有相同的控制线圈41、42、43。

在定子铁心磁极32、34、36的顶端位置各设置一个凹槽中，在每个凹槽中各安装相同的位置传感器51、52、53，位置传感器51、52、53采用电涡流传感器，用来检测外转子的径向位移，因而节省了轴向空间，减少了磁轴承的轴向长度。

如图2所示，6个定子铁心磁极31、32、33、34、35、36的顶端面与转子铁心1的内表面之间留有的0.3-0.6mm间隙形成径向气隙6，3块永磁体21、22、23提供静态偏磁磁通8(图2中带箭头的虚线磁路)，静态偏磁磁通8从3块永磁体21、22、23的N极流出，经过径向气隙6后进入转子铁心1，然后均分两路分别通过永磁体所在磁极的两侧磁极与转子铁心1所对应的径向气隙6，进入两侧缠绕控制线圈41、42、43的磁极，最后经过定子铁心3回到永磁体21、22、23的S极。互成120度的3个定子铁心磁极31、33、35上的控制线圈41、42、43通以三相交流电流，提供控制磁通7，采用1个三相交流功率逆变器驱动控制，在定子铁心3、径向气隙6与转子铁心1之间均形成控制磁通7的磁回路(图2中带箭头的实线磁路)，在气隙处与静态偏磁磁通8进行合成，调整径向气隙6处磁场的大小，进而调节径向悬浮力的大小和方向，克服外界扰动或负载，实现转子的稳定悬浮。当转子由于负载或外扰动力在任一方向产生偏移时，根据三相交流电机磁场产生原理，三相控制线圈41、42、43通上交流电产生旋转磁场，形成一单极合成磁通，使之与永磁体21、22、23产生的静态偏磁磁通8相叠加或削弱，从而在各气隙处产生可控磁悬浮力来克服负载和扰动，使转子始终处于悬浮的中间位置。

Claims

1.一种永磁偏磁外转子径向交流混合磁轴承，包括转子铁心(1)和定子铁心(3)，定子铁心(3)设置于转子铁心(1)中间，其特征是：定子铁心(3)具有沿周向均匀分布且沿径向向外延伸的6个相同的定子铁心磁极(31、32、33、34、35、36)；相互间隔的3个所述定子铁心磁极(32、34、36)上各设置一个插槽，各插槽中分别镶嵌有提供静态偏磁磁通(8)的相同的长方体永磁体(21、22、23)，永磁体(21、22、23)的S极均朝向定子铁心(3)，N极均朝向转子铁心(1)；另3个相互间隔的所述定子铁心磁极(31、33、35)上分别绕制有相同的控制线圈(41、42、43)；所述定子铁心磁极(32、34、36)的顶端位置各设置有一个凹槽，每个凹槽中各安装有相同的位置传感器(51、52、53)，在定子铁心(3)、径向气隙(6)与转子铁心(1)之间均形成控制磁通(7)。

2.根据权利要求1所述的一种永磁偏磁外转子径向交流混合磁轴承，其特征是：所述定子铁心磁极(32、34、36)的两侧面与永磁体(21、22、23)两侧面之间的距离H为0.5-1.0mm。

3.根据权利要求1所述的一种永磁偏磁外转子径向交流混合磁轴承，其特征是：所述定子铁心磁极(31、32、33、34、35、36)的顶端面与转子铁心(1)的内表面之间具有0.3-0.6mm的间隙，形成径向气隙(6)。

4.根据权利要求1所述的一种永磁偏磁外转子径向交流混合磁轴承，其特征是：所述位置传感器(51、52、53)为电涡流传感器。