CN102305242A - 一种径向-轴向三自由度交直流混合磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于无接触悬浮支承的径向-轴向三自由度交直流混合磁轴承，径向定子铁心和轴向定子铁心之间设置轴向控制线圈，轴向定子铁心在轴向上与转子端面之间具有轴向气隙，径向定子铁心内腔壁向轴心处延伸出周向均布的三个相同的定子铁心磁极，其上分别绕有相同的径向控制线圈且在径向上与转子的外壁之间均具有径向气隙；在径向定子铁心的轴向两侧、与轴向定子铁心之间分别设置相同的轴向充磁的环形的永磁体，永磁体的S极均朝向径向定子铁心，N极朝向轴向定子铁心；集轴向、径向功能于一体，只需用1个三相交流功率逆变器驱动，采用2块轴向充磁的环形永磁体，控制磁通不经过永磁体所在的磁极，功耗低、体积小、重量轻、承载力大。

Description

一种径向-轴向三自由度交直流混合磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非机械接触磁轴承，特指一种径向-轴向三自由度交直流混合磁轴承，可作为五自由度磁悬浮高速机床电主轴、无轴承电机、飞轮储能系统、空调压缩机、涡轮分子泵等机械设备及卫星、空间站等航天器中旋转部件的无接触悬浮支承。

背景技术

目前，由永磁体提供静态偏磁磁通、直流信号提供控制磁通的混合型磁轴承已经成为国内外的研究热点，并着重研究轴向单自由度磁轴承与径向二自由度磁轴承，而径向-轴向三自由度磁轴承研究较少。一方面，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，将单自由度轴向磁轴承与径向二自由度磁轴承分离开来，导致五自由度磁轴承支承系统占用较大的轴向空间；磁轴承支承的电机主轴轴向长度较长，体积较大；转子临界速度下降，不能满足卫星，空间站等航天器所要求的体积小、重量轻的要求且不利于电机或各类旋转主轴向更高转速和功率发展。

公开号为CN1644940，名称为“一种低功耗永磁偏置外转子径向磁轴承”的专利文献提出的直流式径向二自由度外转子混合磁轴承，采用双片八极同极性磁轴承结构来控制径向2个自由度，需要4路单极性（或2路双极性）直流功率放大电路驱动控制8个径向控制线圈，此结构的磁轴承体积大，相比于交流驱动的磁轴承，其磁轴承系统的功率放大电路的体积和成本高，功率放大器的功耗高，且工作效率低。

公开号为CN101158374，名称为“三磁极的永磁偏置径向磁轴承”的专利文献提出的三磁极的永磁偏置径向磁轴承采用的是内转子和环形永磁体结构，采用外部磁极铁心与定子铁心共同构成磁通回路，所以增加了轴向长度，且径向控制磁通经过永磁体所在的磁极，增大了控制磁路的磁阻，增加了线圈铜耗和功放损耗，若控制磁通与偏磁磁通方向相反时，控制磁通还会对永磁体产生去磁作用。

公开号为CN1737388，名称为“三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承及其控制方法” 的专利文献提出的磁轴承采用单片式结构的定子，且定子分为轴向定子和径向定子两部分，磁极及转子结构相对简单，缺点是轴向控制线圈与径向控制线圈所占的空间有限，导致磁轴承承载力下降、散热性能差。

发明内容

本发明的目的为了克服现有技术的不足，从结构上来减少现有磁轴承的体积，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、承载力大、加工制造方便的高性能径向-轴向三自由度交直流混合磁轴承。

本发明采用的技术方案是：包括同轴设置的转轴、转子、径向定子铁心和轴向定子铁心，轴向定子铁心空套在转轴上且内套径向定子铁心，径向定子铁心内套转子，转子固定套在转轴上，径向定子铁心和轴向定子铁心之间的空腔内设置轴向控制线圈；轴向定子铁心在轴向上与转子端面之间具有轴向气隙；径向定子铁心的内腔壁向轴心处延伸出圆周方向均布的三个相同的定子铁心磁极，三个相同的定子铁心磁极上分别绕有相同的径向控制线圈且在径向上与转子的外壁之间均具有径向气隙；在径向定子铁心的轴向两侧、与轴向定子铁心之间分别设置相同的轴向充磁的环形的永磁体，永磁体的S极均朝向径向定子铁心，N极朝向轴向定子铁心；永磁体产生静态偏磁磁通，静态偏磁磁通是从永磁体的N极流出，经轴向定子铁心、轴向气隙、转子、径向气隙、径向定子铁心回到永磁体的S极的磁回路；轴向控制线圈通直流电流，在轴向定子铁心、轴向气隙与转子之间产生轴向控制磁通的磁回路；三个径向控制线圈通三相交流电流，在径向定子铁心、径向气隙与转子之间形成径向控制磁通。 

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1、传统的直流式径向二自由度混合磁轴承需要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，只需用1个三相交流功率逆变器即可完全驱动径向二自由度交流混合磁轴承，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、本发明集轴向、径向功能于一体，减少了磁轴承的轴向长度以及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、重量轻的要求，还可以使系统的临界转速得到进一步提高。

3、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。

4、相比于现有技术中采用1块径向充磁的永磁体提供静态偏磁磁通，本发明采用2块轴向充磁的环形永磁体，增大了绕制径向控制线圈的空间，可以增大径向承载力，且散热性能好。

5、本发明将轴向控制线圈绕制在永磁体及径向定子铁心的外围，而磁轴承的其它部件不占用其所属空间，相比于背景技术中公开号为CN1737388专利的三自由度交直流磁轴承，本发明可为轴向控制线圈提供足够的空间，因此轴向承载力明显增大，且散热性能好。

附图说明

图1为本发明径向-轴向三自由度交直流混合磁轴承的结构主视图及其磁通示意图；

图2为图1的D-D向剖视图；

图3为图1中轴向定子铁心9的主视图；

图4为图3中B-B向剖视图；

图中：1.轴向控制线圈；2.径向定子铁心；21、22、23.径向定子铁心磁极；31、32.永磁体；4.转子；5.转轴；7.外围隔磁铝环；9.轴向定子铁心；10.轴向控制磁通；11.径向控制磁通；12.静态偏磁磁通；13.轴向气隙；14.径向气隙；15.沉头螺钉；61、62、63.径向控制线圈；81、82.内部隔磁铝环；91.大圆环体；92.圆盘；93.小圆环体。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明是内转子磁轴承结构，包括同轴安装的转轴5、转子4、径向定子铁心2和轴向定子铁心9。轴向定子铁心9是磁轴承的外壳，位于磁轴承最外围，轴向定子铁心9的横截面是中空的圆柱形，轴向定子铁心9空套在转轴5上，轴向定子铁心9内套径向定子铁心2，在径向定子铁心2和轴向定子铁心9之间的空腔内设置轴向控制线圈1。径向定子铁心2内套转子4，转子4由圆形硅钢片叠压而成，转子4的横截面是中空的圆柱形，转子4固定套在转轴5上。 

转子4和径向定子铁心2均采用硅钢片叠压而成，而轴向定子铁心9采用电工纯铁加工而成，确保导磁性能良好，磁滞低，并尽量降低涡流损耗与磁滞损耗。

如图3-4所示，轴向定子铁心9由两个相同的圆盘92、一个大圆环体91及两个相同的小圆环体93联接而成。在两个相同的圆盘92的轴向之间固定连接一个大圆环体91，大圆环体91的外径与圆盘92相等。大圆环体91内空套两个相同的小圆环体93。两个相同的小圆环体93分别面对面地固定连接在两个相同的圆盘92相应端面上，并且，两个相同的圆盘92的内径均与两个相同的小圆环体93的内径相等。两个相同的小圆环体93在轴向上面对转子4的端面，并且小圆环体93与转子4端面之间留有轴向气隙13，即轴向定子铁心9在轴向上与转子4端面之间留有轴向气隙13，轴向气隙13在轴向上的间距是0.3-0.6mm。可将一个圆盘92和一个小圆环体93加工成为整体零件，并且采用四个沉头螺钉15将大圆环体91固定连接两个整体零件。

径向定子铁心2外形是中空的圆柱状，具有三个相同的定子铁心磁极21、22、23，这三个定子铁心磁极21、22、23是由径向定子铁心2的内腔壁向轴心处延伸所得，并且沿径向定子铁心2的圆周方向均匀分布，即每两个径向定子铁心磁极之间的间隔角度为120度。径向定子铁心磁极21、22、23在径向上与转子4的外壁之间留有径向气隙14，径向气隙14在径向上的间距为0.3-0.6mm。在径向定子铁心磁极21、22、23上分别绕制相同的径向控制线圈61、62、63。

在径向定子铁心2的轴向两侧分别安装相同的轴向充磁的环形永磁体31、32，永磁体31、32均采用高性能稀土材料钕铁硼，在轴向上，被紧密叠压在径向定子铁心2与轴向定子铁心9之间，且永磁体31、32的S极均朝向径向定子铁心2，N极朝向轴向定子铁心9。环形永磁体31、32的外径与径向定子铁心2的外径相等。在永磁体31、32的径向外壁上通过过盈配合连接一个外围隔磁铝环7，即外围隔磁铝环7通过过盈配合同时套在环形永磁体31、32和径向定子铁心2的外壁上。永磁体31、32在其径向内壁上通过过盈配合分别连接内部隔磁铝环81、82，即永磁体31、32通过过盈配合分别套在内部隔磁铝环81、82的的外壁上。外围隔磁铝环7、内部隔磁铝环81、82起固定连接与隔磁作用。在外围隔磁铝环7和轴向定子铁心9内壁之间的空腔内设置轴向控制线圈1，轴向控制线圈1紧挨外围隔磁铝环7外壁上。

本发明由两块永磁体31、32产生静态偏磁磁通12（图1中带箭头的实线磁路），静态偏磁磁通12从2块永磁体31、32的N极流出，经过轴向定子铁心9，轴向气隙13后进入转子4，然后进入径向气隙14，最后经过径向定子铁心2回到永磁体31、32的S极，取代主动磁轴承中采用电磁铁来产生静态偏置磁通，可明显降低功率放大器的功率损耗。

本发明采用直流开关功率放大器为轴向控制线圈1提供控制电流，在轴向定子铁心9、轴向气隙13与转子4之间产生轴向控制磁通10的磁回路（参见图1中带箭头的虚线磁路），轴向控制磁通10在轴向气隙13处与静态偏磁磁通12进行合成，调整轴向气隙13处磁场的大小，就可进而调节轴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。

本发明由互成120度的三个径向定子铁心磁极21、22、23上的径向控制线圈61、62、63通以三相交流电流，提供径向控制磁通11，采用1个三相交流功率逆变器驱动控制，在径向定子铁心2、径向气隙14与转子4之间均形成径向控制磁通11。径向控制磁通11在径向气隙14处与静态偏磁磁通12进行合成，调整径向气隙14处磁场的大小，就可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，三相径向控制线圈61、62、63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31、32产生的静态偏磁磁通12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 (4)

1.一种径向-轴向三自由度交直流混合磁轴承，包括同轴设置的转轴（5）、转子（4）、径向定子铁心（2）和轴向定子铁心（9），轴向定子铁心（9）空套在转轴（5）上且内套径向定子铁心（2），径向定子铁心（2）内套转子（4），转子（4）固定套在转轴（5）上，其特征是：径向定子铁心（2）和轴向定子铁心（9）之间的空腔内设置轴向控制线圈（1）；轴向定子铁心（9）在轴向上与转子（4）端面之间具有轴向气隙（13）；径向定子铁心（2）的内腔壁向轴心处延伸出圆周方向均布的三个相同的定子铁心磁极（21、22、23），三个相同的定子铁心磁极（21、22、23）上分别绕有相同的径向控制线圈61、62、63且在径向上与转子（4）的外壁之间均具有径向气隙（14）；在径向定子铁心（2）的轴向两侧、与轴向定子铁心（9）之间分别设置相同的轴向充磁的环形的永磁体（31、32），永磁体（31、32）的S极均朝向径向定子铁心（2），N极朝向轴向定子铁心（9）；永磁体（31、32）产生静态偏磁磁通（12），静态偏磁磁通（12）是从永磁体（31、32）的N极流出，经轴向定子铁心（9）、轴向气隙（13）、转子（4）、径向气隙（14）、径向定子铁心（2）回到永磁体（31、32）的S极的磁回路；轴向控制线圈（1）通直流电流，在轴向定子铁心（9）、轴向气隙（13）与转子（4）之间产生轴向控制磁通（10）的磁回路；三个径向控制线圈（61、62、63）通三相交流电流，在径向定子铁心（2）、径向气隙（14）与转子（4）之间形成径向控制磁通（11）。

2.根据权利要求1所述的一种径向-轴向三自由度交直流混合磁轴承，其特征是：永磁体（31、32）的外径与径向定子铁心（2）的外径相等，永磁体（31、32）的径向外壁上连接一个外围隔磁铝环（7）、内壁上各连接内部隔磁铝环（81、82）；轴向控制线圈（1）位于外围隔磁铝环（7）和轴向定子铁心（9）内壁之间。

3.根据权利要求1所述的一种径向-轴向三自由度交直流混合磁轴承，其特征是：轴向定子铁心（9）由两个相同的圆盘（92）、一个大圆环体（91）及两个相同的小圆环体（93）联接成，两个相同的圆盘（92）在轴向间固定连接大圆环体（91），大圆环体（91）内空套两个相同的小圆环体（93），大圆环体（91）的外径与圆盘（92）的外径相等，小圆环体（93）的内径与圆盘（92）的内径相等，且两个相同的小圆环体（93）分别面对面地固定连接于两个相同的圆盘（92）相应端面上；轴向气隙（13）为小圆环体（93）与转子（4）端面之间的间隙。

4.根据权利要求1所述的一种径向-轴向三自由度交直流混合磁轴承，其特征是：轴向气隙（13）和径向气隙（14）的间距均为0.3-0.6mm。

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