CN103016525B - 一种恒流源偏置径-轴向磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种恒流源偏置径-轴向磁轴承，包括同轴安装的转轴、转子和两个相同的圆盘、一个外圆环体、一个内圆环体、两个相同的小圆环体及三个定子铁心磁极联接成的定子铁心，内圆环体外壁紧密套接一个外围隔磁铝环，每个定子铁心磁极内部的轴向正中间均嵌有一个内部隔磁铝片；在外围隔磁铝环和外圆环体之间设置接功率放大器的轴向控制线圈；每个定子铁心磁极上各绕制一个径向控制线圈，三个径向控制线圈星形连接后连接三相交流功率逆变器；在圆盘、内圆环体和三个定子铁心磁极构成的轴向两个空腔内各设置一个恒流源偏置线圈；两个恒流源偏置线圈串联后连接恒流源；本发明是一种散热性好、成本低、功耗小且承载力大的磁轴承。

Description

一种恒流源偏置径-轴向磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非机械接触磁悬浮轴承，特指一种恒流源偏置径-轴向磁轴承，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、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

磁悬浮轴承（磁轴承）是利用磁场力将转子悬浮于空间, 使其与定子没有机械接触的一种新型支承轴承，具有无摩擦、无磨损、无需润滑和密封，高速度、高精度及寿命长等优点。磁轴承按照磁力提供方式，可分为被动磁轴承、主动磁轴承和永磁偏置混合磁轴承。恒流源偏置磁轴承是结合主动磁轴承的磁场可控与永磁偏置混合磁轴承功耗低的优点，是一种低成本、低功耗且高可控性的新型磁轴承，它由一个独立可调的恒流源提供偏置磁场，取代了主动磁轴承中的偏置磁场需要经过功率放大器产生及永磁偏置混合磁轴承中的偏置磁场由永磁体产生的方式。

目前，关于恒流源偏置磁轴承的相关结构只涉及单独的恒流源偏置径向磁轴承（内转子结构）及单独的恒流源偏置轴向磁轴承（外转子结构）。其中，关于恒流源偏置径向磁轴承的结构有两种：一种是中国专利公开号为CN101311571、名称为“恒流源偏置磁悬浮轴承”所提出的八极结构的恒流源偏置径向磁轴承，定子磁极上同时套装偏置线圈和控制线圈，所有偏置线圈都串联在一起，每个自由度上的控制线圈用串联或者并联的连线方式连接在一起，此结构的磁轴承一个自由度采用两个直流功率放大器（一个独立的功率放大器使偏置线圈通过恒定的电流提供偏置磁通，一个独立的功率放大器使控制线圈通过恒定的电流提供控制磁通）。由于直流功率放大器价格高，体积大，因此大大限制了磁轴承的应用领域，且功耗高，功率放大器成本较大。而且在该结构磁轴承中，需要一个专门的功率放大器为偏置线圈提供偏置电流，从而产生偏置磁通，即供偏置电流工作的功率放大器要一直工作，因此更加增加了其功耗与成本。另一种是论文名称为“恒流源偏置三相磁悬浮轴承”，作者为罗建召，徐龙祥，出版期刊为《机械科学与技术》，出版日期为2010年（29卷，第2期）所提出的六极结构的恒流源偏置径向磁轴承，该磁轴承采用通用三相交流功率逆变器供电，使得磁悬浮系统的功率部分具有通用性，相比于直流功率放大器，具有功耗明显降低，且功率放大器的成本可大大减少的优势。但是由于该结构磁轴承为六级结构，因此缠绕控制线圈与偏置线圈的空间较小，散热性较差，且径向承载力受到限制。

另外，目前关于恒流源偏置轴向磁轴承的结构只有一种：中国专利申请号为201210247525.6、名称为“一种恒流源偏置外转子轴向磁轴承”所提出的外转子的恒流源偏置轴向磁轴承。因为内转子磁轴承与外转子磁轴承在不同的领域发挥着自己独特的优势，因此在一些具有特殊要求的场合，外转子磁轴承不能替代内转子磁轴承。而任一稳定的旋转系统均需要在其五自由度上施加约束，如采用两个单独的径向磁轴承和一个轴向磁轴承来构成五自由度悬浮支承系统，要求所采用的磁轴承具有需要类型一致的特点，因此该结构恒流源偏置外转子轴向磁轴承不能与已经实现的恒流源偏置内转子径向磁轴承（上述两种）构成一个完整的五自由度悬浮支承系统。

考虑在构建一稳定的五自由度悬浮支承系统时，若采用两个单独的径向磁轴承和一个轴向磁轴承的组合方式，由于径向磁轴承及轴向磁轴承均要占用较大的轴向空间，会导致磁轴承支承的电机主轴轴向长度较长，体积较大。同时，也会导致转子临界转速下降，电机或各类旋转主轴向更高转速和功率发展受到限制。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术中恒流源偏置径向磁轴承、恒流源偏置轴向磁轴承各自的不足，以及两者组合使用的不足，提出一种恒流源偏置径-轴向磁轴承，将恒流源偏置径向磁轴承和恒流源偏置轴向磁轴承集于一体，降低了磁轴承的成本、减少了磁轴承的功耗。

本发明采用的技术方案是：包括同轴安装的转轴、转子和由与转轴同轴的两个相同的圆盘、一个外圆环体、一个内圆环体、两个相同的小圆环体及三个定子铁心磁极联接成的定子铁心，定子铁心内套有转子，转子固定套在转轴上；在两个相同的圆盘的轴向之间固定连接一个外圆环体和一个内圆环体，外圆环体的外径与圆盘相等，内圆环体内空套两个内径与圆盘内径相等的两个相同的小圆环体，两个相同的小圆环体分别面对面地固定连接在圆盘相应端面上，内圆环体的内壁沿径向向轴心处延伸有三个圆周方向均布的定子铁心磁极，两个相同的小圆环体在轴向上面对转子的端面且与转子端面之间留有轴向气隙，每个所述定子铁心磁极在径向上均与转子外壁之间留有径向气隙；内圆环体外壁紧密套接一个外围隔磁铝环，每个所述定子铁心磁极内部的轴向正中间均嵌有一个内部隔磁铝片，内部隔磁铝片的外缘紧密接触于外围隔磁铝环内壁上，内部隔磁铝片的内缘半径与所述定子铁心磁极的内径相同；在外围隔磁铝环和外圆环体之间设置轴向控制线圈，轴向控制线圈连接功率放大器；每个所述定子铁心磁极上各绕制一个径向控制线圈，三个所述径向控制线圈星形连接后连接三相交流功率逆变器；在圆盘、内圆环体和三个定子铁心磁极构成的轴向两个空腔内各设置一个紧挨内圆环体内壁的恒流源偏置线圈；两个所述恒流源偏置线圈串联后连接恒流源。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1、目前的恒流源偏置磁轴承，需要一个专门的功率放大器为偏置线圈提供偏置电流，从而产生偏置磁通，即供偏置电流工作的功率放大器要一直工作，导致其功耗与成本相对较高。而本发明直接通过恒流源为偏置线圈提供偏置电流，省去一个功率放大器，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。

2、本发明集恒流源偏置磁轴承的轴向和径向功能于一体，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。

3、本发明的径向部分采用三相交流功率逆变器驱动及控制技术，只用1个三相交流功率逆变器即可完全驱动磁轴承的径向部分，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。又结合了三极结构磁轴承，具有线圈缠绕空间大、散热性好及承载力大的优点，因此综合了已有的恒流源偏置径向磁轴承的优点，是一种散热性好、成本低、功耗小且承载力大的磁轴承。

4、本发明结合恒流源偏置磁轴承本身固有的偏置磁场可控性，相比主动磁轴承与永磁偏置磁轴承，是具有更优性能的新型磁轴承，其对提高磁轴承的承载力，实现承载力可调性且降低系统功耗，减少成本等具有深远意义。

附图说明

图1为本发明一种恒流源偏置径-轴向磁轴承的轴向截面、线圈的接线以及磁通回路示意图；

图2为图1的D-D向剖视图及与三相交流功率逆变器的连接图；

图3为图1中定子铁心的主视图；

图4为图3中B-B向剖视图；

图中：1.轴向控制线圈；2.定子铁心；21、22、23.定子铁心磁极；24.圆盘；25.外圆环体；26.内圆环体；27.小圆环体；31、32.恒流源偏置线圈；41、42、43.径向控制线圈；5.转子；6.转轴；7.外围隔磁铝环；8.内部隔磁铝片；9.径向气隙；10.轴向气隙；11.恒流源偏置磁通；12.径向控制磁通；13.轴向控制磁通；14. 十字槽沉头螺钉；15.恒流源；16.功率放大器；17.三相交流功率逆变器。

具体实施方式

如图1、图2、图3及图4所示，本发明是内转子磁轴承结构，包括同轴安装的转轴6、转子5和定子铁心2。定子铁心2是磁轴承的外壳，位于磁轴承最外围，定子铁心2的横截面是中空的圆柱形，定子铁心2空套在转轴6上，且内套转子5，转子5由圆形硅钢片叠压而成，转子5的横截面是中空的圆柱形，转子5固定套在转轴6上。转子5和定子铁心2均采用硅钢片叠压而成，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，定子铁心2由两个相同的圆盘24、一个外圆环体25、一个内圆环体26、两个相同的小圆环体27及三个定子铁心磁极21、22、23 联接而成。两个相同的圆盘24与转轴6同轴，在两个相同的圆盘24的轴向之间固定连接一个外圆环体25和一个内圆环体26，外圆环体25的外径与圆盘24相等。内圆环体26内空套两个相同的小圆环体27。两个相同的小圆环体27分别面对面地固定连接在两个相同的圆盘24相应端面上，并且，两个相同的圆盘24的内径均与两个相同的小圆环体27的内径相等。两个相同的小圆环体27在轴向上面对转子5的端面，并且小圆环体27与转子5端面之间留有轴向气隙10，即定子铁心2在轴向上与转子5端面之间留有轴向气隙10，轴向气隙10在轴向上的长度是0.3-0.6mm。可将一个圆盘24和一个小圆环体27加工成为整体零件，并且采用四个十字槽沉头螺钉14将外圆环体25固定连接两个整体零件，采用四个十字槽沉头螺钉14将内圆环体26固定连接两个整体零件。

如图1、图2、图3及图4所示。与内圆环体26内壁固定相连接的是三个相同的定子铁心磁极21、22、23，可将内圆环体26与三个定子铁心磁极21、22、23加工成整体零件。这三个定子铁心磁极21、22、23是由定子铁心2中内圆环体26的内腔壁沿径向向轴心处延伸所得，并且沿定子铁心2的圆周方向均匀分布，即每两个定子铁心磁极之间的间隔角度为120度。定子铁心磁极21、22、23在径向上均与转子5的外壁之间留有径向气隙9，径向气隙9在径向上的长度为0.3-0.6mm。

如图1、图2、图3及图4所示。在内圆环体26的径向外壁上通过过盈配合紧密套接一个外围隔磁铝环7，在每个定子铁心磁极21、22、23内部，且在轴向正中间都嵌有一个内部隔磁铝片8，内部隔磁铝片8的外缘半径与外围隔磁铝环7的内径相同，即内部隔磁铝片8的外缘紧密接触于外围隔磁铝环7的内壁上，内部隔磁铝片8的内缘半径与定子铁心磁极21、22、23的内径相同，即内部隔磁铝片8在靠近转子5的内缘与定子铁心磁极21、22、23平齐。即三个内部隔磁铝片8分别嵌入在相应的内圆环体26与三个定子铁心磁极21、22、23加工成的整体零件中，将其分隔成轴向对称的两部分。在外围隔磁铝环7和外圆环体25构成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。在每个定子铁心磁极21、22、23上各绕制一个径向控制线圈，三个径向控制线圈41、42、43相同。在定子铁心2的圆盘24、内圆环体26和定子铁心磁极21、22、23构成的轴向两个空腔内各设置一个相同的恒流源偏置线圈31、32，且紧挨内圆环体26的内壁上。

如图1及图2所示，两个恒流源偏置线圈31、32产生四个接线端，通过串联的连线方式连接，最终只有一个输入接线端，一个输出接线端，然后两个接线端连接到恒流源15的两个输出端。一个轴向控制线圈1产生两个接线端，一个输入接线端，一个输出接线端，然后两个接线端连接到功率放大器16的两个输出端。三个径向控制线圈产生六个接线端，将其中三个输出端通过星形连接连接起来，最终形成三个输入接线端，然后将三个接线端连接到三相交流功率逆变器17的三个输出端。

如图1所示。本发明由两个相互串联的恒流源偏置线圈31、32同时为磁轴承的径向-轴向提供恒流源偏置磁通11（图1中带箭头的虚线磁路），恒流源偏置磁通11经过定子铁心磁极21、22、23、内圆环体26、圆盘24、小圆环体27，轴向气隙10、转子5，然后进入径向气隙9，最后经过径向定子铁心2的定子铁心磁极21、22、23。本发明采用功率放大器16（直流功率放大器）为轴向控制线圈1提供控制电流，在外圆环体25、圆盘24、小圆环体27、转子5、轴向气隙10与另一侧圆盘24之间产生轴向控制磁通13的磁回路（参见图1中带箭头的点划线磁路），轴向控制磁通13在轴向气隙10处与恒流源偏置磁通11进行合成，调整轴向气隙10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。

如图2所示。本发明由互成120度的三个定子铁心磁极21、22、23上的径向控制线圈41、42、43通以三相交流电流，提供径向控制磁通12，采用1个三相交流功率逆变器17驱动控制，在定子铁心磁极21、22、23、径向气隙9和转子5之间形成的闭合磁回路。径向控制磁通12在径向气隙9处与恒流源偏置磁通11进行合成，调整径向气隙9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，使之与恒流源15产生的恒流源偏置磁通11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。

根据以上所述，便可以实现本发明。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种恒流源偏置径-轴向磁轴承，包括同轴安装的转轴（6）、转子（5）和由与转轴（6）同轴的两个相同的圆盘（24）、一个外圆环体（25）、一个内圆环体（26）、两个相同的小圆环体（27）及三个定子铁心磁极联接成的定子铁心（2），定子铁心（2）内套有转子（5），转子（5）固定套在转轴（6）上；在两个相同的圆盘（24）的轴向之间固定连接一个外圆环体（25）和一个内圆环体（26），外圆环体（25）的外径与圆盘（24）的外径相等，内圆环体（26）内空套两个内径与圆盘（24）内径相等的两个相同的小圆环体（27），两个相同的小圆环体（27）分别面对面地固定连接在圆盘（24）相应端面上，内圆环体（26）的内壁沿径向向轴心处延伸有三个圆周方向均布的定子铁心磁极，

其特征是：两个相同的小圆环体（27）在轴向上面对转子（5）的端面且与转子（5）端面之间留有轴向气隙（10），每个所述定子铁心磁极在径向上均与转子（5）外壁之间留有径向气隙（9）；内圆环体（26）外壁紧密套接一个外围隔磁铝环（7），每个所述定子铁心磁极内部的轴向正中间均嵌有一个内部隔磁铝片（8），内部隔磁铝片（8）的外缘紧密接触于外围隔磁铝环（7）内壁上，内部隔磁铝片（8）的内缘半径与所述定子铁心磁极的内径相同；在外围隔磁铝环（7）和外圆环体（25）之间设置轴向控制线圈（1），轴向控制线圈（1）连接功率放大器（16）；每个所述定子铁心磁极上各绕制一个径向控制线圈，三个所述径向控制线圈星形连接后连接三相交流功率逆变器（17）；在圆盘（24）、内圆环体（26）和三个定子铁心磁极构成的轴向两个空腔内各设置一个紧挨内圆环体（26）内壁的恒流源偏置线圈；两个所述恒流源偏置线圈串联后连接恒流源（15）。

2.根据权利要求1所述的一种恒流源偏置径-轴向磁轴承，其特征是：轴向气隙（10）在轴向上的长度是0.3-0.6mm；径向气隙（9）在径向上的长度为0.3-0.6mm。