CN104265761B - 一种轴-径向三自由度混合磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴‑径向三自由度混合磁轴承，包括环形轴向定子、永磁环、一个四磁极的径向定子、轴向控制绕组、径向控制绕组、吸力盘和转轴。轴向定子采用径向充磁的永磁环置于轴向定子和径向定子之间，并贴装在一起。轴向控制绕组绕制于由轴向定子、永磁环、径向定子、转轴和吸力盘组成的环形凹槽内。径向控制绕组分别绕制于径向定子的四个磁极上。两个吸力盘分别置于定子组件的两侧。本发明大大缩小了磁轴承的轴向长度，悬浮力可以做得更大；采用直流电进行控制，有效地减少或者杜绝了涡流损耗；不占用过大的径向和轴向长度，增加了混合型磁悬浮轴承的适用范围；结构简单、控制方便且易于实现。

Description

一种轴-径向三自由度混合磁轴承

技术领域

本发明涉及一种无机械接触磁轴承，特指一种轴-径向三自由度混合磁轴承，适用于高速飞轮储能、高速电主轴、无轴承电机等高速传动领域的轴向无接触悬浮支承。

背景技术

磁悬浮轴承(磁轴承)是一种利用电磁力实现转子系统无机械接触稳定悬浮运行的轴承。相对于传统机械轴承，磁轴承具有无摩擦、无磨损、高速度、噪音小及寿命长等优点。由于定转子之间没有机械接触，磁轴承的转子可达到很高的转速，所以在高速飞轮储能、高速电主轴、无轴承电机等高速传动领域具有广泛的应用前景。

按照励磁方式的不同，磁轴承可以分为主动磁轴承、被动磁轴承和混合磁轴承(永磁偏置混合磁轴承)。由于混合磁轴承使用永磁体产生的磁场作为静态偏置磁场，不仅使得电磁铁的安匝数减少，大大降低了功率放大器的功耗，而且还缩小了磁轴承的体积，减轻了其重量。因此混合磁轴承已经成为研究的热点。

目前国内外研究的轴向-径向混合磁轴承在结构形式主要分为两种：一种是将径向磁轴承与轴向磁轴承分离开来，单独进行轴、径向悬浮控制，然而，这种结构转子轴向长度长，不利于转子临界转速的提高；另一种是将轴向和径向悬浮控制集成在一起，其转子较小，有利于转子临界转速的提高。

中国专利公开号CN101392795A、名称为“一种外转子轴-径向三自由度混合磁轴承”和中国专利公开号CN1737388A、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”中的径向控制电流是交流电，其中含有谐波电流，容易导致涡流损耗。中国专利公开号CN101149077A名称为“永磁偏置轴向径向磁轴承”，需要6个径向控制线圈和2个环形永磁体，磁轴承的体积大，磁轴承的功耗高。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提出一种轴-径向三自由度混合磁轴承。该磁轴承具有功耗低、体积小、重量轻、结构简单、同时控制轴-径向三自由度等优点。

本发明的技术解决方案是：

一种轴-径向三自由度混合磁轴承，包括定子组件和转子组件；

所述定子组件包括环形轴向定子、一个永磁环、一个四磁极的径向定子、两套轴向控制绕组和四套径向控制绕组；

所述轴向定子一侧轴向截面为“T”型；所述永磁环置于轴向定子和径向定子之间，并贴装在一起，用以同时产生轴、径向偏置磁通；

所述轴向控制绕组分为第一轴向控制绕组和第二轴向控制绕组，所述轴向控制绕组分别绕制于由所述轴向定子、永磁环、径向定子、转轴和两个吸力盘组成的环形凹槽内，用以产生轴向控制磁通；

所述径向控制绕组分为上径向控制绕组、下径向控制绕组、左径向控制绕组和右径向控制绕组，所述径向控制绕组分别绕制于径向定子的上、下、左和右四个磁极，用以产生径向控制磁通；

所述转子组件包括两个吸力盘和转轴，所述吸力盘为圆盘形状，分为第一吸力盘和第二吸力盘，分别置于定子组件的两侧，圆盘中心套装在转轴上；

所述吸力盘与轴向定子之间形成轴向气隙，所述转轴与径向定子之间形成径向气隙；所述轴向定子、轴向气隙、永磁环、第一吸力盘、第二吸力盘、径向定子、径向气隙和转轴构成完整的轴、径向静态偏置磁通回路，所述轴向定子、轴向气隙、第一吸力盘、第二吸力盘和转轴构成完整的轴向控制磁通回路。

进一步，所述径向定子、径向气隙和转轴构成完整的径向控制磁通回路。

进一步，所述永磁环是圆环形的且径向充磁，由稀土材料钕铁硼构成。

进一步，所述轴向定子为圆环形状，由电工钢构成。

进一步，所述径向定子具有四个上下左右对称的磁极，也电工钢构成。

进一步，所述转轴也由电工钢构成。

进一步，所述第一轴向控制绕组和第二轴向控制绕组可以串联连接，也可以分为两个独立绕组分别注入直流电进行控制。

进一步，所述上径向控制绕组和下径向控制绕组可以串联连接在一起，注入直流电进行控制；所述左径向控制绕组和右径向控制绕组可以串联连接在一起，注入直流电控制。

本发明与现有技术相比，具有的优点是：

利用永磁磁场代替电磁铁产生的磁场来作为静态偏置磁场，减少了电磁铁安匝数，缩小磁轴承体积，降低功率放大器功耗，提高磁轴承承载能力；巧妙地实现了轴-径向三自由度联合控制，相比于二自由度径向磁轴承与单自由度轴向磁轴承的给合，大大缩小了磁轴承的轴向长度，悬浮力可以做得更大；采用直流电进行控制，有效地减少或者杜绝了涡流损耗；不占用过大的径向和轴向长度，增加了混合型磁悬浮轴承的适用范围；结构简单、控制方便且易于实现。

附图说明

图1为轴-径向三自由度混合磁轴承的轴向截面与磁通回路示意图。

图2为图1的A-a径向剖分截面与磁通回路示意图。

图中：1为轴向定子，2为轴向气隙，3为第一吸力盘，4为第一轴向控制绕组，5为永磁环，6为轴-径向偏置磁通回路，7为轴向控制磁通回路，8为上径向控制绕组，9为径向定子，10为径向气隙，11为下径向控制绕组，12为第二吸力盘，13为第二轴向控制绕组，14为径向控制磁通回路，15为转轴，16为左径向控制绕组，17为右径向控制绕组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为轴-径向三自由度混合磁轴承的轴向截面与磁通回路示意图，图2为图1的A-a径向剖分截面与磁通回路示意图。圆环形轴向定子1的轴向截面为“T”型，由电工钢制成。永磁环5采用稀土材料钕铁硼制成，置于轴向定子1和径向定子9之间，并贴装在一起，用以同时产生轴、径向偏置磁通。第一轴向控制绕组4和第二轴向控制绕组13分别绕制于由所述轴向定子、永磁环、径向定子、转轴和两个吸力盘组成的环形凹槽内，用以产生轴向控制磁通。上径向控制绕组8、下径向控制绕组11、左径向控制绕组16和右径向控制绕组17分别绕制于径向定子的上、下、左和右四个磁极，用以产生径向控制磁通。第一吸力盘3和第二吸力盘12也由电工钢制成，分别置于定子组件的两侧，圆盘中心套装在转轴15上；转轴15也由电工钢制成，置于径向定子9的四个磁极之间。第一吸力盘3、第二吸力盘12与轴向定子1之间形成轴向气隙2，转轴15与径向定子9之间形成径向气隙10。轴向定子1、轴向气隙2、永磁环5、第一吸力盘3、第二吸力盘12、径向定子9、径向气隙10和转轴15构成完整的轴-径向静态偏置磁通回路6，如图1中带箭头的虚线所示；轴向定子1、轴向气隙2、第一吸力盘3、第二吸力盘12和转轴15构成完整的轴向控制磁通回路，如图1中带箭头的实线7所示；径向定子9、径向气隙10和转轴15构成完整的径向控制磁通回路，如图1与2中带箭头的实线14所示。轴向控制磁通和径向控制磁通彼此解耦，互不干扰。第一轴向控制绕组4和第二轴向控制绕组13可以串联连接，也可以分为两个独立绕组分别注入直流电进行控制；上径向控制绕组8和下径向控制绕组11可以串联连接在一起，注入直流电进行控制；左径向控制绕组16和右径向控制绕组17可以串联连接在一起，注入直流电控制。

其轴向基本工作原理：如图1所示，当轴向定子1处于两个吸力盘中间位置，即平衡位置时，由于其结构的对称性，永磁环5产生的磁通在轴向定子1左、右边的轴向气隙处是相等的，此时，两个吸力盘受到的吸力相等；轴向定子1与两个吸力盘内侧之间的气隙相等，即左右轴向气隙长度均为g_z0，假设此时吸力盘受到一个向左的扰动力，转子组件向左运动，造成左边的轴向气隙变大，右边的轴向气隙变小，从而导致左边轴向气隙处的磁通小于右边轴向气隙处的磁通。根据在磁极面积一定时磁场吸力与磁场磁通量的平方成正比，所以，向左的吸力大于向右的吸力，在没有外界的帮助下，转子组件是无法回到平衡位置的。此时，在轴向控制线圈中注入一定的控制电流，在铁芯和轴向气隙中建立一个控制磁场。右边轴向气隙中的偏置磁通与控制磁通相减，使得右边轴向气隙中的磁通量减小；而左边轴向气隙中的偏置磁通与控制磁通相加，使得左边轴向气隙中的磁通量增加。这样，产生一个向右的吸力，将吸力盘拉回平衡位置。同理，当吸力盘受到一个向右的扰动力时，分析过程与此相类似。这样，可以将转子组件始终保持在平衡位置。

其径向基本工作原理：如图2所示，当转轴15处于径向定子9的中间位置即平衡位置时，由于其结构的对称性，永磁环5产生的磁通在上、下、左、右径向气隙处是相等的，此时，转轴受到的上、下、左、右吸力相等；假设此时转轴受到一个向下的扰动，转轴向下运动，造成上径向气隙变大，下径向气隙变小，从而导致上径向气隙处的磁通小于下径向气隙处的磁通。所以，向下的吸力大于向上的吸力，在没有外界的帮助下，转轴是无法回到平衡位置的。此时，在上下径向控制线圈中注入一定的控制电流，在铁芯和径向气隙中建立一个控制磁场。下径向气隙中的偏置磁通与控制磁通相减，使得下径向气隙中的磁通量减小；而上径向气隙中的偏置磁通与控制磁通相加，使得上径向气隙中的磁通量增加。这样，产生一个向上的吸力，将转轴拉回平衡位置。同理，当转轴受到一个向上、左或右的扰动力时，分析过程与此相类似。这样，可以将转轴始终保持在平衡位置。

这样，通过轴向和径向悬浮力控制的配合，可以将转子组件始终保持在平衡位置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种轴-径向三自由度混合磁轴承，其特征在于：包括定子组件和转子组件；

所述定子组件包括环形轴向定子(1)、一个永磁环(5)、一个四磁极的径向定子(9)、两套轴向控制绕组和四套径向控制绕组；

所述轴向定子(1)一侧轴向截面为“T”型；

所述永磁环(5)置于轴向定子(1)和径向定子(9)之间，并贴装在一起，用以同时产生轴、径向偏置磁通；

所述轴向控制绕组分为第一轴向控制绕组(4)和第二轴向控制绕组(13)，所述轴向控制绕组分别绕制于由所述轴向定子(1)、永磁环(5)、径向定子(9)、转轴(15)和两个吸力盘组成的环形凹槽内，用以产生轴向控制磁通；

所述径向控制绕组分为上径向控制绕组(8)、下径向控制绕组(11)、左径向控制绕组(16)和右径向控制绕组(17)，所述径向控制绕组分别绕制于径向定子(9)的上、下、左和右四个磁极，用以产生径向控制磁通；

所述转子组件包括两个吸力盘和转轴(15)，所述吸力盘为圆盘形状，分为第一吸力盘(3)和第二吸力盘(12)，分别置于定子组件的两侧，圆盘中心套装在转轴(15)上；

所述吸力盘与轴向定子(1)之间形成轴向气隙(2)，所述转轴(15)与径向定子(9)之间形成径向气隙(10)；所述轴向定子(1)、轴向气隙(2)、永磁环(5)、第一吸力盘(3)、第二吸力盘(12)、径向定子(9)、径向气隙(10)和转轴(15)构成完整的轴、径向静态偏置磁通回路，所述轴向定子(1)、轴向气隙(2)、第一吸力盘(3)、第二吸力盘(12)和转轴(15)构成完整的轴向控制磁通回路，所述径向定子(9)、径向气隙(10)和转轴(15)构成完整的径向控制磁通回路。

2.根据权利要求1所述的轴-径向三自由度混合磁轴承，其特征在于：所述永磁环(5)是圆环形的且径向充磁，由稀土材料钕铁硼构成。

3.根据权利要求1所述的轴-径向三自由度混合磁轴承，其特征在于：所述轴向定子(1)为圆环形状，由电工钢构成。

4.根据权利要求1所述的轴-径向三自由度混合磁轴承，其特征在于：所述径向定子(9)具有四个上下左右对称的磁极，由电工钢构成。

5.根据权利要求1所述的轴-径向三自由度混合磁轴承，其特征在于：所述转轴(15)由电工钢构成。

6.根据权利要求1所述的轴-径向三自由度混合磁轴承，其特征在于：所述第一轴向控制绕组(4)和第二轴向控制绕组(13)可以串联连接，也可以分为两个独立绕组分别注入直流电进行控制。

7.根据权利要求1所述的轴-径向三自由度混合磁轴承，其特征在于：所述上径向控制绕组(8)和下径向控制绕组(11)串联连接在一起，注入直流电进行控制；所述左径向控制绕组(16)和右径向控制绕组(17)串联连接在一起，注入直流电控制。