CN105257699B - 混合三相磁轴承 - Google Patents

Abstract

一种混合三相磁轴承，包括定子铁芯和转子，所述转子位于定子铁芯的内孔，所述混合三相磁轴承还包括隔磁铝环，所述隔磁铝环上等圆弧间隔布置三个永磁体，所述隔磁铝环的两侧分别布置定子铁芯，所述定子铁芯上等圆弧间隔布置3个绕线圈组成的电磁铁，所述电磁铁与所述永磁体错位布置，两个定子铁芯的外侧固定安装磁轴承端盖。本发明提供一种减少体积、降低涡流、简化加工的混合三相磁轴承。

Description

混合三相磁轴承

技术领域

本发明涉及磁轴承领域，尤其是一种混合三相磁轴承。

背景技术

磁悬浮轴承由于机械磨损小，机械与电气保护容易，维护、检修和更换方便，适用于恶劣环境、及其洁净无污染环境和特殊需要的领域等优点越来越受到科技工作者的重视；目前已有应用于高精度的机床主轴、数控机床主轴、高压真空泵、涡轮机、压缩机、水轮发电机、卫星导航等装备应用。磁轴承从系统结构和控制方式上分，可以分为直流磁轴承和交流磁轴承。目前直流式磁轴承功率放大器造价高，一个径向磁轴承需要用二路双极性功放，成本高、体积大。而交流式磁轴承用三相功率逆变器来提供控制电流，一个三相功率逆变器就可以控制径向二个自由度，且其应用技术成熟、价格便宜、体积小。另外，混合型磁轴承利用永磁提供偏置磁通、电磁提供控制磁通，大大降低了功率损耗，减小了磁轴承体积；而异极型磁轴承较同极型可以提供更大的悬浮力。因此开展对异极型三相交流磁悬浮磁轴承的结构及悬浮控制系统设计具有重大的研究背景和现实意义。

发明内容

为了克服已有磁轴承的体积较大、涡流较大、加工复杂的不足，本发明提供一种减少体积、降低涡流、简化加工的混合三相磁轴承。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种混合三相磁轴承，包括定子铁芯和转子，所述转子位于定子铁芯的内孔，所述混合三相磁轴承还包括隔磁铝环，所述隔磁铝环上等圆弧间隔布置三个永磁体，所述隔磁铝环的两侧分别布置定子铁芯，所述定子铁芯上等圆弧间隔布置3个绕线圈组成的电磁铁，所述电磁铁与所述永磁体错位布置，两个定子铁芯的外侧固定安装磁轴承端盖。

进一步，所述定子铁芯与磁轴承端盖之间设有垫圈铝环。

再进一步，所述磁轴承端盖的内孔安装保护轴承，所述转子与所述保护轴承的动圈连接，所述保护轴承外侧安装保护轴承盖板。

所述电磁铁的线圈分别与三相交流逆变器连接。

所述永磁体为钕铁硼永磁体。

磁环采用异极型结构，两片定子铁芯的磁路完全相反。

所述转子上安装电涡流传感器，所述电涡流传感器与第一调理电路连接，所述第一调理电路与控制器连接，所述控制器与电平转换电路连接、电平转换电路与功率放大电路连接，所述功率放大电路与电流传感器连接，所述电流传感器通过第二调理电路与控制器连接，所述电源模块分别与电磁铁、电路传感器和功率放大电路连接。

所述功率放大电路与温度调理电路、错误信号电路连接，所述温度调理电路、错误信号电路分别与控制器连接。

本发明的技术构思为：六个电磁铁与三个永磁体组合形成磁环，在该磁轴承组合中永磁体由隔磁铝环固定，被夹在两片定子铁芯之间，在各个平面中电磁铁、永磁体相间均匀分布。由于控制磁通不经过永磁体，与静态偏磁磁通互不影响。该磁轴承看似采用了双片六极式，其实不然，同一项的线圈绕线是连在一起绕制而成，只是上下的绕指方向相反，这样其实还是对三个线圈的控制。这样设计可以减少控制线圈数，使其设计变得相对简单。在同一平面里电磁铁的磁极不全部相同，有一个磁极与另两个磁极相反。这样设计在线圈中通有相同的电流时，所产生的电磁力比同级型大，可以提高磁轴承的承载能力，减小磁轴承的体积。

采用有限元分析软件ANSYS，对用磁路方法计算出的结构尺寸进行仿真校核。对磁轴承的磁路进行了仿真验证，给出了所设加载下的磁场分布，得出了所设加载下的悬浮力。得到混合磁轴承在相同电流加载(耗能)下，大大提高了磁轴承的承载能力；磁轴承在结构上是比较合理的；磁路也是比较合理的。在该磁轴承中安装有位移传感器，当轴承中的转子发生偏移时，位移传感器会产生一个信号，并将该信号传送给控制器，作为控制器进行控制和调节的参考信号。功放根据控制输出的控制信号来调整对电磁铁的控制，从而使电磁铁产生期望的电磁力；达到对转子位置的控制，本设计中的功放芯片会输出温度信号，传给控制器，使得系统能够对芯片的温度进行实时监控；功放的短路保护及对电压、短路进行错误报警。

本发明的有益效果主要表现在：减少体积、降低涡流、简化加工。

附图说明

图1是混合三相磁轴承的示意图。

图2是混合三相磁轴承的控制原理框图。

图3是磁路的示意图，其中(a)为轴向磁路分布图，(b)为左片定子铁心磁路分布图，(c)为右片定子铁心磁路分布图。

图4是混合三相磁轴承的控制图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种混合三相磁轴承，包括定子铁芯3和转子2，所述转子2位于定子铁芯3的内孔，所述混合三相磁轴承还包括隔磁铝环1，所述隔磁铝环1上等圆弧间隔布置三个永磁体5，所述隔磁铝环1的两侧分别布置定子铁芯3，所述定子铁芯3上等圆弧间隔布置3个绕线圈组成的电磁铁4，所述电磁铁4与所述永磁体5错位布置，两个定子铁芯3的外侧固定安装磁轴承端盖6。

进一步，所述定子铁芯3与磁轴承端盖6之间设有垫圈铝环7。

再进一步，所述磁轴承端盖6的内孔安装保护轴承8，所述转子2与所述保护轴承8的动圈连接，所述保护轴承8外侧安装保护轴承盖板9。

所述电磁铁4的线圈分别与三相交流逆变器连接。

所述永磁体5为钕铁硼永磁体。

磁环采用异极型结构，两片定子铁芯的磁路完全相反。

所述转子2上安装电涡流传感器，所述电涡流传感器与第一调理电路连接，所述第一调理电路与控制器连接，所述控制器与电平转换电路连接、电平转换电路与功率放大电路连接，所述功率放大电路与电流传感器连接，所述电流传感器通过第二调理电路与控制器连接，所述电源模块分别与电磁铁、电路传感器和功率放大电路连接。

所述功率放大电路与温度调理电路、错误信号电路连接，所述温度调理电路、错误信号电路分别与控制器连接。

本实施例的混合三相磁轴承，由3个永磁铁和6个电磁铁装配成，永磁铁装配在隔磁铝环中，隔磁铝环两边分别装配一个定子铁芯，在定子铁芯上绕线圈组成电磁铁。其中永磁铁用来为磁轴承提供偏置磁通，这样可以减小电磁部分的负载，从而减少所需线圈的匝数，达到减小磁轴承体积的目的；电磁铁则通过闭环控制电流的大小来达到对转子偏移的调节。径向轴承的定子和转子的电磁铁铁芯用导磁性能优良的硅钢片叠成，这样可以减少涡流。

采用的是异极型结构形式，具有容易加工，精度高，轴向尺寸小，轴承单位重量产生的悬浮力大等特点。永磁铁处于两边电磁铁中间的隔磁铝环上，有效减少了空间，减小轴承体积，便于安装和使用，采用的垫圈等都是铝材料，是的磁铁间互不影响。利用这种装配结构，突出了轴承的组装简便性。

由上下两片定子铁心组成，在工作时该磁悬浮轴承还可以对轴提供一定的轴向力。采用了三相交流逆变器进行控制，可以有效降低功放成本，减小功放体积，降低功率损耗。

永磁材料采用了3块钕铁硼，钕铁硼是一种高性能稀土永磁材料，从软件仿真结果来看，除小部分磁漏外，大部分磁场作用于定子磁极与转子之间，在磁极处的分布是比较均匀的。电磁铁也是3边均匀分布，经过仿真，产生的磁场也呈对称分布，分布比较均匀。当两个磁场叠加，一个气隙的磁感应强度是由偏磁磁通和控制磁通叠加而成，磁极处磁感线明显加强。另外两个电磁铁的气隙磁感应强度是由偏磁磁通和控制磁通相抵消而成，可以看出在下面两个磁极处磁感线几乎“消失”，而磁极以外部分和只作用电磁时没有什么变化。

磁环采用异极型结构。同一项的线圈绕线是连在一起绕制而成，只是上下的绕指方向相反。上下两片定子铁芯中磁路完全相反，但对转子的磁吸力却完全相同。在一极处永磁与电磁相叠加，在另外两极处相互削弱。混合磁轴承在相同电流加载(耗能)下，大大提高了磁轴承的承载能力；

3个线圈分别独立，在产生x或y方向时可根据控制磁场分别控制线圈电流大小来达到控制的目的。同时体现了磁轴承的控制灵活性，便于磁轴承达到动态控制的目的。

控制系统设计有16个按钮，可以对每一对PWM的脉宽进行调节，来控制各极对转子的磁场力，使转子静态悬浮。还能使磁悬浮控制系统把检测到的转子偏移信号根据相应的算法输出不同脉宽的PWM波，使转子悬浮。达到动态悬浮的效果。

气隙很小，在0.5mm左右，采用了电涡流位移传感器作为无接触测量的传感器，具有结构简单、适用性强、不受油污等介质的影响等优点。具有较高的灵敏度、信噪比和线性度；很高的温度稳定性、抗干扰能力；较好的动态响应等特点。

参照图2，本实施例的混合三相磁轴承，在不受力的情况下，转子处于悬浮状态，当转子受到外力作用的时候会偏离轴心位置，偏离轴心的转子通过电涡流位移传感器产生一个信号，将该信号传送给控制器，作为控制器进行控制和调节的参考信号。功放根据控制输出的控制信号来调整对电磁铁的控制，从而使电磁铁产生期望的电磁力；同时功放芯片会输出温度信号，传给控制器，使得系统能够对芯片的温度进行实时监控；功放的短路保护及对电压、短路进行错误报警。从而完成对磁轴承的控制。

图3为该混合三相磁轴承的磁路设计图，在该磁路图中看似采用了片六极式，其实不然，同一项的线圈绕线是连在一起绕制而成，只是上下的绕指方向相反，这样其实还是对三个线圈的控制。永磁体由隔磁铝环固定，被夹在两片定子铁芯之间，其磁路为N极出发，经定子铁芯、工作气隙、转子、工作气隙、另一片定子铁芯回到S极。电磁磁路则在一片定子铁芯内形成闭合回路，一极发出后经过工作气隙、转子、工作气隙、其他两极、同一片定子铁芯回到出发磁极。上下两片定子铁芯中磁路完全相反，但对转子的磁吸力却完全相同。在一极处永磁与电磁相叠加，在另外两极处相互削弱。这样设计的磁路与同级型磁路想比较其优点是在通有相同的电流的情况下磁力轴承所能承受的最大负载大。

本实施例的控制过程采用是PID的控制算法。PID算法是目前工业应用最为广泛的控制算法，其具有以下几个主要优点：(1)PID控制算法简单、易于实现；(2)PID算法具有很强的鲁棒性；(3)参数整定简单；(4)容易编程实现。

本实施例的混合三相磁轴承实现位移传感的工作原理：当混合三相磁轴承的转子发生偏移时，也就时被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q值也发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压(电流)变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压(电流)信号，通过对该信号的处理达到对磁轴承的控制。

Claims (3)

1.一种混合三相磁轴承，包括定子铁芯和转子，所述转子位于定子铁芯的内孔，其特征在于：所述混合三相磁轴承还包括隔磁铝环，所述隔磁铝环上等圆弧间隔布置三个永磁体，所述隔磁铝环的两侧分别布置定子铁芯，所述定子铁芯上等圆弧间隔布置3个绕线圈组成的电磁铁，所述电磁铁与所述永磁体错位布置，两个定子铁芯的外侧固定安装磁轴承端盖；所述定子铁芯与磁轴承端盖之间设有垫圈铝环；所述磁轴承端盖的内孔安装保护轴承，所述转子与所述保护轴承的动圈连接，所述保护轴承外侧安装保护轴承盖板；所述电磁铁的线圈分别与三相交流逆变器连接；所述永磁体为钕铁硼永磁体；磁环采用异极型结构，两片定子铁芯的磁路完全相反。

2.如权利要求1所述的混合三相磁轴承，其特征在于：所述转子上安装电涡流传感器，所述电涡流传感器与第一调理电路连接，所述第一调理电路与控制器连接，所述控制器与电平转换电路连接、电平转换电路与功率放大电路连接，所述功率放大电路与电流传感器连接，所述电流传感器通过第二调理电路与控制器连接，电源模块分别与电磁铁、电路传感器和功率放大电路连接。

3.如权利要求2述的混合三相磁轴承，其特征在于：所述功率放大电路与温度调理电路、错误信号电路连接，所述温度调理电路、错误信号电路分别与控制器连接。