CN105673688B - 一种自调整型五自由度磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自调整型五自由度磁轴承，包括外定子铁心、内定子铁心、圆柱形转子；所述圆柱形转子由内圈向外圈依次套有圆柱形的内定子铁心和外定子铁心，内定子铁心采用齿槽结构，内定子铁心内部沿着圆周均布有四对内定子齿，内定子铁心在水平方向相对的设置有两对内定子齿；内定子铁心在竖直方向上也相对的设置有两对内定子齿，组成八个内定子齿，在这八个内定子齿部分别绕置径向悬浮绕组；本发明解决了现有磁力轴承在支承较重转子和负载过大时，转子扭转过大，对转子悬浮的影响，同时简化了五自由度磁轴承支承结构，同时也节省了五自由度磁轴承控制元件，具有悬浮性能可靠，利于控制的优点。

Description

一种自调整型五自由度磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非接触型磁悬浮轴承，特别涉及径向扭转四自由度主动悬浮控制，轴向一自由度平动主动悬浮的混合磁轴承，可作为磁悬浮电机、风力发电等机械设备中旋转部分的无接触支承。

背景技术

由于实现了无机械接触和电子控制，磁轴承具有无摩擦损耗、无需润滑及密封、耐环境性强、发热少、功耗低、圆周速度高等优点，使得磁轴承在高速、高精度及高清洁等领域具有很高的应用价值。磁轴承分为主动磁轴承、被动磁轴承和混合磁轴承，对于被动磁轴承，其结构简单，无需系统控制，但磁悬力不可控制，主动磁轴承具有控制精度高、承载力大等特性，但需加传感器、控制器和功放等设备，混合磁轴承结合了两者优点，实现了磁轴承总体性能的优化。

目前国内外研究的磁轴承主要采用轴向单自由度和径向四自由度的结构来实现磁轴承的五自由度悬浮，这种磁轴承被广泛应用于精密机械加工、航空航天等行业。对于径向是四自由度磁轴承，常常采用两个二自由度磁轴承并行控制，一个二自由度磁轴承需要至少四套控制器和功率放大器等，那么要实现径向四自由度的悬浮，至少需要八套控制器和功率放大器，因此该种磁轴承结构略显复杂，功耗较高。另外，由于两个二自由度径向悬浮绕组并排放置的话，会增加转子的轴向长度，因此，使得系统体积增大，转子的扰动增加，给系统的稳定性和控制性带来的一定的难度。同时，为了保证轴向方向的悬浮，现阶段磁轴承中大都采用带转子推力盘结构，由于轴向转子推力盘卡在磁轴承定子中间，所以轴向安装或是拆卸推力盘都比较麻烦。

因此，研究人员对五自由度磁轴承进行改进和优化。国内外现有相关专利申请情况检索有：(1)一种由轴向混合磁轴承实现转子五自由度悬浮结构(专利公开号：CN104533945 A)；(2)一种单轴控制式五自由度微型磁轴承(专利公开号：CN102297202 A)；(3)一种永磁偏置外转子四自由度主被动混合磁轴承(专利公开号：CN 104533948 A)；(4)磁悬浮电机轴承结构(专利公开号：CN 101158376 A)等。

上述专利(1)中提出由轴向混合磁轴承实现转子五自由度悬浮，该方案中转子轴向两端的电磁永磁混合磁轴承对称分布，轴向采用了主动悬浮，径向采用了被动悬浮，虽然将磁悬浮系统主动控制自由度降低到最低，省去了多余的主动自由度控制所需的部件，但是径向自由度悬浮依靠转子的自协调能力，精度略显不足，转子径向位置准确度不高。专利(2)提出了一种单轴控制式五自由度磁轴承，轴向采用的是主动磁悬浮控制，径向方向上采用的被动悬浮，利用转子的外径向对于转子的轴向长度较短的结构特点和磁阻力总是有使磁路磁阻最小的性质，通过被动悬浮，将转子拉回径向平衡位置，径向四自由度控制准确度不可控。专利(3)提出了一种体积小、集成度高、被动自由度阻尼作用大的永磁偏置外转子四自由度混合磁轴承，该混合磁轴承能够根据需要改变主动控制的自由度个数，但控制设备较多，功耗较大。专利(4)利用磁阻最小原理，通过E型磁芯与环形结合部相对应的方式，省去了止推轴承的设置，但是将转子和定子都做成E型，工艺较复杂。

发明内容

本发明的目的：解决现有磁力轴承负载过重时，转子径向扭转较大，使得转子径向悬浮力自由度控制不足，功耗较高等问题，提出了一种自调整型磁轴承.

本发明的技术方案为：

一种自调整型五自由度磁轴承，包括外定子铁心、内定子铁心、圆柱形转子；所述圆柱形转子由内圈向外圈依次套有圆柱形的内定子铁心和外定子铁心，内定子铁心采用齿槽结构，内定子铁心内部沿着圆周均布有四对内定子齿，内定子铁心在水平方向相对的设置有两对内定子齿；内定子铁心在竖直方向上也相对的设置有两对内定子齿，组成八个内定子齿，在这八个内定子齿部分别绕置径向悬浮绕组，且轴向对称排列的两个齿部上的径向悬浮绕组两两相串联，共形成四套径向悬浮控制绕组，这四套径向悬浮控制绕组共同控制磁轴承在径向上四个自由度的悬浮；所述外定子铁心、内定子铁心之间在径向方向上设有环形永磁体，永磁体沿着径向充磁；所述外定子铁心和内定子铁心之间在轴向方向上设有轴向悬浮绕组，实现磁轴承轴向一个自由度方向上的悬浮。

进一步，所述永磁体提供轴向和径向的偏置磁通，永磁体材料选用稀土材料钕铁硼。

进一步，以转子为中心径向对称的两套径向悬浮绕组也能够相互串联，共用一套控制设备。

进一步，在轴向方向上，所述外定子铁心靠近转子处为外定子伸出部，所述转子除转子轴端外均被内定子铁心、外定子伸出部所包围，且外定子伸出部和转子之间、内定子铁心和转子之间以一定的气隙相隔。

本发明的具有以下技术效果：

1)所述永磁体为径向充磁圆环，其中环形永磁体为磁轴承提供偏置磁通，偏置磁通为实现磁轴承的五自由度的悬浮提供必要条件。2)为了简化磁轴承在轴向方向安装或者拆卸的难度，去掉转子轴上的止推盘，采用了圆柱形转子。3)所述外定子铁心靠近转子处为外定子伸出部，外定子伸出部和转子之间、内定子铁心和转子之间以一定的气隙相隔，气隙间隔相同，有利于转子在轴向、径向方向实现平衡位置的控制，悬浮性能可靠。4)本发明所采用的转子五自由度的悬浮，简化了五自由度磁悬浮结构，节省了磁悬浮支承结构的体积，低功耗，控制结构简单，使得转子在径向方向悬浮更加稳定。为了简化磁轴承转子轴向结构，省去了传统的止推轴承，采用圆柱形转子，又进一步减轻了转轴的重量。

附图说明

图1为本发明的自调整型五自由度磁轴承的轴向剖视图；

图2为本发明的自调整型五自由度磁轴承的内定子三维立体图；

图3为本发明的自调整型五自由度磁轴承径向悬浮恢复力矩的结构原理图。

图中：1、外定子铁心；2、永磁体；3、内定子铁心；4、轴向悬浮绕组；5、径向悬浮绕组；6、转子；7、轴向悬浮控制磁通；8、永磁体偏置磁通；9、径向悬浮控制磁通；10、外定子伸出部。

具体实施方式

本发明现构建一种自调整型五自由度混合磁轴承，根据等效磁路法构建其数学模型。再由此数学模型结合预先给定的设计参数指标对磁轴承的结构参数与电气参数进行公式化推算，依据此公式设计出性能优良且满足实际应用要求的磁轴承。

依据此结构参数使用有限元分析软件Ansoft对磁轴承结构参数进一步优化设计，并验证结构设计原理及磁通分布的正确性。最后，依据数学模型和各实际参数，设计控制器电路。

一种自调整型五自由度磁轴承，包括外定子铁心1、内定子铁心3、圆柱形转子6；所述圆柱形转子6由内圈向外圈依次套有圆柱形的内定子铁心3和外定子铁心1，内定子铁心3采用齿槽结构，内定子铁心3内部沿着圆周均布有四对内定子齿，内定子铁心3在水平方向相对的设置有两对内定子齿；内定子铁心3在竖直方向上也相对的设置有两对内定子齿，共组成八个内定子齿，在这八个内定子齿部分别绕置径向悬浮绕组5，且轴向对称排列的两个齿部上的径向悬浮绕组5两两相串联，共形成四套径向悬浮控制绕组，这四套径向悬浮控制绕组共同控制磁轴承在径向上四个自由度的悬浮；

所述外定子铁心1、内定子铁心3之间在径向方向上设有环形永磁体2，永磁体2沿着径向充磁；所述外定子铁心1和内定子铁心3之间在轴向方向上设有轴向悬浮绕组4，轴向悬浮绕组4非接触的围绕转子6的轴向圆周布置，实现磁轴承轴向一个自由度方向上的悬浮。

所述永磁体2提供轴向和径向的偏置磁通，永磁体材料选用稀土材料钕铁硼。

在轴向方向上，所述外定子铁心1靠近转子6处为外定子伸出部10，所述转子6除转子轴端外均被内定子铁心3、外定子伸出部10所包围，且外定子伸出部10和转子6之间、内定子铁心3和转子6之间以一定的气隙相隔。

下面结合附图具体介绍本发明的实施方式。

如图1-2所示，控制径向方向四个自由度的径向悬浮绕组5置于内定子铁心3的8个内定子齿上，且轴向对称排列的两个齿部上的径向悬浮绕组5两两相串联，通电后形成磁通大小为Φ_rs的径向悬浮控制磁通9，径向悬浮控制磁通9经过内定子铁心3、径向气隙、转子6形成回路。

如图2所示，内定子铁心1采用齿槽结构，齿槽沿着轴向对称分布，且在水平和垂直方向各有两对定子齿，每一对定子齿并排放置，共八个定子齿(也可以看成内定子铁心3内部沿着圆周均布有4对内定子齿，每四个定子齿位于同一径向平面)。在这个8个内定子齿部分别绕置径向悬浮绕组5，且轴向对称排列的两个齿部上的径向悬浮绕组5两两相串联，即共形成四套径向悬浮控制线圈，这四套径向悬浮控制绕组控制磁轴承在径向上四个自由度的悬浮，为了简化控制电路，也可以将圆柱形转子6为中心径向对称的两套径向悬浮绕组5相互串联，共用一套控制设备。

永磁体材料选用高性能稀土材料钕铁硼(NdFeB)，且永磁体2在径向方向上位于外定子铁心1、内定子铁心3之间，为一个永磁体环。永磁体2为径向悬浮和轴向悬浮提供大小为Φ_PM的永磁体偏置磁通8，轴向悬浮绕组4沿转子6圆周径向方向绕线，轴向悬浮绕组8通电后形成磁通大小为Φ_as的轴向悬浮控制磁通7。

自调整型磁轴承轴向悬浮原理如图1所示，当转子6在轴向单自由度方向受到干扰离开平衡位置时，通过传感器反馈磁轴承位置的情况，若检测到转子6向右偏移，导致转子6轴向左边气隙宽度大于右边气隙宽度，使得转子轴向左边气隙磁密小于右边气隙磁密，为了使得转子6在轴向方向回到平衡位置，在轴向悬浮绕组4中通入电流，产生如图1所示的大小为Φ_as的磁通回路7，增大圆柱形转子6左边轴向磁密，减小右边磁密，使得转子在轴向单自由度方向上回到平衡位置。

磁轴承径向悬浮原理如图3所示，当转子轴6径向两个自由度受到干扰而偏离平衡位置时，若传感器检测到转子6向径向左下扭转，使得转子6径向上部气隙长度左边大，右边小，与之相对应的转子径向下部气隙长度左边小，右边大。为了使得转子6回到中心平衡位置，在转子6径向上部悬浮绕组内通入如图3所示的电流为i_rs1 ⁺的电流，在转子6径向下方悬浮绕组内通入如图3所示的电流为i_rs2 ⁺的电流，其中两套绕组中通入电流大小相等，使得转子径向方向左上部气隙磁密增大，右上部气隙磁密减小，左下部气隙磁密减小，右下部气隙磁密增大，产生如图3所示的磁拉力F_rs1、F_rs2，将转子6拉回平衡位置。径向另外两个自由度工作原理与上述相类似。

综上，本发明为一种新型自调整型五自由度混合磁轴承，适用于中高速旋转电机的五自由度悬浮的支承。该磁轴承由外定子铁心1、永磁体2、内定子铁心3、轴向悬浮绕组4、径向悬浮绕组5、转子6组成。内定子铁心3采用齿槽结构，沿着转子轴向方向，分为两部分，每一部分各包含四个定子齿，左右轴对称两部分各自的四个定子齿沿切向均匀分布，同时分属于左右两部分的四个定子齿分布于同一径向平面。在这个8个内定子齿部分别绕置径向悬浮绕组，且轴向对称排列的两个齿部上的径向悬浮绕组两两相串联，即共形成四套径向悬浮控制线圈，这四套径向悬浮控制绕组相互配合共同控制磁轴承在径向上四个自由度方向的悬浮。同时采用圆柱形转子代替常规的带止推盘的转子，简化了磁轴承在轴向方向组装和拆卸的困难。永磁体采用永磁体环，同时为径向悬浮和轴向悬浮提供偏置磁通。本发明解决了现有磁力轴承在支承较重转子和负载过大时，转子扭转过大，对转子悬浮的影响，同时简化了五自由度磁轴承支承结构，同时也节省了五自由度磁轴承控制元件，具有悬浮性能可靠，利于控制的优点。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种自调整型五自由度磁轴承，其特征在于，包括外定子铁心(1)、内定子铁心(3)、圆柱形转子(6)；

所述圆柱形转子(6)由内圈向外圈依次套有圆柱形的内定子铁心(3)和外定子铁心(1)，内定子铁心(3)采用齿槽结构，内定子铁心(3)内部沿着圆周均布有四对内定子齿，内定子铁心(3)在水平方向相对的设置有两对内定子齿；内定子铁心(3)在竖直方向上也相对的设置有两对内定子齿，组成八个内定子齿，在这八个内定子齿部分别绕置径向悬浮绕组(5)，且轴向对称排列的两个齿部上的径向悬浮绕组(5)两两相串联，共形成四套径向悬浮控制绕组，这四套径向悬浮控制绕组共同控制磁轴承在径向上四个自由度的悬浮；

所述外定子铁心(1)、内定子铁心(3)之间在径向方向上设有环形永磁体(2)，永磁体(2)沿着径向充磁；所述外定子铁心(1)和内定子铁心(3)之间在轴向方向上分别设有轴向悬浮绕组(4)，实现磁轴承轴向一个自由度方向上的悬浮。

2.根据权利要求1所述的一种自调整型五自由度磁轴承，其特征在于，所述永磁体(2)提供轴向和径向的偏置磁通，永磁体材料选用稀土材料钕铁硼。

3.根据权利要求1所述的一种自调整型五自由度磁轴承，其特征在于，以转子(6)为中心径向对称的两套径向悬浮绕组(5)也能够相互串联，共用一套控制设备。

4.根据权利要求1所述的一种自调整型五自由度磁轴承，其特征在于，在轴向方向上，所述外定子铁心(1)靠近转子(6)处为外定子伸出部(10)，所述转子(6)除转子轴端外均被内定子铁心(3)、外定子伸出部(10)所包围，且外定子伸出部(10)和转子(6)之间、内定子铁心(3)和转子(6)之间以一定的气隙相隔。