CN106949142A - 一种外转子径向六极的径向‑轴向混合磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种外转子径向六极的径向‑轴向混合磁轴承，转子内同轴心地套有一个径向定子，径向定子轭的外圆表面沿圆周方向上均匀分布六个径向磁极，每个径向磁极上绕有一个径向控制线圈，径向定子轭两端旁侧各设置一个轴向控制线圈，轴向定子由中间的轴向定子筒和两端的轴向定子圆盘以及轴向磁极组成，轴向定子筒两端各固定连接一个轴向定子圆盘，两个轴向定子圆盘的外缘部位均向对面延伸一个圆环形的轴向磁极，两个轴向磁极延伸至转子的两端面的旁侧且与转子之间留有径向气隙，永磁体固定嵌套在所述轴向定子筒的外圆环表面和所述径向定子的内圆环表面之间；本发明能提高了磁轴承的承载力，减小径向两个自由度间的耦合。

Description

一种外转子径向六极的径向-轴向混合磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非接触式磁悬浮轴承（简称磁轴承），特别是一种可以同时控制径向两自由度和轴向自由度的外转子三自由度混合磁轴承，适用于航空航天、核能、风力发电、飞轮储能以及其他工业领域中的各类外转子旋转机械的支承，属于高速及超高速电气传动领域。

背景技术

磁轴承利用电磁力将转子悬浮于空中，使转子与定子间没有接触，具有无摩擦、无磨损、无需润滑油、可支承转速高、转子位移可动态调节、回转精度高、寿命长等优点。磁轴承按照能控制的自由度数可以分为单自由度磁轴承（轴向磁轴承）、二自由度磁轴承（径向磁轴承）和三自由度磁轴承（径向-轴向磁轴承）。按照悬浮力产生的方式可以分为主动磁轴承（悬浮力由线圈电流产生）、被动磁轴承（悬浮力由永磁体产生）和混合磁轴承（悬浮力由永磁体和线圈电流共同产生）。其中混合磁轴承利用永磁体提供偏置磁通，可以减少线圈匝数、减小功率损耗、减小磁轴承体积及重量。通常径向磁轴承都采用四极或八极结构，并且由两个双极性开关功放驱动，为了减少开关管数量，降低开关功耗和驱动电路成本，采用径向三极结构并由一个三相逆变器驱动。中国专利申请号为200510040066.4的文献中公开的“三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承及其控制方法”中，将径向和轴向磁轴承结合成一个整体，采用一个永磁体同时提供径向和轴向的偏置磁通，并且轴向控制磁路和径向控制磁路之间没有耦合，径向采用三极结构，由一个三相功率逆变器驱动。但三极结构由于其空间不对称性和三相逆变器三相电流和为零的条件，使径向悬浮力在磁极方向和磁极反方向的最大悬浮力不等，在设计磁轴承时必须使悬浮力最小方向满足承载力要求，这必然导致磁轴承体积的增大。另外，三极不对称结构增加了磁轴承悬浮力与电流、位移之间的非线性，也增强了径向两个自由度之间的耦合性。

发明内容

本发明为了解决现有三极结构的径向-轴向混合磁轴承存在的问题，提出一种外转子径向六极的径向-轴向混合磁轴承，以减小磁轴承体积，提高空间利用率，减少磁轴承的非线性和降低径向两个自由度间的耦合。

本发明采用的技术方案为：转子内同轴心地套有一个径向定子，径向定子与转子之间留有径向气隙，径向定子由径向磁极和圆环形的径向定子轭构成，径向定子轭的外圆表面沿圆周方向上均匀分布六个径向磁极，每个径向磁极上绕有一个径向控制线圈，相互面对面的两个径向控制线圈串联且缠绕方向一致；径向定子轭两端旁侧各设置一个轴向控制线圈，两个轴向控制线圈相串联且缠绕方向相同；轴向定子由中间的轴向定子筒和两端的轴向定子圆盘以及轴向磁极组成，轴向定子筒两端各固定连接一个轴向定子圆盘，两个轴向定子圆盘的外缘部位均向对面延伸一个圆环形的轴向磁极，两个轴向磁极延伸至转子的对应的两端面的旁侧且与转子之间留有径向气隙，永磁体固定嵌套在所述轴向定子筒的外圆环表面和所述径向定子的内圆环表面之间。

与现有技术比，本发明的优点在于：本发明径向定子采用六极结构，形成三相绕组，采用三相全桥驱动，减少了开关管数量，减小功率损耗和驱动器成本。径向六极结构使磁轴承的悬浮力-位移和悬浮力-电流特性趋于线性，并且提高了磁轴承的承载力，减小径向两个自由度间的耦合，使磁轴承的控制更简单、精确。本发明由永磁体与线圈共同产生悬浮力，能减小系统功耗。

附图说明

图1是本发明外转子径向六极的径向-轴向混合磁轴承的径向结构示意图；

图2是图1中A-A剖视图；

图3是图1中轴向定子和轴向控制线圈的安装结构示意图；

图4是本发明的轴向磁路示意图；

图5是本发明的径向磁路示意图；

图中：1. 转子；2. 轴向定子；3. 径向定子；4. 径向控制线圈；5. 轴向控制线圈；6.永磁体；21. 轴向定子筒；31. 径向定子轭；32.径向磁极；51、52. 轴向控制线圈；71、72.轴向气隙；81. 径向气隙；91. 偏置磁通；92. 轴向控制磁通；93. 径向控制磁通；221、222.轴向定子圆盘；231、232. 轴向磁极。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明具有一个转子1，转子1呈圆环形，转子1内同轴心地套有一个径向定子3。径向定子3与转子1之间留有径向气隙81。

径向定子3由径向定子轭31和径向磁极32结合为一体构成，径向定子轭31呈圆环形，在径向定子轭31的外圆表面沿圆周方向上均匀分布六个径向磁极32，每个径向磁极32上缠绕一个径向控制线圈4，共有6个径向控制线圈4，其中，在径向上相互面对面的两个径向磁极32上的两个径向控制线圈4相串联，且缠绕方向一致。6个径向控制线圈4构成三相线圈，采用星型连接，并采用三相全桥电路驱动。

径向定子3内同轴心地套有一个呈圆环形的永磁体6，永磁体6采用稀土汝铁硼永磁材料，用于产生偏置磁通。永磁体6内同轴心地套有一个轴向定子2。永磁体6固定嵌套在径向定子3和轴向定子2之间，与径向定子3和轴向定子2之间不留气隙。永磁体6沿径向充磁，永磁体6的在径向上的内端是S极，在径向上的外端是N极。

在径向定子3的径向定子轭31的两端旁侧各设置一个轴向控制线圈5，轴向控制线圈5呈圆环形，和轴向定子2固定在一起。两个轴向控制线圈5与径向定子3隔开一定距离，两者不接触。

转子1的轴向长度大于径向定子3的轴向长度，径向定子3的轴向长度大于永磁体6的轴向长度。

转子1和径向定子3由硅钢片叠压而成，径向控制线圈4和轴向控制线圈5采用标称直径为0.67mm的带绝缘漆铜线，轴向定子2采用铁硅合金材料。

如图2和图3所示，轴向定子2由中间的轴向定子筒21和两端的轴向定子圆盘以及轴向磁极组成，轴向定子筒21是圆筒形，在轴向定子筒21的两端各固定连接一个轴向定子圆盘，分别是轴向定子圆盘221、222。轴向定子圆盘221、222的中心轴与轴向定子筒21共线。两个轴向定子圆盘221、222的结构相同，且相互面对面地对称布置。两个轴向定子圆盘221、222的外缘部位均向对面延伸一个圆环形的轴向磁极，分别是轴向磁极231和轴向磁极232，轴向磁极231、232的外径与定子圆盘221、222的外径相同，两个轴向磁极231、232与转子1对应的两端面对面，两个轴向磁极231、232一直延伸至转子1的对应的两端面的旁侧，与转子1对应两端面之间均留有径向气隙，分别是一端的径向气隙71和另一端的径向气隙72。转子1的外径大于两个轴向磁极231、232的外径，转子1的内径小于两个轴向磁极231、232的内径。

永磁体6固定嵌套在轴向定子筒21的外圆环表面和径向定子3的内圆环表面之间。两个轴向控制线圈5分别是一端的轴向控制线圈51和另一端的轴向控制线圈52。两个轴向控制线圈5沿轴向定子筒21的外圆环表面缠绕，并且分别位于两个轴向定子圆盘221、222的内侧。两个轴向控制线圈5相串联且缠绕方向相同。径向定子3的轴向两端面与对应的两个轴向定子圆盘221、222之间留有足够的轴向空间距离，用于安装两个轴向控制线圈5，使轴向控制线圈5与径向定子3不接触。

如图4所示，本发明工作时，永磁体6产生的偏置磁通91从永磁体6的外圆环面流出进入径向定子轭31，从径向定子轭31进入径向磁极32后经过径向气隙81再进入转子1，然后经过轴向气隙71、72流入轴向磁极231、232和轴向定子圆盘221、222，最后从轴向定子圆盘221、222流入轴向定子筒21后回到永磁体6的内圆环面，从而形成闭合的偏置磁通91。当两端的轴向控制线圈51、52通入正电流时，产生的轴向控制磁通92从一端的轴向定子圆盘221经过轴向气隙71流入转子1，再经过另一端的轴向气隙72流入另一端的轴向定子圆盘222进入轴向定子筒21，再从轴向定子筒21回到一端的轴向定子圆盘221。由于偏置磁通91在一端的轴向气隙71中方向和轴向控制磁通92在一端的轴向气隙71中方向相反，因此，偏置磁通91和轴向控制磁通92在一端的轴向气隙71中抵消；而偏置磁通91和轴向控制磁通92在另一端的轴向气隙72中增强，从而产生向另一端的轴向悬浮力。当两个轴向控制线圈51、52通入电流为负值时，一端的轴向气隙71中偏置磁通91与轴向控制磁通92叠加，另一端的轴向气隙72中偏置磁通92与轴向控制磁通92抵消，从而产生向一端的轴向悬浮力。因此，通过控制两个轴向控制线圈51、52中电流的大小和正负就能控制轴向悬浮力的大小和方向。

如图5所示，永磁体6产生的偏置磁通91从径向定子轭31进入径向磁极32，经过径向气隙81进入转子1。当面对面的两个径向磁极32上的径向控制线圈4通入正电流时，面对面的径向气隙81中产生的径向控制磁通93方向一个与偏置磁通91的方向相同，另一个相反，从而产生径向悬浮力，因此，通过控制六个径向控制线圈4中的电流就可以产生各个方向大小不同的径向悬浮力。

Claims (6)

1.一种外转子径向六极的径向-轴向混合磁轴承，转子（1）内同轴心地套有一个径向定子（3），径向定子（3）与转子（1）之间留有径向气隙，径向定子（3）由径向磁极（32）和圆环形的径向定子轭（31）构成，其特征是：径向定子轭（31）的外圆表面沿圆周方向上均匀分布六个径向磁极（32），每个径向磁极（32）上绕有一个径向控制线圈（4），相互面对面的两个径向控制线圈（4）串联且缠绕方向一致；径向定子轭（31）两端旁侧各设置一个轴向控制线圈（5），两个轴向控制线圈（5）相串联且缠绕方向相同；轴向定子（2）由中间的轴向定子筒（21）和两端的轴向定子圆盘以及轴向磁极组成，轴向定子筒（21）两端各固定连接一个轴向定子圆盘，两个轴向定子圆盘的外缘部位均向对面延伸一个圆环形的轴向磁极，两个轴向磁极延伸至转子（1）对应的两端面的旁侧且与转子（1）之间留有径向气隙，永磁体（6）固定嵌套在轴向定子筒（21）的外圆环表面和径向定子（3）的内圆环表面之间。

2.根据权利要求1所述一种外转子径向六极的径向-轴向混合磁轴承，其特征是：永磁体（6）沿径向充磁，永磁体（6）在径向上的内端是S极、外端是N极。

3.根据权利要求1所述一种外转子径向六极的径向-轴向混合磁轴承，其特征是：转子（1）的轴向长度大于径向定子（3）的轴向长度，径向定子（3）的轴向长度大于永磁体（6）的轴向长度。

4.根据权利要求1所述一种外转子径向六极的径向-轴向混合磁轴承，其特征是：6个径向控制线圈（4）构成三相线圈，采用星型连接和三相全桥电路驱动。

5.根据权利要求1所述一种外转子径向六极的径向-轴向混合磁轴承，其特征是：轴向控制线圈（5）呈圆环形，沿轴向定子筒（21）的外圆环表面缠绕。

6.根据权利要求1所述一种外转子径向六极的径向-轴向混合磁轴承，其特征是：两个轴向磁极的外径与定子圆盘的外径相同；转子（1）的外径大于两个轴向磁极的外径、内径小于两个轴向磁极的内径。