CN107165936B - 一种三自由度混合锥形径向磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种三自由度混合锥形径向磁轴承，属于磁悬浮轴承领域。其由一个径向磁轴承和一个锥形磁轴承构成，二者间放置一个轴向充磁的环形永磁体或环形偏置绕组，以提供偏置磁通；径向磁轴承定子为凸极结构，齿数为4，且每个定子齿上均绕有一个线圈，两两连接构成两个径向悬浮绕组，转子为圆柱结构；锥形磁轴承包括两个锥形定子和两个锥形转子，均为锥形圆柱结构，且两锥形定子间嵌有一个轴向悬浮绕组；径向定子、两锥形定子与永磁体经导磁环连接，径向转子和两个锥形转子套在转子导磁环上，再套在转轴上。本发明磁轴承径向和锥形磁轴承的控制磁路隔离，轴向力与径向力解耦，控制简单，结构紧凑，可作为电磁轴承或永磁偏置式磁轴承适用，通用性好。

Description

一种三自由度混合锥形径向磁轴承

技术领域

本发明涉及一种三自由度混合锥形径向磁轴承，属于磁悬浮轴承领域。

背景技术

永磁偏置式磁轴承采用永磁材料产生所需的偏置磁场，除了可有效减小磁轴承体积，提高功率密度外，还可显著减少控制绕组匝数，减小控制绕组的电感，以提升悬浮电流的斩波和跟踪效果，进而改善高速悬浮控制精度，并能较大程度地降低磁轴承的功率损耗。基于上述优点，永磁偏置式主动磁轴承已广泛应用到了航空航天、军事、飞轮储能等高速、超高速旋转机械的支撑系统中。

然而，具有三自由度悬浮功能的传统永磁偏置式混合磁轴承，需要较大的止推盘，使得其加工装配难度较大，同时也限制了其临界转速的进一步提高。另外，由于止推盘中同时存在轴向和径向两种磁路，导致轴向悬浮力和径向悬浮力间存在耦合，而这不利于高速运行时的悬浮控制，并将降低悬浮控制的精度。为此，发展悬浮力间解耦、较小止推盘的混合磁轴承是该领域中的研究热点之一。

发明内容

本发明目的是针对现有技术的不足，提出一种三自由度混合锥形径向磁轴承。所述磁轴承是一种悬浮力相互解耦、控制磁路相互隔离、控制变量少且控制简单的三自由度混合锥形径向磁轴承。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种三自由度混合锥形径向磁轴承，包含1个径向磁轴承和1个锥形磁轴承；

所述径向磁轴承，包括径向定子、径向转子、径向线圈和径向定子导磁环；所述径向定子布置在径向定子导磁环内，径向转子布置在径向定子内；所述径向定子导磁环为圆环结构，径向定子为凸极结构，齿数为4，齿与齿在空间上相差90°；所述径向转子为圆柱结构；在水平方向的两个径向线圈串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组；在竖直方向的两个径向线圈串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组；

所述锥形磁轴承，包括锥形定子Ⅰ、锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅰ、锥形转子Ⅱ、轴向悬浮绕组和锥形定子导磁环；所述锥形定子Ⅰ、锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ均为锥形圆柱结构，且锥形角相等，所述锥形定子导磁环为圆环结构；所述锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ布置在锥形定子导磁环内，且锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ轴向布置，二者之间存有间隙，所述间隙内嵌有1个轴向悬浮绕组；

所述锥形转子Ⅰ布置在锥形定子Ⅰ内，锥形转子Ⅱ布置在锥形定子Ⅱ内；锥形转子Ⅰ和锥形定子Ⅰ的锥形角方向相同，锥形转子Ⅱ和锥形定子Ⅱ的锥形角方向相同，锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ锥形角方向相反；

所述径向转子、锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ轴向布置，并套在转子导磁环上；所述转子导磁环为圆环结构，套在转轴上。

所述三自由度混合锥形径向磁轴承的偏置磁通产生方式有两种：分别为永磁励磁方式和电励磁方式；

采用永磁励磁方式时，偏置磁通由1个永磁体产生；所述永磁体为环形结构，置于所述径向定子导磁环和锥形定子导磁环之间，且紧密布置；

采用电励磁方式时，偏置磁通由1个偏置绕组产生；所述偏置绕组为环形结构，缠绕在环形导磁轭上；所述环形导磁轭为环形结构，置于所述径向定子导磁环和锥形定子导磁环之间，且紧密布置。

本发明的有益效果：本发明提出了一种三自由度混合锥形径向磁轴承，采用本发明的技术方案，能够达到如下技术效果：

(1)径向悬浮力与轴向悬浮力间相互解耦，控制变量少，控制简单；

(2)轴向磁通与径向磁路相互隔离，容错性能好；

(3)可作为电磁轴承或永磁偏置式磁轴承，实现三自由度悬浮，通用性好。

附图说明

图1是本发明三自由度混合锥形径向磁轴承实施例1的三维结构示意图。

图2是本发明实施例1的偏置磁通和控制磁通分布图。

图3是本发明实施例1的径向磁轴承的径向磁通分布图。

图4是本发明实施例1中锥形磁轴承的锥形定子Ⅰ和锥形转子Ⅰ内的径向磁通分布图。

图5是本发明实施例1中锥形磁轴承的锥形定子Ⅱ和锥形转子Ⅱ内的径向磁通分布图。

图6是本发明三自由度混合锥形径向磁轴承实施例2的三维结构示意图。

图7是本发明实施例2的偏置磁通和控制磁通分布图。

附图标记说明：图1至图5中，1是径向定子，2是径向转子，3是径向线圈，4是径向定子导磁环，5是永磁体，6是锥形定子Ⅰ，7是锥形定子Ⅱ，8是锥形转子Ⅰ，9是锥形转子Ⅱ，10是轴向悬浮绕组，11是锥形定子导磁环，12是转子导磁环，13是转轴，14是径向磁轴承，15是锥形磁轴承，16、17、18分别为x、y、z轴方向坐标轴的正方向，19是永磁体产生的偏置磁通。20是径向绕组产生的控制磁通，21是轴向悬浮绕组产生的控制磁通，22是径向磁轴承的气隙1，23是径向磁轴承的气隙2，24是径向磁轴承的气隙3，25是径向磁轴承的气隙4，26是锥形定子Ⅰ与锥形转子Ⅰ间的气隙，27是锥形定子Ⅱ与锥形转子Ⅱ间的气隙，28是偏置绕组，29是环形导磁轭，30是偏置绕组产生的偏置磁通。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明一种三自由度混合锥形径向磁轴承的技术方案进行详细说明：

如图1所示，是本发明一种三自由度混合锥形径向磁轴承实施例1的三维结构示意图，其中，1是径向定子，2是径向转子，3是径向线圈，4是径向定子导磁环，5是永磁体，6是锥形定子Ⅰ，7是锥形定子Ⅱ，8是锥形转子Ⅰ，9是锥形转子Ⅱ，10是轴向悬浮绕组，11是锥形定子导磁环，12是转子导磁环，13是转轴，14是径向磁轴承，15是锥形磁轴承。

一种三自由度混合锥形径向磁轴承，包括1个径向磁轴承、1个锥形磁轴承和1个永磁体，所述径向磁轴承、锥形磁轴承与永磁体轴向布置，并置于永磁体两侧；

所述径向磁轴承包括径向定子、径向转子、径向绕组和径向定子导磁环；所述径向定子布置在径向定子导磁环内，径向转子布置在径向定子内；所述径向定子导磁环为圆环结构，径向定子为凸极结构，齿数为4，空间上相差90°，所述径向转子为圆柱结构；在水平方向的两个径向线圈串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组；在竖直方向的两个径向线圈串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组；

所述锥形磁轴承包括锥形定子Ⅰ、锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅰ、锥形转子Ⅱ、轴向悬浮绕组和锥形定子导磁环；所述锥形定子Ⅰ、锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ均为锥形圆柱结构，且锥形角相等，所述锥形定子导磁环为圆环结构；所述锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ布置在锥形定子导磁环内，且锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ轴向布置，二者之间存有间隙，所述间隙内嵌有1个轴向悬浮绕组；

所述锥形转子Ⅰ布置在锥形定子Ⅰ内，锥形转子Ⅱ布置在锥形定子Ⅱ内；锥形转子Ⅰ和锥形定子Ⅰ的锥形角方向相同，锥形转子Ⅱ和锥形定子Ⅱ的锥形角方向相同，锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ锥形角方向相反；

所述径向定子导磁环和锥形定子导磁环轴向紧密布置于永磁体两侧；

所述径向转子、锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ轴向布置，并套在转子导磁环上；所述转子导磁环为圆环结构，套在转轴上。

环形轴向充磁的永磁体同时为径向磁轴承和锥形磁轴承提供偏置磁通，径向磁轴承产生两个径向方向的悬浮力，锥形磁轴承仅产生轴向悬浮力。控制x轴方向径向悬浮绕组的电流大小和方向，以控制x轴方向径向悬浮力；控制y轴方向径向悬浮绕组的电流大小和方向，以控制y轴方向径向悬浮力；控制z轴方向轴向悬浮绕组的电流大小和方向，以控制z轴方向轴向悬浮力；从而实现三自由度悬浮。

图2为本发明实施例1的偏置磁通和控制磁通分布图。永磁体产生的偏置磁通如实线(标号为19)所示，经径向定子导磁环、径向定子、径向转子、转子导磁环，两个锥形转子、两个锥形定子、锥形定子导磁环和永磁体闭合。径向磁轴承的控制磁通仅有径向分量(如点虚线所示，标号为20)，而无轴向分量；锥形磁轴承的控制磁通，经转子导磁环，两个锥形转子、两个锥形定子、锥形定子导磁环闭合，如图中虚线(标号为21)所示，在锥形定子Ⅰ和锥形转子Ⅰ间的气隙中，控制磁通与偏置磁通方向相同，而在锥形定子Ⅱ和锥形转子Ⅱ间的气隙中，控制磁通与偏置磁通方向相反，因而产生一个轴向悬浮力。

图3是本发明实施例1的径向磁轴承的径向磁通分布图。当x轴方向径向悬浮绕组施加电流时，将产生一个磁通(如点虚线所示)，在气隙1处，x轴方向径向悬浮绕组和永磁体产生磁通方向一样，磁通增加；而在气隙3处，方向相反，磁通减弱，进而产生一个x正方向的径向悬浮力。当x轴方向径向悬浮绕组施加电流反向时，产生一个x负方向的径向悬浮力。同理，控制y轴方向径向悬浮绕组的电流大小和方向，可以产生y轴方向的径向悬浮力。进而，合理控制两个径向悬浮绕组电流的大小和方向，即可产生大小和方向均可控的径向悬浮力，从而实现转轴的径向两自由度悬浮。

图4本发明实施例1中锥形磁轴承的锥形定子Ⅰ和锥形转子Ⅰ内的径向磁通分布图。轴向悬浮绕组产生的控制磁通如图中虚线(标号为21)所示，在锥形定子Ⅰ和锥形转子Ⅰ间的气隙中，控制磁通与偏置磁通方向相同，进而将产生一个较大的z轴正方向悬浮力。

图5本发明实施例1中锥形磁轴承的锥形定子Ⅱ和锥形转子Ⅱ内的径向磁通分布图。轴向悬浮绕组产生的控制磁通如图中虚线(标号为21)所示，在锥形定子Ⅱ和锥形转子Ⅱ间的气隙中，控制磁通与偏置磁通方向相反，因而将产生一个较小的z轴负方向悬浮力。

当施加如图4和图5所示的轴向悬浮绕组电流时，由于z轴正方向悬浮力大于z轴负方向悬浮力，将产生一个z轴正方向的合力。同理，当施加相反方向的轴向悬浮电流时，将产生一个z轴负方向的合力。从而合理控制轴向悬浮绕组电流的大小和方向，可以产生方向和大小均可控的轴向悬浮力，从而实现轴向悬浮。

如图6所示，本发明三自由度混合锥形径向磁轴承实施例2的三维结构示意图，其中，1是径向定子，2是径向转子，3是径向线圈，4是径向定子导磁环，6是锥形定子Ⅰ，7是锥形定子Ⅱ，8是锥形转子Ⅰ，9是锥形转子Ⅱ，10是轴向悬浮绕组，11是锥形定子导磁环，12是转子导磁环，13是转轴，14是径向磁轴承，15是锥形磁轴承，28是偏置绕组，29是环形导磁轭。

一种三自由度混合锥形径向磁轴承的实施例2，包括1个径向磁轴承、1个锥形磁轴承、1个偏置绕组和1个环形导磁轭，所述径向磁轴承、锥形磁轴承与环形导磁轭轴向布置，并置于环形导磁轭两侧；

所述径向磁轴承包括径向定子、径向转子、径向绕组和径向定子导磁环；所述径向定子布置在径向定子导磁环内，径向转子布置在径向定子内；所述径向定子导磁环为圆环结构，径向定子为凸极结构，齿数为4，空间上相差90°，所述径向转子为圆柱结构；在水平方向的两个径向线圈串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组；在竖直方向的两个径向线圈串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组；

所述锥形磁轴承包括锥形定子Ⅰ、锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅰ、锥形转子Ⅱ、轴向悬浮绕组和锥形定子导磁环；所述锥形定子Ⅰ、锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ均为锥形圆柱结构，且锥形角相等，所述锥形定子导磁环为圆环结构；所述锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ布置在锥形定子导磁环内，且锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ轴向布置，二者之间存有间隙，所述间隙内嵌有1个轴向悬浮绕组；

所述锥形转子Ⅰ布置在锥形定子Ⅰ内，锥形转子Ⅱ布置在锥形定子Ⅱ内；锥形转子Ⅰ和锥形定子Ⅰ的锥形角方向相同，锥形转子Ⅱ和锥形定子Ⅱ的锥形角方向相同，锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ锥形角方向相反；

所述径向定子导磁环和锥形定子导磁环轴向紧密布置于环形导磁轭两侧；

所述偏置绕组为环形结构，缠绕在所述环形导磁轭上；

所述径向转子、锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ轴向布置，并套在转子导磁环上；所述转子导磁环为圆环结构，套在转轴上。

图7为本发明实施例2中偏置磁通和控制磁通分布图。偏置绕组产生的偏置磁通如实线(标号为30)所示，经径向定子导磁环、径向定子、径向转子、转子导磁环，两个锥形转子、两个锥形定子、锥形定子导磁环和环形导磁轭闭合。径向磁轴承的控制磁通仅有径向分量(如点虚线所示，标号为20)，而无轴向分量；锥形磁轴承的控制磁通，经转子导磁环，两个锥形转子、两个锥形定子、锥形定子导磁环闭合，如图中虚线(标号为21)所示，在锥形定子Ⅰ和锥形转子Ⅰ间的气隙中，控制磁通与偏置磁通方向相同，而在锥形定子Ⅱ和锥形转子Ⅱ间的气隙中，控制磁通与偏置磁通方向相反，因而产生一个轴向悬浮力。

偏置绕组实施导通施加电流时，将产生一个偏置磁通。因此，当x轴方向径向悬浮绕组施加电流时，将产生一个磁通，在气隙1处，x轴方向径向悬浮绕组和偏置绕组产生的偏置磁通方向一样，磁通增加；而在气隙3处，方向相反，磁通减弱，进而产生一个x正方向的径向悬浮力。当x轴方向径向悬浮绕组施加电流反向时，产生一个x负方向的径向悬浮力。同理，控制y轴方向径向悬浮绕组的电流大小和方向，可以产生y轴方向的径向悬浮力。进而，合理控制两个径向悬浮绕组电流的大小和方向，即可产生大小和方向均可控的径向悬浮力，从而实现转轴的径向两自由度悬浮。

轴向悬浮绕组施加电流时，在两个锥形气隙内的磁通方向始终相反，其中一个磁通方向与偏置磁通相同，磁场增强，另一个磁通方向与偏置磁通相反，磁场减弱，进而产生一个指向磁通增强方向的轴向力；同理，当轴向悬浮绕组电流方向改变时，轴向力的方向也随之改变。为此，合理控制轴向悬浮绕组电流的大小和方向，即可产生一个所需的轴向力，进而实现轴向的悬浮运行。

综上所述，本发明可利用永磁体或偏置绕组产生悬浮所需的偏置磁通，再通过径向悬浮绕组控制径向悬浮力，轴向悬浮绕组控制轴向悬浮力，即可实现三自由度悬浮；另外，轴向悬浮力与径向悬浮力相互解耦，且磁路相互隔离，容错性能好，控制变量少，且控制简单。

对该技术领域的普通技术人员而言，根据以上实施类型可以很容易联想其他的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述具体实例，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员根据上述具体实例通过各种等同替换所得到的技术方案，均应包含在本发明的权利要求范围及其等同范围之内。

Claims (1)

1.一种三自由度混合锥形径向磁轴承，包含1个径向磁轴承和1个锥形磁轴承；所述径向磁轴承，包括径向定子、径向转子、径向线圈和径向定子导磁环；其特征在于，所述径向定子布置在径向定子导磁环内，径向转子布置在径向定子内；所述径向定子导磁环为圆环结构，径向定子为凸极结构，齿数为4，齿与齿在空间上相差90°；所述径向转子为圆柱结构；在水平方向的两个径向线圈串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组；在竖直方向的两个径向线圈串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组；

所述锥形磁轴承，包括锥形定子Ⅰ、锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅰ、锥形转子Ⅱ、轴向悬浮绕组和锥形定子导磁环；所述锥形定子Ⅰ、锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ均为锥形圆柱结构，且锥形角相等，所述锥形定子导磁环为圆环结构；所述锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ布置在锥形定子导磁环内，且锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ轴向布置，二者之间存有间隙，所述间隙内嵌有1个轴向悬浮绕组；

所述锥形转子Ⅰ布置在锥形定子Ⅰ内，锥形转子Ⅱ布置在锥形定子Ⅱ内；锥形转子Ⅰ和锥形定子Ⅰ的锥形角方向相同，锥形转子Ⅱ和锥形定子Ⅱ的锥形角方向相同，锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ锥形角方向相反；

所述径向转子、锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ轴向布置，并套在转子导磁环上；所述转子导磁环为圆环结构，套在转轴上；

所述三自由度混合锥形径向磁轴承的偏置磁通产生方式有两种：分别为永磁励磁方式和电励磁方式；

采用永磁励磁方式时，偏置磁通由1个永磁体产生；所述永磁体为环形结构，置于所述径向定子导磁环和锥形定子导磁环之间，且紧密布置；

采用电励磁方式时，偏置磁通由1个偏置绕组产生；所述偏置绕组为环形结构，缠绕在环形导磁轭上；所述环形导磁轭为环形结构，置于所述径向定子导磁环和锥形定子导磁环之间，且紧密布置。