CN108050156A - 一种六极混合磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种六极混合磁轴承，转子外同轴套有在轴向上对称布置的左定子铁心和右定子铁心，转子左端设有左受力盘、右端设有右受力盘，左定子铁心和右定子铁心的轭部之间叠压有圆环形的永磁体，永磁体轴向充磁，左定子铁心和右定子铁心沿圆周方向各自均布有六个定子磁极，左定子铁心的六个定子磁极与左受力盘在径向上正对，右定子铁心的六个定子磁极与右受力盘在径向上正对，左、右定子铁心中同一个定子铁心上的径向面对面的两个径向控制线圈相串联且缠绕方向相同，左、右定子铁心在轴向相面对的两个径向控制线圈相串联且方向相反；本发明的悬浮力和位移特性以及悬浮力和电流特性都趋于线性，减小了径向两个自由度间的耦合。

Description

一种六极混合磁轴承

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，是一种可以控制径向两自由度和轴向自由度的混合磁轴承，适用于航空航天、核能、风力发电、生物医学、飞轮储能、高速电主轴以及其他工业领域中的各类旋转机械的支承，属于机械和电气传动领域。

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机械接触。磁轴承按照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)。按照磁场的产生的方式可以分为主动磁轴承(磁场全部由线圈电流产生)、被动磁轴承(磁场全部由永磁体产生)和混合磁轴承(磁场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。目前大部分磁轴承都采用四极或八极结构，由2路双极性开关功放或者4路单极性开关功放驱动，驱动电路体积大，控制复杂，成本较高。

中国专利申请号为CN200820215847.1的文献中公开了一种径向二自由度外转子混合磁轴承结构，其径向定子为对称布置的八磁极结构，采用双片八极结构来控制径向2个自由度，因此需要4路单极性(或双极性)直流功率放大电路驱动控制，这种八极式结构的径向两个自由度耦合度低，承载力大，重量和体积较大，成本太高，限制了其发展和推广。中国专利申请号为CN200510040066.4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”，采用三相逆变器驱动的三极磁轴承，大大减小了功率放大器体积和磁轴承的成本，但是这种磁轴承存在的问题是：三极结构在空间上的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，降低磁轴承的性能；此外，该轴承的轴向自由度由一个直流功率放大器控制，增加了磁轴承体积和成本。中国专利申请号为CN201610971589.9的文献中公开了一种二自由度永磁偏置径向混合磁轴承，采用径向十二级结构，在其两两不相邻的6个定子磁极中镶嵌有永磁体，剩下的6个磁极缠绕控制线圈并构成三相星型结构，该轴承结构紧凑，承载力大，径向两个自由度耦合度低，但是存在的问题是：径向磁极数目过多，预留给控制线圈安放的空间小且不利于散热；此外，由于存在6个非可控的磁极，负位移刚度大，转子一旦偏心很难回到平衡位置，且在高速旋转时该磁轴承的铁心损耗较大。

发明内容

为了克服现有三极径向-轴向混合磁轴承的非线性和耦合问题，并且降低磁轴承的功耗和功率放大器成本，本发明提出一种六极混合磁轴承，采用双片十二极结构，提高空间利用率，减少磁轴承悬浮力与电流、悬浮力与位移间的非线性，降低径向两个自由度间的耦合。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：本发明具有转子，转子外同轴套有在轴向上对称布置的左定子铁心和右定子铁心，转子左端设有左受力盘、右端设有右受力盘，左定子铁心和右定子铁心的轭部之间叠压有圆环形的永磁体，永磁体轴向充磁，左定子铁心和右定子铁心沿圆周方向各自均布有六个定子磁极，每个定子磁极上绕有径向控制线圈，左定子铁心的六个定子磁极与左受力盘在径向上正对，右定子铁心的六个定子磁极与右受力盘在径向上正对，左、右定子铁心中同一个定子铁心上的径向面对面的两个径向控制线圈相串联且缠绕方向相同，左、右定子铁心在轴向相面对的两个径向控制线圈相串联且方向相反。

本发明的优点在于：

1、本发明将永磁体放置在两片定子之间，节省了径向空间，利于控制线圈安匝数的增加，增大了控制线圈的布置空间；同时采用三相交流逆变器对径向控制电流进行驱动控制，控制简单；轴向控制为被动控制，产生轴向偏移时，由产生的磁阻力将转子拉回平衡位置，省去了轴向控制电路，减少了器件成本，提高了工作效率。

2、本发明的两片定子采用六极结构，十二个控制线圈形成三相绕组，采用三相逆变器驱动，减少了开关管数量，减小功率损耗，简单可靠，降低了制造与运行成本。

3、本发明中采用的径向六极结构使磁轴承的悬浮力和位移特性以及悬浮力和电流特性都趋于线性，减小径向两个自由度间的耦合，解决了三极交流混合磁轴承径向结构不对称性带来的径向悬浮力和控制电流间的非线性和径向两个自由度悬浮力间的耦合问题。

4、本发明由永磁体提供径向静态偏置磁通来产生静态承载力，减小了系统功耗，并将永磁体叠压在两片定子之间，其偏置磁通为同极性，控制磁通为异极性，设计时保证磁通不反向，这样转子旋转时不会产生很高的涡流损耗。另外永磁体不占用径向磁极空间，有利于控制线圈以及位移传感器的安放。

5、本发明的轴向自由度控制根据磁阻最小原理，当转子沿轴向偏移时，会产生相应的磁阻力使其自动回到原来磁通分布平衡的位置，即磁极与受力盘正对齐时的位置。

附图说明

图1是本发明一种六极混合磁轴承的轴向截面示意图；

图2是图1中A-A左视剖视图；

图3是图1中A-A右视剖视图；

图4是图1中径向控制线圈的连接示意图；

图5是图1所示磁轴承的磁路示意图；

图6是图2中左定子铁心的磁路示意图；

图7是图3中右定子铁心的磁路示意图；

图中：1.左定子铁心；2.右定子铁心；3、110、120、130、140、150、160、210、220、230、240、250、260.径向控制线圈；4.偏置磁通；5.径向控制磁通；6.径向气隙；7.转子；8.转轴；9、11、12、13、14、15、16、21、22、23、24、25、26.磁极；10.永磁体；17.左受力盘；18.右受力盘。

具体实施方式

如图1所示，本发明由转轴8、转子7、永磁体10、左定子铁心1、右定子铁心2和控制线圈3组成。本发明最中间是转轴8，转轴8外同轴固定套有转子7，转子7外同轴套有左定子铁心1和右定子铁心2，左定子铁心1和右定子铁心2的结构相同，但在轴向上左右对称布置。转子7的左端和右端各设有一个受力盘，分别是左受力盘17和右受力盘18，两个受力盘与转子7同轴，结构相同，两个受力盘的外径大于转子7的外径，两个受力盘可以与转子7做成一个整体。两个受力盘与左定子铁心1、右定子铁心2之间均留有相同的径向气隙6。

在左定子铁心1和右定子铁心2的轭部之间叠压有一圆环形的永磁体10，永磁体10的外径与定子轭的外径相同，内径大于或者等于定子轭的内径。永磁体10的充磁方向为轴向充磁，左侧为N，右侧为S。在轴向上，左定子铁心1和右定子铁心2关于永磁体10左右对称，左受力盘17和右受力盘18也关于永磁体10左右对称。

左定子铁心1和右定子铁心2沿圆周方向各自均布有六个径向凸出的定子磁极9，构成双片十二极结构。每个定子磁极9上绕有径向控制线圈3。左定子铁心1的六个定子磁极9与左受力盘17在径向上正对且对齐，右定子铁心2的六个定子磁极9与右受力盘17在径向上正对且对齐，并且所有的定子磁极9与两个受力盘在轴向上的厚度相同。而永磁体10在轴向上的厚度要小于两个受力盘轴向最短距离，因此，使左定子铁心1和右定子铁心2的轴向截面呈如图1所示的L型。

转子7、左定子铁心1和右定子铁心2都由硅钢片叠压而成，径向控制线圈3采用标称直径为0.67mm的带绝缘漆铜线，永磁体10采用稀土汝铁硼永磁材料，用于产生偏置磁通。定子磁极9和左受力盘17、右受力盘18之间的径向气隙6大小为0.5mm。

如图2和图3所示，左定子铁心1和右定子铁心2均由定子轭20和六个定子磁极9构成。其中，左定子铁心1的六个定子磁极9按逆时针排列依次为定子磁极11、12、13、14、15、16，右定子铁心2的六个定子磁极9按逆时针排列依次为定子磁极21、22、23、24、25、26。每个径向磁极上均绕由径向控制线圈3，其中左定子铁心1的定子磁极11、12、13、14、15、16上绕的径向控制线圈对应地是六个径向控制线圈110、120、130、140、150、160，右定子铁心2的定子磁极21、22、23、24、25、26上绕的径向控制线圈对应地是六个径向控制线圈210、220、230、240、250、260。

左定子铁心1和右定子铁心2的同一个定子铁心上径向面对面的两个定子磁极上的两个径向控制线圈相串联且缠绕方向相同，这样左定子铁心1和右定子铁心2上的六个径向控制线圈可以构成广义上的三相线圈，左定子铁心1和右定子铁心2的两个定子铁心上在轴向相面对的两个径向控制线圈相串联并且方向相反。这样十二个径向控制线圈构成三相绕组，连接方式为星形连接，通过一个三相逆变器与交流电源相连。具体是：如图4所示，左定子铁心1上的六个径向控制线圈110、120、130、140、150、160，其中面对面的两个径向控制线圈串联，且缠绕方向相同，即线圈110与线圈140、线圈120与线圈150、线圈130与线圈160串联，构成第一个三相绕组。右定子铁心2结构与左定子铁心1结构相同，六个径向控制线圈为210、220、230、240、250、260，其中线圈210与线圈240、线圈220与线圈250、线圈230与线圈260串联且缠绕方向相同，构成第二个三相绕组。两个三相绕组均采用星型连接，并采用三相逆变器驱动。左定子铁心1和右定子铁心2上的在轴向相面对的两个径向控制线圈相串联，并且方向相反，这样第一个三相绕组和第二个三相绕组连接为一个大的三相绕组，即线圈110、线圈140、线圈210、线圈240构成一相，线圈120、线圈150、线圈230、线圈260构成一相，线圈130、线圈160、线圈220、线圈250构成一相，形成三相绕组，依次与逆变器的U、V、W连接。

如图5所示，本发明工作时产生偏置磁通4和径向控制磁通5，由永磁体10产生偏置磁通4，偏置磁通4从永磁体10的N极发出，经过左定子铁心1，六个径向磁极9，再经左侧径向气隙6到达左受力盘17，从转子8右端的右受力盘18经过右侧径向气隙6后进入右定子铁心2的六个径向磁极9，最后回到永磁体10的S极。

如图6和图7所示，偏置磁通4在左侧径向气隙6中是向着圆心的，在右侧径向气隙6中的方向是背离圆心的，这也是两个定子铁心上位置对称磁极上的线圈缠绕方式相反的原因。磁轴承中悬浮力的控制是用径向控制磁通5和偏置磁通4的叠加和抵消来控制的。当左定子铁心1上径向控制线圈110和140通入正电流时，径向磁极14和径向控制线圈140这一侧产生的径向控制磁通5方向和偏置磁通4方向相同，偏置磁通4和径向控制磁通5叠加，而正对面的径向磁极11和径向控制线圈110这一侧产生的径向控制磁通5方向和偏置磁通4方向相反，偏置磁通4和径向控制磁通5抵消，从而产生沿径向磁极14的径向悬浮力；同理，由于线圈的连接关系，在右定子铁心2上的线圈210和线圈240通入正电流也会产生相应的沿径向磁极21悬浮力。磁极14和磁极21为左右定子铁心位置对称的磁极，这样与U相连接的绕组产生的悬浮力为单一方向悬浮力。当径向控制线圈110、140、210、240通入负电流时的结果与通入正电流时相反，产生相反方向的径向悬浮力。同理，在径向控制线圈120、150、230、260中通入电流可以产生沿着或者背离径向磁极12、23方向的径向悬浮力；在径向控制线圈130、160、220、250中通入电流可以产生沿着或者背离径向磁极16、25方向的径向悬浮力；因此，通过控制径向控制线圈110、120、130、140、150、160、210、220、230、240、250、260中的电流就可以产生各个方向大小不同的径向悬浮力。

本发明的轴向自由度控制为被动控制，转子8上的左受力盘17和右受力盘18与定子磁极9轴向厚度相同，安装时左受力盘17和右受力盘18与定子磁极9沿径向对齐放置。当左受力盘17和右受力盘18与定子磁极9正对时，磁阻最小。当转子8沿轴向偏移时，左受力盘17和右受力盘18周围气隙增大，对应于磁通分布的磁路中磁阻增大，根据磁阻最小原理，左受力盘17和右受力盘18上会产生一个沿偏移方向相反的力将转子8拉回到轴向的平衡位置。

Claims (5)

1.一种六极混合磁轴承，具有转子(7)，其特征是：转子(7)外同轴套有在轴向上对称布置的左定子铁心(1)和右定子铁心(2)，转子(7)左端设有左受力盘(17)、右端设有右受力盘(18)，左定子铁心(1)和右定子铁心(2)的轭部之间叠压有圆环形的永磁体(10)，永磁体(10)轴向充磁，左定子铁心(1)和右定子铁心(2)沿圆周方向各自均布有六个定子磁极(9)，每个定子磁极(9)上绕有径向控制线圈(3)，左定子铁心(1)的六个定子磁极(9)与左受力盘(17)在径向上正对，右定子铁心(2)的六个定子磁极(9)与右受力盘(17)在径向上正对，左、右定子铁心(1、2)中同一个定子铁心上的径向面对面的两个径向控制线圈相串联且缠绕方向相同，左、右定子铁心(1、2)在轴向相面对的两个径向控制线圈相串联且方向相反。

2.根据权利要求1所述的一种六极混合磁轴承，其特征是：左、右受力盘(17、18)的外径大于转子7的外径，左、右受力盘(17、18)结构相同且与转子(7)同轴。

3.根据权利要求1所述的一种六极混合磁轴承，其特征是：永磁体(10)的外径与左、右定子铁心(1、2)的定子轭外径相同，内径大于或等于定子轭的内径。

4.根据权利要求1所述的一种六极混合磁轴承，其特征是：定子磁极(9)与左、右受力盘(17、18)在轴向上的厚度相同，永磁体(10)在轴向上的厚度小于左受力盘(17)和右受力盘(18)之间的轴向最短距离。

5.根据权利要求1所述的一种六极混合，其特征是：左、右定子铁心(1、2)上的径向控制线圈(3)均构成三相绕组，均采用星型连接。