CN108869545B - 一种逆变器驱动式轴向-径向六极混合磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆变器驱动式轴向‑径向六极混合磁轴承。包括转轴、转子、轴向定子和径向定子，转子套在转轴一端；径向定子包括环形的径向定子轭以及由径向定子轭向内径向延伸且圆周方向均布六个径向磁极，径向磁极与转子对应设置，且径向磁极与转子之间有径向气隙；径向磁极上分别绕有相同的径向控制线圈；轴向定子与转轴同轴设置，轴向定子由轴向定子筒和轴向定子筒两侧对称设置的轴向定子盘组成，空腔内贴着轴向定子筒内壁面设置轴向控制线圈，轴向定子盘靠近转轴端相向设有轴向磁极，两个轴向磁极之间设置轴向推力盘，轴向推力盘装在转轴上且与两个轴向磁极之间形成轴向气隙，本申请紧凑的结构以减少磁轴承的轴向长度，增加转子的临界转速。

Description

一种逆变器驱动式轴向-径向六极混合磁轴承

技术领域

本发明属于非接触式磁悬浮轴承领域，尤其涉及一种逆变器驱动式轴向-径向六极混合磁轴承。

背景技术

磁轴承利用磁场力实现转子悬浮，使得转子与定子之间无机械接触，从而具有无摩擦、无磨损、高速度、高精度、无需润滑、寿命长等一系列传统轴承无法比拟的优点。磁轴承按照悬浮力的产生方式可以分为主动式(悬浮力由线圈电流产生)、被动式(悬浮力由永磁体产生)和混合式(悬浮力由线圈电流和控制线圈共同产生)。其中，混合式利用永磁体提供偏置磁通，可以减少线圈匝数、减少功率损耗、缩小磁轴承体积，使得磁轴承结构更加紧凑。按照自由度数可以分为单自由度磁轴承(轴向磁轴承)、两自由度磁轴承(径向磁轴承)和三自由度磁轴承(轴向-径向磁轴承)。其中，三自由度磁轴承将径向磁轴承和轴向磁轴承组合，缩小整体轴向长度，有利于提高转子的临界转速。

中国专利公开号为CN201326646，名称为“一种异极性永磁偏置轴向径向磁轴承”的文献中提出一种双片八极磁轴承，该结构需要使用两个双极性或四个单极性直流功率放大器驱动，且体积大，成本高。为减少整体成本，降低开关损耗可采用一个三相逆变器来驱动磁轴承。中国专利公开号为CN1737388，名称为“三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承及其控制方法”的文献中提出径向采用三个极的结构，由三相逆变器驱动。由于三极结构的空间的空间不对称性以及三相电流之和必须为零的特点，导致了磁极正方向的最大承载力大于磁极负方向的最大承载力，在设计磁轴承时为了满足最大承载力条件，必须增大磁轴承的体积。此外，不对称的结构增强了径向两自由度之间的耦合，增加了磁轴承悬浮力与电流之间的非线性。

发明内容

本发明根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种逆变器驱动式轴向-径向六极混合磁轴承，目的在于提供一种结构紧凑、低成本、低功耗且由三相逆变器驱动的三自由度六极混合磁轴承，六极布置的对称结构可以降低悬浮力的非线性和径向两自由度之间的耦合；紧凑的结构以减少磁轴承的轴向长度，增加转子的临界转速。

本发明所采用的技术方案如下：

一种逆变器驱动式轴向-径向六极混合磁轴承，包括转轴、转子、轴向定子和径向定子，所述转子嵌套在转轴的一端，且转子的外径与转轴直径一样大；

所述径向定子包括环形的径向定子轭以及由径向定子轭向内径向延伸且圆周方向均布的六个相同的径向磁极，所述径向磁极与转子对应设置，且径向磁极与转子之间有径向气隙，所述径向磁极的厚度与转子1厚度一样大，所述径向磁极上分别绕有相同的径向控制线圈；

所述轴向定子与转轴同轴设置，所述轴向定子由轴向定子筒和轴向定子筒两侧对称设置的轴向定子盘组成，所述轴向定子盘之间形成空腔，在所述空腔内贴着轴向定子筒内壁面设置轴向控制线圈，所述控制线圈与轴向定子内腔之间留有一定的间隙；所述轴向定子盘靠近转轴端相向设有轴向磁极，以两个轴向磁极之间的中心线设置轴向推力盘，所述轴向推力盘固定安装在转轴上，且轴向推力盘与两个轴向磁极之间形成轴向气隙。

所述轴向定子和径向定子之间通过永磁体连接，且三者外径一样大；所述永磁体与径向定子接触的一端为N极，所述永磁体与轴向定子接触的一端为S极。

进一步，所述径向定子和转子通过硅钢片叠压而成，所述轴向定子采用铁硅合金材料，所述径向控制线圈和轴向控制线圈均采用标称直径为0.67mm的绝缘漆铜线，所述永磁体的材料为稀土汝铁硼。

进一步，所述径向磁极中相对的两个径向磁极上的径向控制线圈缠绕方向相同且串联，形成一套三相绕组，采用星型链接，由三相逆变器驱动。

进一步，所述轴向磁极与转轴之间的间距应该远大于轴向气隙以及径向气隙的气隙间距，所述轴向气隙和径向气隙的间距大小为0.3-2mm。

本发明的有益效果：

1、本发明采用混合式磁轴承，永磁体提供的偏置磁通产生静态悬浮力，径向控制线圈提供的控制磁通产生动态悬浮力，来克服外界的扰动力和负载，使得转子三自由度悬浮并处于平衡位置；这使得磁轴承线圈匝数减少、体积减少、结构紧凑、功耗降低、散热性能好。

2、采用轴向-径向三自由度结构，相比于二自由度径向磁轴承和单自由度轴向磁轴承的组合结构，在相同功率的情况下，大大缩小了轴向长度，提高转子的临界转速。

3、采用三相逆变器驱动，减少开关管数量，降低开关损耗和驱动成本；三相逆变器由DSP处理器进行控制，相比于传统磁轴承，简化了控制，降低了制造和运行成本。

4、采用对称的六极结构，优化了三极结构的不对称性引起的非线性，提高了悬浮力的力流特性的线性度，降低了径向两自由度之间的耦合，减少了控制难度。

附图说明

图1为本发明一种逆变器驱动式轴向-径向六极混合磁轴承的径向剖视图；

图2为图1中A-A剖视图；

图3为图2轴向定子和轴向控制线圈的安装结构图；

图4为图1中径向定子和径向控制线圈的安装结构图；

图5为本发明的轴向磁路示意图；

图6为本发明的径向磁路示意图；

图中：1.转子；2.轴向定子；21.轴向定子筒；221、222.轴向定子盘；231、232.轴向磁极；3.径向定子；31.径向定子轭；321、322、323、324、325、326.径向磁极；41、42、43、44、45、46.径向控制线圈；5.轴向控制线圈；6.永磁体；7.轴向推力盘71、72.轴向气隙；8.径向气隙；91.偏置磁通；92.轴向控制磁通；93.径向控制磁通；10.转轴。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供了一种逆变器驱动式轴向-径向六极混合磁轴承，包括转轴10、转子1、轴向定子2和径向定子3，转子1嵌套在转轴10的一端，且转子1的外径与转轴10直径一样大；

如图2、4所示，径向定子3包括环形的径向定子轭31以及由径向定子轭31向内径向延伸且圆周方向均布的六个相同的径向磁极321、322、323、324、325、326，径向磁极321、322、323、324、325、326与转子1对应设置，且径向磁极与转子1之间有径向气隙8，径向磁极321、322、323、324、325、326的厚度与转子1厚度一样大，径向磁极321、322、323、324、325、326上分别绕有相同的径向控制线圈41、42、43、44、45、46；径向磁极321、322、323、324、325、326中相对的两个径向磁极上的径向控制线圈缠绕方向相同且串联，形成一套三相绕组，采用星型链接，由三相逆变器驱动。

如图2、3所示，轴向定子2与转轴10同轴设置，轴向定子2由轴向定子筒21和轴向定子筒21两侧对称设置的轴向定子盘221、222组成，轴向定子盘221、222之间形成空腔，在所述空腔内贴着轴向定子筒21内壁面设置轴向控制线圈5，控制线圈5与轴向定子2内腔之间留有一定的间隙；轴向定子盘221、222靠近转轴10端相向设有轴向磁极231、232，以两个轴向磁极231、232之间的中心线设置轴向推力盘7，轴向推力盘7的径向长度应可以满足可以插入轴向定子2的内部，轴向推力盘7固定安装在转轴10上，且轴向推力盘7与两个轴向磁极之间形成轴向气隙71、72。轴向磁极231、232与转轴10之间的间距应该远大于轴向气隙71、72以及径向气隙8的气隙间距，且轴向气隙71、72和径向气隙8的间距大小可以选取为0.3-2mm。

如图2所示，轴向定子2和径向定子3之间通过永磁体6连接，且三者外径一样大；所述永磁体6与径向定子3接触的一端为N极，所述永磁体6与轴向定子2接触的一端为S极。

在本实施例中，径向定子3和转子1通过硅钢片叠压而成，所述轴向定子2采用铁硅合金材料，所述径向控制线圈41、42、43、44、45、46和轴向控制线圈5均采用标称直径为0.67mm的绝缘漆铜线，所述永磁体6的材料为稀土汝铁硼。

为了更清楚的理解本发明的技术方案，下面结合本发明的工作过程作进一步解释：

如图5、6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N极出发，经过径向定子磁轭31和径向磁极321、322、323、324、325、326进入径向气隙8，由径向气隙8进入转子1，从转子1进入转轴10，再由转轴10进入轴向推力盘7，此处偏置磁通91均匀分成两路分别进入轴向气隙71、72，从轴向气隙71、72分别流入轴向磁极231、232，通过轴向定子盘221、222，汇合于轴向定子筒21，最后进入永磁体6的S极形成完整的回路。

如图5所示，当轴向控制线圈5通入正方向电流时，轴向控制线圈5产生的轴向控制磁通92从轴向定子筒21流入轴向定子盘221，经轴向气隙71后进入轴向推力盘7在进入轴向气隙72，有轴向气隙72进入轴向定子盘222，最后回到轴向定子筒21。此时轴向控制磁通92在轴向间隙72和偏置磁通91叠加，在轴向气隙71处削弱，从而产生向一端的轴向悬浮力。若此时轴向控制线圈5通入负方向电流，轴向控制磁通92在轴向间隙72和偏置磁通91削弱，在轴向气隙71处叠加，从而产生向另一端的轴向悬浮力。因此，通过控制轴向控制线圈5中电流的大小和方向，就可以控制轴向悬浮力的大小和方向。

参见图5、6，本发明工作时，永磁体6产生的偏置磁通91从径向磁轭31流入径向磁极321、322、323、324、325、326，进入径向气隙8，再流入转子1。此时径向控制线圈41、44通入正向电流，径向磁极321这一的侧的径向控制磁通93和偏置磁通91相互削弱，径向磁极324这一侧的径向控制磁通93和偏置磁通91相互叠加，从而产生向径向磁极324的径向悬浮力。若在径向控制线圈41、44通入负向电流，径向磁极321这一的侧的径向控制磁通93和偏置磁通91相互叠加，径向磁极324这一侧的径向控制磁通93和偏置磁通91相互削弱，从而产生向径向磁极321的径向悬浮力。同理，在径向控制线圈43、46通径向控制电流，可以产生径向磁极323或径向磁极324方向的径向悬浮力；在径向控制线圈42、45通径向控制电流，可以产生径向磁极322或径向磁极325方向的径向悬浮力。因此，通过控制径向线圈4中电流的大小和方向，就可以控制径向悬浮力的大小和方向。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种逆变器驱动式轴向-径向六极混合磁轴承,其特征在于，包括转轴（10）、转子（1）、轴向定子（2）和径向定子（3），所述转子（1）嵌套在转轴（10）的一端，且转子（1）的外径与转轴（10）直径一样大；

所述径向定子（3）包括环形的径向定子轭（31）以及由径向定子轭（31）向内径向延伸的六个相同的径向磁极，所述径向磁极沿圆周方向均布，所述径向磁极与转子（1）对应设置，且径向磁极与转子（1）之间有径向气隙（8），所述径向磁极上分别绕有相同的径向控制线圈；

所述轴向定子（2）与转轴（10）同轴设置，所述轴向定子（2）由轴向定子筒（21）和轴向定子筒（21）两侧对称设置的轴向定子盘组成，所述轴向定子盘之间形成空腔，在所述空腔内贴着轴向定子筒（21）内壁面设置轴向控制线圈（5），所述控制线圈（5）与轴向定子（2）内腔之间留有一定的间隙；所述轴向定子盘靠近转轴（10）端相向设有轴向磁极，以两个轴向磁极之间的中心线设置轴向推力盘（7），所述轴向推力盘（7）固定安装在转轴（10）上，且轴向推力盘（7）与两个轴向磁极之间形成轴向气隙；

所述轴向定子（2）和径向定子（3）之间通过永磁体（6）连接，且三者外径一样大；所述永磁体（6）与径向定子（3）接触的一端为N极，所述永磁体（6）与轴向定子（2）接触的一端为S极；所述径向磁极的厚度与转子（1）厚度一样大；

所述径向磁极中相对的两个径向磁极上的径向控制线圈缠绕方向相同且串联，形成一套三相绕组，采用星型链接，由三相逆变器驱动。

2.根据权利要求1所述的一种逆变器驱动式轴向-径向六极混合磁轴承，其特征在于，所述径向定子（3）和转子（1）均由硅钢片叠压而成。

3.根据权利要求1所述的一种逆变器驱动式轴向-径向六极混合磁轴承，其特征在于，所述轴向定子（2）采用铁硅合金材料。

4.根据权利要求1所述的一种逆变器驱动式轴向-径向六极混合磁轴承，其特征在于，所述径向控制线圈和轴向控制线圈（5）均采用绝缘漆铜线，所述绝缘漆铜线的标称直径为0.67mm。

5.根据权利要求1所述的一种逆变器驱动式轴向-径向六极混合磁轴承，其特征在于，所述永磁体（6）的材料为稀土汝铁硼。

6.根据权利要求1所述的一种逆变器驱动式轴向-径向六极混合磁轴承，其特征在于，所述轴向气隙和径向气隙（8）的大小均为0.3-2mm。