CN111075839B - 新结构径向两自由度六极交流/直流混合磁轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新结构径向两自由度六极交流/直流混合磁轴承，包括定子、转子。定子包括三片控制铁心、三个径向磁化永磁环和一个环形导磁桥；控制铁心沿内圆周均匀分布两个悬浮齿，左侧和右侧控制铁心上的两个悬浮齿向内弯曲，并与中间控制铁心上的悬浮齿、转子铁心轴向宽度相同、径向共面，且六个悬浮齿在圆周上互差60度，且中间控制铁心上的悬浮齿宽度是左、右侧控制铁心上的悬浮齿宽度的两倍；六个悬浮齿上均绕制集中式控制绕组；转子包括转子铁心与转轴。本发明由三个永磁环分别给三片空心铁心提供静态偏置磁通，径向控制绕组通电产生的径向控制磁通仅在各自的控制铁心内形成闭合路径，悬浮力控制无耦合，控制简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮磁轴承，特指一种结构新颖的径向两自由度交流/直流混合磁轴承，可作为飞轮系统、机床电主轴、离心机等高速传动部件的无接触悬浮支承。
背景技术
磁轴承是利用定子和转子之间的电磁力将转子悬浮于空间，使定、转子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承。目前，磁轴承按照磁力提供的方式分为以下三种：（1）主动磁轴承，由偏置电流产生偏置磁场，控制电流产生的控制磁通与偏置磁通相互叠加，从而产生可控的悬浮力，该种磁轴承体积、重量和功耗都比较大；（2）被动磁轴承，悬浮力完全由永磁体提供，所需的控制器简单，悬浮功耗小，但是刚度和阻尼都较小，一般运用于仅在一个方向上支撑物体或者是减轻作用在传统轴承上的负荷；（3）混合磁轴承，是采用永磁材料替代主动磁轴承中的电磁铁来产生偏置磁场，控制电流仅提供平衡负载或干扰的控制磁通，大大降低了磁轴承的功率损耗，缩小了磁轴承的体积，减轻其重量，并提高了承载能力。
现有的混合磁轴承结构共性都是径向所有悬浮齿在同一平面的单片结构设计，径向悬浮齿绕制控制绕组产生径向控制磁通，与相应的偏置磁通相互作用产生径向悬浮力。该结构的混合磁轴承径向两自由度悬浮在单片中实现，导致径向悬浮力存在耦合，控制复杂。
发明内容
本发明的目的是提出一种新结构径向两自由度六极交流/直流混合磁轴承，三对悬浮齿分别独立设计，实现悬浮力无耦合，控制简单。
本发明通过以下技术方案实现：
一种新结构径向两自由度六极交流/直流混合磁轴承，包括定子以及位于定子内圈的转子，所述定子包括左控制铁心、中控制铁心、右控制铁心、分别紧密连接于左控制铁心、中控制铁心、右控制铁心外侧的的三个径向磁化永磁环和紧密连接于三个永磁环外侧的环形导磁桥；所述转子包括转子铁心与转轴，所述转轴贯穿于转子铁心内；所述三个控制铁心均沿内圆周均匀分布两个悬浮齿，所述左、右控制铁心上的四个悬浮齿均向中控制铁心方向弯曲，所述六个悬浮齿靠近转子铁心一端面与所述转子铁心圆周面弧度匹配，且与所述转子铁心轴向宽度相同且位置正对，其与转子铁心间形成了气隙长度相等的径向气隙；所述六个悬浮齿上均绕制集中式控制绕组，位于左控制铁心和右控制铁心外侧的两个永磁环极性相同，且与中控制铁心外侧永磁环极性相反。
进一步地，所述六个悬浮齿在圆周上互差60度，且中控制铁心上的一对悬浮齿宽度是左、右控制铁心上的悬浮齿宽度的两倍。
进一步地，三个控制铁心上的成对控制绕组分别同向串联后由三相逆变器供电或左、右控制铁心上的四个控制绕组依次同向串联、中控制铁心上的两个控制绕组同向串联后分别由不同的直流开关功放供电。
进一步地，所述导磁桥由导磁材料制成，所述左、中、右控制铁心和转子铁心由硅钢片叠压而成；所述三个永磁环为稀土永磁材料制成。
有益效果：
1、本发明三对悬浮齿分别独立设计，控制铁心上悬浮齿设计为向内弯曲，使3片控制铁心上的六个悬浮齿与转子铁心径向共面，这样保证6个悬浮齿靠近转子铁心一端与转子铁心位置正对，每个控制铁心上的悬浮绕组通电产生的控制磁通仅经过自身、气隙和转子形成闭合回路，悬浮力控制无耦合，控制简单。
2、本发明六个悬浮齿在圆周上互差60度并设置中控制铁心上的一对悬浮齿宽度是左、右控制铁心上的悬浮齿宽度的两倍，可以确保六个径向气隙偏置磁通相等。
3、本发明左、右控制铁心上的永磁环与中控制铁心上的永磁环极性相反，偏置磁通从左、右控制铁心上的永磁环N极出发，经过左、右控制铁心的悬浮齿，左、右控制铁心的径向气隙，转子铁心，中控制铁心的径向气隙，及中控制铁心悬浮齿回到中控制铁心上的永磁环S极，形成闭合回路。
附图说明
图1为本发明一种新结构径向两自由度六极交流/直流混合磁轴承三维结构图；
图2为本发明一种新结构径向两自由度六极交流/直流混合磁轴承偏置磁通图；
图3为本发明一种新结构径向两自由度六极交流/直流混合磁轴承左视图。
1-导磁桥，2-左控制铁心，201-悬浮齿A，202-悬浮齿B，3-左永磁环，4-转轴，5-转子铁心，6-控制绕组，601-第一控制绕组，602-第二控制绕组，603-第三控制绕组，604-第四控制绕组，605-第五控制绕组，606-第六控制绕组，7-中永磁环，8-中控制铁心，801-悬浮齿C，802-悬浮齿D，9-右永磁环，10-右控制铁心，1001-悬浮齿E，1002-悬浮齿F，11-左永磁环在左控制铁心上产生的经过悬浮齿A、悬浮齿B和径向气隙的偏置磁通，12-中永磁环在中控制铁心上产生的经过悬浮齿C、悬浮齿D和径向气隙的偏置磁通，13-右永磁环在右控制铁心上产生的经过悬浮齿E、悬浮齿F和径向气隙的偏置磁通，14-径向气隙。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体介绍。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、 “顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
具体实施方式如图1-3所示，本发明公开的一种新结构径向两自由度六极交流/直流混合磁轴承，包括定子和位于定子内圈的转子。
定子包括三片控制铁心、三个径向磁化永磁环和一个环形导磁桥1，三个控制铁心分别为左控制铁心2、中控制铁心8、右控制铁心10，三者为尺寸相同的圆环结构，三个径向磁化永磁环分别紧密连接于左控制铁心2、中控制铁心8、右控制铁心10外侧，分别记为左永磁环3、中永磁环7、右永磁环9，环形导磁桥1紧密连接在三个永磁环外侧。
转子包括圆柱形转子铁心5与转轴4，转轴4贯穿于圆柱形的转子铁心5内，转子铁心5位于定子（左控制铁心2、中控制铁心8、右控制铁心10）内部。
左控制铁心2、中控制铁心8、右控制铁心10三个控制铁心沿内圆周分别均匀分布两个悬浮齿，左控制铁心2内的两个悬浮齿记为悬浮齿A201、悬浮齿B202，中控制铁心8上的悬浮齿记为悬浮齿C801、悬浮齿D802，右控制铁心10上的悬浮齿记为悬浮齿E1001、悬浮齿F1002，悬浮齿A201、悬浮齿B202、悬浮齿E1001、悬浮齿F1002均向中控制铁心10方向弯曲（即向两个控制铁心中间弯曲），六个悬浮齿在圆周上互差60度，参见附图3，中控制铁心8上的悬浮齿C801、悬浮齿D802宽度是悬浮齿A201、悬浮齿B202、悬浮齿E1001、悬浮齿F1002宽度的两倍。六个悬浮齿靠近转子铁心5的一端面弧度与转子铁心5的圆周面弧度匹配，而且轴向宽度与转子铁心5的轴向宽度相同位置正对，参见附图2中显示。
六个悬浮齿上均绕制集中式控制绕组6，参见附图3，悬浮齿A201、悬浮齿B202上绕制的控制绕组分别记为第一控制绕组601、第二控制绕组602，悬浮齿C801、悬浮齿D802上绕制的控制绕组分别记为第五控制绕组605、第六控制绕组606，悬浮齿E1001、悬浮齿F1002上绕制的控制绕组分别记为第三控制绕组603、第四控制绕组604。第五控制绕组605、第六控制绕组606与第一控制绕组601、第二控制绕组602、第三控制绕组603、第四控制绕组604绕向相反。六个悬浮齿与转子铁心5之间形成了气隙长度相等的径向气隙14，参见附图2。
左永磁环3在左控制铁心2上产生的经过悬浮齿A201、悬浮齿B202和径向气隙14的偏置磁通11；右永磁环9在右控制铁心10上产生的经过悬浮齿E1001、悬浮齿F1002和径向气隙14的偏置磁通13，且两个偏置磁通的方向指向圆心。中永磁环7在中控制铁心8上产生的经过悬浮齿C801、悬浮齿D802和径向气隙14的偏置磁通12，且其方向由圆心指向圆周。
本实施方式中第五控制绕组605、第六控制绕组606同向串联，第一控制绕组601、第二控制绕组602同向串联，第三控制绕组603、第四控制绕组604同向串联，然后由一个三相逆变器供电。也可以第一控制绕组601、第二控制绕组602、第三控制绕组603、第四控制绕组604四个绕组依次同向串联后由一个直流开关功放供电，第五控制绕组605、第六控制绕组606同向串联后由一个直流开关功放供电。
每个控制铁心上的悬浮绕组通电产生的控制磁通仅经过自身、气隙和转子形成闭合回路。悬浮力是由悬浮磁通和偏置磁通相互叠加，使得与转子径向偏心方向相同一侧气隙磁场叠加减弱，而相反方向气隙磁场叠加增强，在转子上产生与转子偏移方向相反的力，将转子拉回径向平衡位置。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种新结构径向两自由度六极交流/直流混合磁轴承，包括定子以及位于定子内圈的转子，其特征在于，所述定子包括左控制铁心、中控制铁心、右控制铁心、分别紧密连接于左控制铁心、中控制铁心、右控制铁心外侧的的三个径向磁化永磁环和紧密连接于三个永磁环外侧的环形导磁桥，左控制铁心、中控制铁心、右控制铁心三者为尺寸相同的圆环结构；所述转子包括转子铁心与转轴，所述转轴贯穿于转子铁心内；所述三个控制铁心均沿内圆周均匀分布两个悬浮齿，所述左、右控制铁心上的四个悬浮齿均向中控制铁心方向弯曲，所述六个悬浮齿靠近转子铁心一端面与所述转子铁心圆周面弧度匹配，且与所述转子铁心轴向宽度相同且位置正对，其与转子铁心间形成了气隙长度相等的径向气隙；所述六个悬浮齿上均绕制集中式控制绕组，位于左控制铁心和右控制铁心外侧的两个永磁环极性相同，且与中控制铁心外侧永磁环极性相反；
悬浮齿A、悬浮齿B上绕制的控制绕组分别记为第一控制绕组、第二控制绕组，悬浮齿C、悬浮齿D上绕制的控制绕组分别记为第五控制绕组、第六控制绕组，悬浮齿E、悬浮齿F上绕制的控制绕组分别记为第三控制绕组、第四控制绕组；第五控制绕组、第六控制绕组与第一控制绕组、第二控制绕组、第三控制绕组、第四控制绕组绕向相反；
第五控制绕组、第六控制绕组同向串联，第一控制绕组、第二控制绕组同向串联，第三控制绕组、第四控制绕组同向串联，然后由一个三相逆变器供电；或者第一控制绕组、第二控制绕组、第三控制绕组、第四控制绕组四个绕组依次同向串联后由一个直流开关功放供电，第五控制绕组、第六控制绕组同向串联后由一个直流开关功放供电。
2.根据权利要求1所述的一种新结构径向两自由度六极交流/直流混合磁轴承，其特征在于，所述六个悬浮齿在圆周上互差60度，且中控制铁心上的一对悬浮齿宽度是左、右控制铁心上的悬浮齿宽度的两倍。
3.根据权利要求1或2所述的一种新结构径向两自由度六极交流/直流混合磁轴承，其特征在于，所述导磁桥由导磁材料制成，所述左、中、右控制铁心和转子铁心由硅钢片叠压而成；所述三个永磁环为稀土永磁材料制成。
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