CN116123216B - 基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统、控制方法及系统 - Google Patents

基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统、控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统、控制方法及系统，磁轴承系统包括转子、环绕转子设置的径向轴向耦合磁轴承，径向轴向耦合磁轴承的内环设置有2n个磁极，磁极的轴向横截面为直角梯形；基于磁线圈的控制电流，磁极对转子产生轴向方向和径向方向的作用分力；控制系统包括磁轴承系统、位置检测装置以及控制装置。本发明提供的磁轴承系统，既省去了轴向磁轴承的使用，也省去了转子上的推力盘结构，从而使得转子变得更短，有助于改善转子的结构强度，因此可以满足更高转速的要求，使得电机的结构设计更加简洁。采用的控制系统能够减少一路控制系统，同时，控制方法更加简单，节约成本。

Description

基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统、控制方法及系统
技术领域
本发明涉及基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统、控制方法及系统，属于机械传动及电磁领域。
背景技术
随着磁悬浮轴承技术的发展，磁悬浮电机以其无摩擦、噪音小、转速高、能效高等优点逐渐占据传统电机市场。磁悬浮电机的关键部件之一是磁悬浮轴承。目前常用的磁轴承有永磁轴承、电磁轴承和混合磁轴承（永磁+电磁），其中，电磁轴承因承载力高，且电磁力可控而逐渐成为磁悬浮轴承的主流技术。
如图1所示，在常规电磁轴承的磁悬浮电机中，前径向磁轴承、后径向磁轴承和轴向推力磁轴承对转子形成5自由度方向的控制，维持转子的稳定悬浮，并实现转子的高速旋转。但是目前仍然存在一些问题：首先，由于轴向推力磁轴承的加入，导致电机体积会相对较大；其次，轴向推力磁轴承需要一路控制系统，增加了控制电路的体积和额外成本，也多了一个隐藏故障点；再者，转子推力盘结构的加入，导致转子变长，动力学性能变差，对于更高转速需求来说这是一个严重缺点。
因此，对于本领域研发人员来说，亟需研发一种磁轴承系统，能够同时产生轴向力和径向力，不必再单独设置轴向磁轴承和轴向控制系统，以及减小转子的长度和电机的体积。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统，将径向磁轴承和轴向磁轴承相结合，提出一种新型的径向轴向耦合磁轴承，省去了轴向磁轴承的使用；此外，采用径向控制环和轴向控制环的两个闭环控制方法，实现径向轴向耦合磁轴承的稳态控制。本发明的另一个目的在于提供一种基于径向轴向耦合磁轴承的控制方法。本发明的另一个目的在于提供一种基于径向轴向耦合磁轴承的控制系统。
本发明一方面公开了基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统，包括转子、环绕转子设置的径向轴向耦合磁轴承；
径向轴向耦合磁轴承的内环设置有4n个磁极，n为大于等于2的正整数，所述磁极上绕设有磁线圈，相邻两个所述磁极组成磁极对，所述磁线圈通电状态下，属于同一磁极对中的两个磁极的极性相反，以使每个所述磁极对中形成闭合磁感线，属于不同磁极对中的两个相邻磁极的极性相同；
所述磁极的径向横截面为直角梯形，基于磁线圈的控制电流，磁极对转子产生作用力，通过调整各个磁线圈的控制电流大小，从而使得径向轴向耦合磁轴承可以对转子产生任意方向的作用力。
本发明采用一种新型的径向轴向耦合磁轴承，该电磁轴承结构既能对转子产生径向方向的作用力，也能产生轴向方向的作用力，即能够产生任意方向的作用力。采用该轴承结构既省去了轴向磁轴承的使用，也省去了转子上的推力盘结构，从而使得转子变得更短，有助于改善转子的结构强度及动力学性能，因此可以满足更高转速的要求，使得电机的结构设计更加简洁，电机的体积更小、功率密度更大。
根据本发明优选的，所述磁极的径向横截面中底边和轴线的夹角为20°-70°。采用该角度范围，能够产生满足调控转子位置的作用力，同时，磁极和转子也方便加工。
根据转子受到轴向作用力和径向作用力的实际情况，确定所述磁极的内环面和轴线之间的夹角。当转子需要的轴向作用力比径向作用力小时，磁极的内环面和轴线的夹角为20°-45°比较适合；当转子需要的轴向作用力比径向作用力大时，磁极的内环面和轴线的夹角为45°-70°比较适合。
根据本发明优选的，径向轴向耦合磁轴承包括前径向轴向耦合磁轴承和后径向轴向耦合磁轴承，
前径向轴向耦合磁轴承和后径向轴向耦合磁轴承分布在磁悬浮电机定子的两侧，前径向位置传感器和前径向轴向耦合磁轴承安装在前端轴承座上，实现对转子前端的悬浮支承；
后径向位置传感器和后径向轴向耦合磁轴承安装在后端轴承座上，实现对转子后端的悬浮支承。
根据本发明优选的，径向轴向耦合磁轴承设置有四组磁极对，共8个磁极，相对设置的磁极对产生方向相反的电磁力。
根据本发明优选的，转子包括中间段和直径渐变段，直径渐变段位于中间段的两端，径向轴向耦合磁轴承套装在直径渐变段的外部，并且径向轴向耦合磁轴承中磁极的内环面与直径渐变段的表面平行，并且径向轴向耦合磁轴承与直径渐变段之间存在间隙。
径向轴向耦合磁轴承与转子配合使用，在通电情况下，在间隙处产生磁场，进而产生控制转子的电磁力，并且电磁力可分解到轴向和径向方向，能够使得转子在磁轴承系统中稳定悬浮。由于不必设置轴向磁轴承，能够减小转子的长度和省去轴向磁轴承控制电路。
本发明另一方面还公开了一种基于径向轴向耦合磁轴承的控制系统，包括所述磁轴承系统、位置检测装置和控制装置；
位置检测装置用于检测转子偏离径向轴向耦合磁轴承中心的位移；
控制装置用于基于位移偏移量调整磁线圈的电流。
根据本发明优选的，位置检测装置包括径向位置传感器、轴向位置传感器、径向振动信号解调器和轴向振动信号解调器，
径向位置传感器用于采集转子偏离径向中心位置的电涡流信号，再经过径向振动信号解调器转换为径向位移信号；
轴向位置传感器用于采集转子偏离轴向中心位置的电涡流信号，再经过轴向振动信号解调器转换为轴向位移信号。
根据本发明优选的，控制装置包括径向振动控制器、轴向振动控制器和功率放大器；
径向振动控制器基于转子的径向位移偏移量确定径向控制信号，转子的径向位移偏移量为转子的径向位移参考信号Xref1与反馈的径向位移信号的差值；
轴向振动控制器基于转子的轴向位移偏移量确定轴向控制信号，转子的轴向位移偏移量为转子的轴向位移参考信号Xref2与反馈的轴向位移信号的差值。
各控制信号经过功率放大器输出控制电流，进而实时调整径向轴向耦合磁轴承中每组磁极对的电磁力大小，得到将转子调整到中心位置所需要的具有一定方向和大小的期望合力，从而维持转子的稳定悬浮。
本发明另一方面还公开了一种基于径向轴向耦合磁轴承的控制方法，包括：
获取转子偏离中心位置的径向和轴向的位移偏移量；
基于位移偏移量确定控制信号；
根据控制信号控制径向轴向耦合磁轴承中每个磁线圈电流的大小，得到将转子调整到中心位置所需要的具有一定方向和大小的期望合力，从而维持转子的稳定悬浮。
根据本发明优选的，获取转子偏离中心位置的径向和轴向的位移偏移量，包括：通过转子的径向位移参考信号Xref1与反馈的径向位移信号的差值获取径向的位移偏移量；通过转子的轴向位移参考信号Xref2与反馈的轴向位移信号的差值获取轴向的位移偏移量。
根据本发明优选的，所述根据控制信号控制径向轴向耦合磁轴承中每个磁线圈电流的大小，得到将转子调整到中心位置所需要的具有一定方向和大小的期望合力，从而维持转子的稳定悬浮，包括：
当转子只产生轴向的位移偏移时，差动调节前径向轴向耦合磁轴承和后径向轴向耦合磁轴承的控制电流，使得同一个径向轴向耦合磁轴承中相对设置的两组磁极对产生电磁力的径向分力的大小相同，方向相反，径向分力相互抵消；所有电磁力的轴向分力的合力与转子轴向的偏移方向相反；从而将转子拉回平衡位置；
当转子只产生径向的位移偏移时，差动调整前径向轴向耦合磁轴承或后径向轴向耦合磁轴承中能够产生期望电磁力的相对设置的两组磁极对的控制电流，使得前径向轴向耦合磁轴承和后径向轴向耦合磁轴承中磁极对产生的电磁力的轴向分力大小相同，方向相反，相互抵消；所有电磁力的径向分力的合力与转子径向偏移的方向相反；从而将转子拉回平衡位置；
当转子同时产生径向和轴向的位移偏移时，根据转子产生径向位移偏移时的调控方式同时结合转子产生轴向位移偏移时的调控方式共同来确定每个磁极的控制电流。
本发明的有益效果为：
1.本发明提供的基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统，省去了轴向磁轴承的使用，电机的体积更小、结构更加简单、功率密度更高。
2.本发明提供的基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统，省去了转子上的推力盘结构，从而使得转子变得更短，有助于改善转子的结构强度和动力学性能，因此可以满足更高转速的要求。
3.本发明提供的基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统，省去了轴向磁轴承及其控制电路，即减少了系统的成本，也减少了隐藏故障点。
4.相较于传统的采用五路控制，本发明采用的控制系统能够减少一路控制系统，控制方法更加简单，节约成本。采用径向控制环和轴向控制环的两个闭环控制方法，实现径向轴向耦合磁轴承的稳态控制。采用差动控制调整磁极对的控制电流，对转子偏移的调控更快、更高效。
附图说明
图1为具有常规磁悬浮轴承的电机结构示意图；
图2为本发明提供的基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统的结构示意图；
图3为本发明提供的具有磁轴承系统的电机结构示意图；
图4为本发明提供的径向轴向耦合磁轴承中磁极的结构示意图；
图5为本发明提供的前径向轴向耦合磁轴承的结构示意图；
图6为本发明提供的后径向轴向耦合磁轴承的结构示意图；
图7为转子在x轴和z轴方向上的受力示意图；
图8为转子在y轴和z轴方向上的受力示意图；
图9为转子在x轴和z轴方向上受力分解图；
图10为转子在y轴和z轴方向上受力分解图；
图11为本发明提供的一种基于径向轴向耦合磁轴承的控制方法的过程示意图；
图12为本发明提供的一种基于径向轴向耦合磁轴承的控制系统的示意图。
其中，1、端盖，2、前端轴承座，3、前径向位置传感器，4、前径向轴向耦合磁轴承，5、机壳，6、电机定子，7、转子，8、后端轴承座，9、后径向轴向耦合磁轴承，10、后径向位置传感器，11、轴向传感器座，12、轴向位置传感器，13、轴向推力磁轴承，14、推力盘，15、前径向磁轴承，16、后径向磁轴承，17、磁极。
具体实施方式
下面将以图示揭露本申请的若干个实施方式，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，构成本申请的一部分说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及说明是用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体，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。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以互相结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求保护的范围之内。
目前，常规电磁轴承的磁悬浮电机其结构图1所示，磁悬浮电机6包括端盖1、前端轴承座2、前径向位置传感器3、机壳5、电机定子6、转子7、后端轴承座8、后径向位置传感器10、轴向传感器座11、轴向位置传感器12、轴向推力磁轴承13、转子7、推力盘14、前径向磁轴承15、后径向磁轴承16。其中前径向磁轴承15、后径向磁轴承16和轴向推力磁轴承13对转子7形成5自由度方向的控制，维持转子7的稳定悬浮，并实现转子7的高速旋转。
但是，由于轴向推力磁轴承13的加入，导致转子7变长，结构强度降低，对于更高转速需求来说这是一个严重缺点。并且轴向推力磁轴承13需要一路控制系统，增加了控制电路的体积和额外成本。
本实施例提供一种基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统，如图2所示，包括转子7、环绕转子7设置的径向轴向耦合磁轴承；
如图4、图5和图6所示，径向轴向耦合磁轴承的内环设置有4n个磁极17，n为大于等于2的正整数，磁极17上绕设有磁线圈，相邻两个磁极17组成磁极对，磁线圈通电状态下，属于同一磁极对中的两个磁极17的极性相反，以使每个磁极对中形成闭合磁感线，属于不同磁极对中的两个相邻磁极17的极性相同；
磁极17的径向横截面为直角梯形，基于磁线圈的控制电流，磁极对转子7产生作用力，通过调整各个磁线圈电流的大小，从而使得径向轴向耦合磁轴承对转子7可以产生任意方向的作用力。
本发明采用一种新型的径向轴向耦合磁轴承，该电磁轴承结构既能对转子7产生轴向方向的作用力，也能产生径向方向的作用力，即能够产生任意方向的作用力。采用该轴承结构既省去了轴向磁轴承的使用，也省去了转子7上的推力盘结构，从而使得转子7变得更短，有助于改善转子7的结构强度和动力学性能，因此可以满足更高转速的要求，使得电机的结构设计更加简洁。
作为一种实施例，本实施例提供的一种基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统中，磁极17的径向横截面中底边和轴线的夹角为20°-70°。采用该角度范围，能够产生满足调控转子7位置的作用力，同时，磁极17和转子7也方便加工。
根据转子7受到轴向作用力和径向作用力的实际情况，确定磁极17的内环面和轴线之间的夹角。当转子7需要的轴向作用力比径向作用力小时，磁极17的内环面和轴线的夹角为20°-45°比较适合；比如，仅在磁悬浮电机6转子7的两端均设置有叶轮。当转子7需要的轴向作用力比径向作用力大时，磁极17的内环面和轴线的夹角为45°-70°比较适合，比如，仅在磁悬浮电机6转子7的一端设置有叶轮。
作为一种实施例，本实施例提供的一种基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统中，径向轴向耦合磁轴承包括前径向轴向耦合磁轴承4和后径向轴向耦合磁轴承9，
前径向轴向耦合磁轴承4和后径向轴向耦合磁轴承9分布在磁悬浮电机6定子的两侧，前径向位置传感器3和前径向轴向耦合磁轴承4安装在前端轴承座2上，实现对转子7前端的悬浮支承；
后径向位置传感器10和后径向轴向耦合磁轴承9安装在后端轴承座8上，实现对转子7后端的悬浮支承。
作为一种实施例，本实施例提供的一种基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统中，径向轴向耦合磁轴承的内环设置有四组磁极对，共8个磁极17，相对设置的磁极对产生磁场力的大小相等，方向相反。
径向轴向耦合磁轴承中磁极对分布及坐标图如图5和图6所示，其中，前径向轴向耦合磁轴承4包括磁极对a+、磁极对a-、磁极对b+与磁极对b-，后径向轴向耦合磁轴承9包括磁极对c+、磁极对c-、磁极对d+与磁极对d-。
作为一种实施例，本实施例提供的一种基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统中，转子7包括中间段和直径渐变段，直径渐变段位于中间段的两端，例如，当磁轴承系统应用在磁悬浮电机中时，如图3所示，电机定子6套装在中间段的外部，径向轴向耦合磁轴承套装在直径渐变段的外部，并且径向轴向耦合磁轴承中磁极17的内环面与直径渐变段的表面平行，并且径向轴向耦合磁轴承与直径渐变段之间存在间隙。其中，直径渐变段为直径逐渐减少的冲片叠压形成，或者是电工纯铁等软磁材料加工的部件热套到转子7上形成。
径向轴向耦合磁轴承与转子7配合使用，在通电情况下，在间隙处径向轴向耦合磁轴承产生磁场，进而产生控制转子7的预期磁轴承作用力，并且预期磁轴承作用力可分解到轴向和径向方向，能够使得转子7在磁轴承系统中稳定悬浮。由于不必设置轴承磁轴承并且省却了转子7上的推力盘，能够减小转子7的长度。
本实施例公开了一种基于径向轴向耦合磁轴承的控制系统，包括磁轴承系统、位置检测装置和控制装置；
位置检测装置用于检测转子7偏离径向轴向耦合磁轴承中心的位移偏移量；
控制装置用于基于位移偏移量调整磁线圈的电流。
图12为径向轴向耦合磁轴承的控制系统框图，径向轴向耦合磁轴承将径向磁轴承和轴向磁轴承的功能进行集合，省去了轴向磁轴承的使用；采用径向控制环和轴向控制环的两个闭环控制方法，实现径向轴向耦合磁轴承的稳态控制。
作为一种实施例，在本实施例提供的一种基于径向轴向耦合磁轴承的控制系统中，位置检测装置包括径向位置传感器、轴向位置传感器12、径向振动信号解调器和轴向振动信号解调器，
径向位置传感器用于采集转子7偏离径向中心位置的电涡流信号，再经过径向振动信号解调器转换为径向位移信号；
轴向位置传感器12用于采集转子7偏离轴向中心位置的电涡流信号，再经过轴向振动信号解调器转换为轴向位移信号。
作为一种实施例，在本实施例提供的一种基于径向轴向耦合磁轴承的控制系统中，控制装置包括径向振动控制器、轴向振动控制器和功率放大器，
径向振动控制器基于转子7的径向位移参考信号Xref1与反馈的径向位移信号的差值确定径向控制信号，
轴向振动控制器基于转子7的轴向位移参考信号Xref2与反馈的轴向位移信号的差值确定轴向控制信号。
各控制信号经过功率放大器输出控制电流，进而实时调整径向轴向耦合磁轴承中每组磁极对的电磁力大小，得到将转子7调整到中心位置所需要的具有一定方向和大小的期望合力，从而维持转子7的稳定悬浮。
本实施例提供一种基于径向轴向耦合磁轴承的控制系统的控制方法，如图11所示，包括：
获取转子7偏离中心位置的径向和轴向的位移偏移量；具体包括：通过转子7的径向位移参考信号Xref1与反馈的径向位移信号的差值获取径向的位移偏移量；通过转子7的轴向位移参考信号Xref2与反馈的轴向位移信号的差值获取轴向的位移偏移量。
基于位移偏移量确定控制信号；
根据控制信号控制径向轴向耦合磁轴承中每个磁线圈电流的大小，得到将转子7调整到中心位置所需要的具有一定方向和大小的期望合力，从而维持转子7的稳定悬浮。
作为一种实施例，本实施例提供一种基于径向轴向耦合磁轴承的控制系统的控制方法，根据控制信号控制径向轴向耦合磁轴承中每个磁线圈电流的大小，得到将转子7调整到中心位置所需要的具有一定方向和大小的期望合力，从而维持转子7的稳定悬浮，包括：
当转子7处于平衡位置时，径向轴向耦合磁轴承支承的转子7受力如图7和图8所示，其中，Fa+为磁极对a+产生的吸力，Fa-为磁极对a-产生的吸力，Fc+为磁极对c+产生的吸力,Fc-为磁极对c-产生的吸力，Fb+为磁极对b+产生的吸力，Fb-为磁极对b-产生的吸力，Fd+为磁极对d+产生的吸力，Fd-为磁极对d-产生的吸力。
相应的，当转子7处于平衡位置时，转子7受力分解图如图9和图10所示，其中，Fa+包括径向分力Fx1+和轴向分力Fz-；Fa-包括径向分力Fx1-和轴向分力Fz-；Fc+ 包括径向分力Fx2+和轴向分力Fz+；Fc-包括径向分力Fx2-和轴向分力Fz+；Fb+包括径向分力Fy1+和轴向分力Fz-；Fb-包括径向分力Fy1-和轴向分力Fz-；Fd+包括径向分力Fy2+和轴向分力Fz+；Fd-包括径向分力Fy2-和轴向分力Fz+。
当转子7只产生轴向的位移偏移时，差动调节前径向轴向耦合磁轴承4和后径向轴向耦合磁轴承9的控制电流，使得同一个径向轴向耦合磁轴承中相对设置的两组磁极对产生电磁力的径向分力的大小相同，方向相反，径向分力相互抵消；所有电磁力的轴向分力的合力与转子7轴向的偏移方向相反；从而将转子7拉回平衡位置；
具体的，当转子7沿轴向产生位移偏移，假设沿z轴正方向产生Δz偏移时，
调整前径向轴向耦合磁轴承4的控制信号，使得Fa+、Fa-、Fb+、Fb-同时增大ΔF1，依次变为Fa+*、Fa-*、Fb+*、Fb-*，对应的：
Fa+*的径向分力与Fa-*的径向分力相互抵消，Fa+*与Fa-*的轴向分力大小相同，方向相同，沿着z轴负方向；
Fb+*的径向分力与Fb-*的径向分力相互抵消，Fb+*与Fb-*的轴向分力大小相同，方向相同，沿着z轴负方向；
差动调整后径向轴向耦合磁轴承9，使得Fc+、Fc-、Fd+、Fd-同时减小ΔF1，依次变为Fc+*、Fc-*、Fd+*、Fd-*，对应的：
Fc+*的径向分力和Fc-*的径向分力相互抵消，Fc+*与Fc-*的轴向分力大小相同，方向相同，方向相同沿着z轴正方向；
Fd+*的径向分力与Fd-*的径向分力相互抵消，Fd+*与Fd-*的轴向分力大小相同，方向相同，方向相同沿着z轴正方向；
于是，前径向轴向耦合磁轴承4和后径向轴向耦合磁轴承9共同在z轴负方向上产生的轴向分力的合力将转子7拉回平衡位置。其中轴向分力的合力的大小为8倍的ΔF1在轴向的分力。
同理，当沿z轴负方向产生Δz偏移时，参照上述调节方式进行调整。
当转子7只产生径向的位移偏移时，差动调整前径向轴向耦合磁轴承4或后径向轴向耦合磁轴承9中能够产生期望电磁力的相对设置的两组磁极对的控制电流，使得前径向轴向耦合磁轴承4和后径向轴向耦合磁轴承9中磁极对产生的电磁力的轴向分力大小相同，方向相反，相互抵消；所有电磁力的径向分力的合力与转子7径向偏移的方向相反；从而将转子7拉回平衡位置；
具体的，当转子7沿径向产生偏移，假设沿X1轴正方向产生Δx1偏移时,可以选择调整前径向轴向耦合磁轴承4中磁极对a+和磁极对a-的控制信号，使得Fa+减小ΔF2,Fa-增大ΔF2,即Fa+、Fa-分别变为Fa+*、Fa-*，对应的：
Fa+*的轴向分力与Fa-*的轴向分力与后径向轴向耦合磁轴承9中Fc+和Fc-的轴向分力相互抵消，与转子7的平衡位置时的受力相比较，Fa+*的径向分力与Fa-*的径向分力的合力的方向沿着X1轴负方向，从而将转子7拉回平衡位置。
于是，前径向轴向耦合磁轴承中的a+和a-磁极对共同作用，其合力作用于X1轴负方向，并将转子7拉回平衡位置。其中合力大小为2倍的ΔF2在X1轴负方向的分力。
径向产生偏移还包括X1轴负方向产生偏移，X2轴负/正方向产生偏移，y1轴负/正方向产生偏移以及y2轴负/正方向产生偏移，以及以上偏移情况的组合，不再一一列举，均可按照上述原理进行调控。
当转子7同时产生径向和轴向的位移偏移时，根据转子7产生径向位移偏移时的调控方式同时结合转子7产生轴向位移偏移时的调控方式共同来确定每个磁极17的控制电流。
具体的，当转子7沿轴向和径向同时产生偏移时，结合以上分析的两种情况，当径向振动控制器和轴向振动控制器同时控制时，即可实现转子7在平衡位置处的稳定悬浮。
假设转子7沿着径向和轴向同时产生偏移，且沿z轴正方向产生Δz偏移和沿X1轴正方向产生Δx1偏移时，一方面，调整前径向轴向耦合磁轴承4的控制信号，使得Fa+、Fa-、Fb+、Fb-同时增大ΔF1，变为Fa+*、Fa-*、Fb+*、Fb-*，差动调整后径向轴向耦合磁轴承9，使得Fc+、Fc-、Fd+、Fd-同时减小ΔF1，变为Fc+*、Fc-*、Fd+*、Fd-*。同时还需要满足Fa+减小ΔF2,Fa-增大ΔF2。
于是，Fa+最终需要增大ΔF1-ΔF2，Fa-增大ΔF1+ΔF2，Fb+、Fb-同时增大ΔF1，Fc+、Fc-、Fd+、Fd-同时减小ΔF1，即可将转子7拉回平衡位置。
上述说明示出并描述了本申请的优选实施方式，但如前对象，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施方式的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文对象构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统的控制系统，其特征在于，包括所述基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统、位置检测装置和控制装置；
基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统包括转子、环绕转子设置的径向轴向耦合磁轴承；
径向轴向耦合磁轴承的内环设置有4n个磁极，n为大于等于2的正整数，所述磁极上绕设有磁线圈，相邻两个所述磁极组成磁极对，所述磁线圈通电状态下，属于同一磁极对中的两个磁极的极性相反，以使每个所述磁极对中形成闭合磁感线，属于不同磁极对中的两个相邻磁极的极性相同；
所述磁极的径向横截面为直角梯形，基于磁线圈的控制电流，磁极对转子产生作用力，通过调整各个磁线圈的控制电流大小，从而使得径向轴向耦合磁轴承对转子产生任意方向的作用力；
位置检测装置用于检测转子偏离径向轴向耦合磁轴承中心的位移；位置检测装置包括径向位置传感器、轴向位置传感器、径向振动信号解调器和轴向振动信号解调器，径向位置传感器用于采集转子偏离径向中心位置的电涡流信号，再经过径向振动信号解调器转换为径向位移信号；轴向位置传感器用于采集转子偏离轴向中心位置的电涡流信号，再经过轴向振动信号解调器转换为轴向位移信号；采用径向控制环和轴向控制环的两个闭环控制方法，实现径向轴向耦合磁轴承的控制；
控制装置用于基于位移偏移量调整磁线圈的电流，控制装置包括径向振动控制器、轴向振动控制器和功率放大器，
径向振动控制器基于转子的径向位移偏移量确定径向控制信号，转子的径向位移偏移量为转子的径向位移参考信号Xref1与反馈的径向位移信号的差值；
轴向振动控制器基于转子的轴向位移偏移量确定轴向控制信号，转子的轴向位移偏移量为转子的轴向位移参考信号Xref2与反馈的轴向位移信号的差值；
所述基于径向轴向耦合磁轴承的控制系统的控制方法，包括：
获取转子偏离中心位置的径向和轴向的位移偏移量；具体包括：通过转子的径向位移参考信号Xref1与反馈的径向位移信号的差值获取径向的位移偏移量；通过转子的轴向位移参考信号Xref2与反馈的轴向位移信号的差值获取轴向的位移偏移量；
基于位移偏移量确定控制信号；
根据控制信号控制径向轴向耦合磁轴承中每个磁线圈电流的大小，得到将转子调整到中心位置所需要的具有一定方向和大小的期望合力，从而维持转子的稳定悬浮，包括：
当转子只产生轴向的位移偏移时，差动调节前径向轴向耦合磁轴承和后径向轴向耦合磁轴承的控制电流，使得同一个径向轴向耦合磁轴承中相对设置的两组磁极对产生电磁力的径向分力的大小相同，方向相反，径向分力相互抵消；所有电磁力的轴向分力的合力与转子轴向的偏移方向相反；从而将转子拉回平衡位置；
当转子只产生径向的位移偏移时，差动调整前径向轴向耦合磁轴承或后径向轴向耦合磁轴承中能够产生期望电磁力的相对设置的两组磁极对的控制电流，使得前径向轴向耦合磁轴承和后径向轴向耦合磁轴承中磁极对产生的电磁力的轴向分力大小相同，方向相反，相互抵消；所有电磁力的径向分力的合力与转子径向偏移的方向相反；从而将转子拉回平衡位置；
当转子同时产生径向和轴向的位移偏移时，根据转子产生径向位移偏移时的调控方式同时结合转子产生轴向位移偏移时的调控方式共同来确定每个磁极的控制电流。
2.根据权利要求1所述的基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统的控制系统，其特征在于，所述磁极的径向横截面中底边和轴线的夹角为20°-70°。
3.根据权利要求1所述的基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统的控制系统，其特征在于，径向轴向耦合磁轴承包括前径向轴向耦合磁轴承和后径向轴向耦合磁轴承，
前径向轴向耦合磁轴承和后径向轴向耦合磁轴承分布在磁悬浮电机定子的两侧，前径向位置传感器和前径向轴向耦合磁轴承安装在前端轴承座上，实现对转子前端的悬浮支承；
后径向位置传感器和后径向轴向耦合磁轴承安装在后端轴承座上，实现对转子后端的悬浮支承。
4.根据权利要求1所述的基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统的控制系统，其特征在于，径向轴向耦合磁轴承设置有四组磁极对，共8个磁极，相对设置的磁极对产生方向相反的电磁力。
5.根据权利要求1所述的基于径向轴向耦合磁轴承的磁轴承系统的控制系统，其特征在于，转子包括中间段和直径渐变段，直径渐变段位于中间段的两端，径向轴向耦合磁轴承套装在直径渐变段的外部，并且径向轴向耦合磁轴承中磁极的内环面与直径渐变段的表面平行，并且径向轴向耦合磁轴承与直径渐变段之间存在间隙。
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Denomination of invention: Magnetic bearing system, control method and system based on radial axial coupling magnetic bearing

Effective date of registration: 20231115

Granted publication date: 20230707

Pledgee: CITIC Bank Limited by Share Ltd. Ji'nan branch

Pledgor: SHANDONG HUADONG FAN CO.,LTD.

Registration number: Y2023980065468