CN117145865A - 一种新结构五自由度集成化混合磁轴承 - Google Patents

一种新结构五自由度集成化混合磁轴承 Download PDF

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Abstract

本发明公开了本发明公开一种新结构五自由度集成化混合磁轴承，解决了传统五自由度集成化混合磁轴承中径向和轴向共用偏置磁通、轴向和径向参数相互制约的技术难题。该混合磁轴承用隔磁环将转子铁心分为径向和轴向两部分，两个径向定子铁心、六个永磁块与转子铁心径向部分形成径向磁路；轴向定子铁心、两个环形永磁体、两个L形铁心与转子铁心轴向部分形成轴向磁路。本发明提供的一种新结构五自由度集成化混合磁轴承，具有轴向和径向磁路无耦合，径向和轴向参数之间无关联，轴向磁路短，转子惯性小，重量轻，响应速度快，控制简单，易于实现，漏磁小，功耗低。

Description

一种新结构五自由度集成化混合磁轴承
技术领域
本发明涉及磁悬浮轴承技术领域，具体涉及一种新结构五自由度集成化混合磁轴承。
背景技术
磁轴承电机要实现转子的稳定悬浮,需在五个自由度上施加约束,需由磁悬浮轴承来实现。磁悬浮轴承属于非接触性轴承,利用磁场力将转子无接触地悬浮于空间,集机械学、转子动力学、控制理论、电磁学等技术于一体的新型机电一体化高性能轴承。与普通轴承相比,磁轴承具有无摩擦、无磨损、不需润滑和密封、高速度、高精度、寿命长、轴承刚度和阻尼可调节等一系列优良品质,因而受到了工程界的广泛重视,是机械、电气控制等领域的前沿课题之一。
混合磁轴承是指采用永磁体提供偏置磁通，控制绕组通电产生控制磁通，两个磁通相互叠加，导致混合磁轴承转子一侧气隙磁场增强，而相反方向磁场减弱，产生指向磁场增强方向的径向力，实现转子稳定悬浮的磁轴承。目前，混合磁轴承在各种高性能传动系统中得到广泛应用，而要实现转子稳定悬浮，需采用两个径向混合磁轴承与一个轴向混合磁轴承共同支承转子五自由度悬浮，导致轴向长度太长、临界转速低。因此，为解决上述问题，国内外学者研究出多种在一个单元内实现转子五自由度稳定悬浮的集成化混合磁轴承，即将轴向和径向悬浮功能集成在一起，由共同的永磁体产生径向和轴向偏置磁通，该偏置磁通同时经过轴向和径向气隙，导致径向和轴向多个参数之间存在比例约束关系，同时要实现转子悬浮性能，必须采用复杂的解耦控制策略，控制系统造价高，计算量大。
发明内容
本发明提出一种新结构五自由度集成化混合磁轴承，轴向与径向磁通没有任何关联，其径向与轴向参数设计独立，轴向磁路短，控制更简单，易于实现，功耗低的五自由度集成化混合磁轴承。
本发明通过以下技术方案实现：
一种新结构五自由度集成化混合磁轴承，包括定子和转子，所述定子包括轴向定子铁心、两个径向定子铁心、左右L铁心和左右环形永磁体，所述两个径向定子铁心对称安装在轴向定子铁心内部，左右L铁心和左右环形永磁体分别对称安装在轴向定子铁心的外侧，轴向定子铁心内侧绕有对称的轴向控制线圈；所述径向定子铁心内圆周均匀分布3个控制磁极和3个偏置磁极，控制磁极上绕制径向控制线圈，偏置磁极中设有永磁体；所述转子设置在定子内部，由内到外分别为转轴、转子轴向铁心、隔磁环与一对转子径向铁心；所述隔磁环嵌在转子轴向铁心与一对转子径向铁心之间，转子轴向铁心轴向宽度小于比隔磁环轴向宽度，一对转子径向铁心与两个径向定子铁心相对且等宽，并与之存在径向气隙，轴向定子铁心内侧与左右L铁心深入到转子内部，并与转子轴向铁心分别存在上轴向气隙和下轴向气隙。
进一步地，左环形永磁体、右环形永磁体与轴向定子铁心连接面的极性相同。
进一步地，所述永磁体产生径向偏置磁通，径向偏置磁通在控制磁极、偏置磁极、径向气隙、转子径向铁心间形成闭合路径；所述左右环形永磁体产生轴向偏置磁通，轴向偏置磁通在轴向定子铁心、左右L铁心、转子轴向铁心、上轴向气隙和下轴向气隙间形成闭合路径。
进一步地，轴向控制线圈同向串联为轴向悬浮绕组，并有直流开关功放驱动，产生轴向控制磁通，在轴向定子铁心、上轴向气隙和转子轴向铁心间形成闭合路径；径向控制线圈分别为星型连接，并由两个三相逆变器驱动产生径向控制磁通，在三个控制磁极、径向气隙、转子径向铁心间形成闭合路径。
进一步地，所述左右环形永磁体与所述永磁体材料为稀土永磁材料，所述隔磁环材料为铝，所述两个径向定子铁心、转子径向铁心由硅钢片叠压而成；转子轴向铁心、轴向定子铁心、左右L铁心采用导磁材料整体加工而成，转轴为非导磁材料制成。
进一步地，新结构五自由度集成化混合磁轴承的轴向参数与径向参数设计无关联，径向和轴向参数设计方法是分别根据Fzmax与Frmax独立计算，具体步骤如下：
进行轴向参数计算
第一步：根据轴向最大悬浮力需求Fzmax，计算上轴向面积S1与下轴向面积S2：S2＝0.5S1；Bs为气隙饱和磁密，μ0为真空磁导率；
第二步：设计永磁环磁动势Fzm：根据永磁环磁动势确定永磁体长宽参数；
第三步：确定轴向控制绕组安匝数NzIz：
进行径向参数计算
第四步：根据轴向最大悬浮力需求Frmax，设磁极数为6，计算径向控制磁极面积Src与偏置磁极面积Srp，一般取两者面积相等：
第五步：设计永磁体磁动势Frm：根据永磁体磁动势确定左右环形永磁体(6，7)长宽参数；
第六步：确定径向控制绕组安匝数NrIr：
本发明和现有技术相比有以下优点：
一、轴向和径向参数实现独立设计，两者之间无关，因此，只需分别给出径向和轴向最大悬浮力顺序设计出径向和轴向参数即可，两个部分之间的设计无关联；
二、轴向磁路与径向磁路无关，悬浮力产生无耦合，轴向和径向磁极面积、轴向和径向最大悬浮力间无制约关系，控制简单，易于实现；
三、转子轴向铁心可以做的很短，轴向控制磁路短，漏磁小，功耗低。
附图说明
图1为一种新结构五自由度集成化混合磁轴承轴向剖分图；
图2为一种新结构五自由度集成化混合磁轴承轴向磁路图；
图3为一种新结构五自由度集成化混合磁轴承径向剖分图；
图4为一种新结构五自由度集成化混合磁轴承径向磁路图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明通过以下技术方案实现：
如图1所示的一种新结构五自由度集成化混合磁轴承，包括定子和转子，定子包括轴向定子铁心1、两个径向定子铁心2，3、左右L铁心4，5和左右环形永磁体6，7，两个径向定子铁心2，3对称安装在轴向定子铁心1内部，左右L铁心4，5和左右环形永磁体6，7分别对称安装在轴向定子铁心1的外侧，轴向定子铁心1内侧绕有对称的轴向控制线圈8，9；径向定子铁心2，3内圆周均匀分布3个控制磁极10，11和3个偏置磁极12，13，控制磁极10，11上绕制径向控制线圈14，15，偏置磁极12，13中设有永磁体16，17。
转子设置在定子内部，由内到外分别为转轴18、转子轴向铁心19、隔磁环20与转子径向铁心21、22。隔磁环20嵌在转子轴向铁心19与一对转子径向铁心21、22之间，转子轴向铁心19轴向宽度小于比隔磁环20轴向宽度，转子径向铁心21、22与两个径向定子铁心2，3相对且等宽，并与之存在径向气隙23，24，轴向定子铁心1内侧与左右L铁心4，5深入到转子内部，并于转子轴向铁心19分别存在上轴向气隙25，26和下轴向气隙27，28。左环形永磁体6、右环形永磁体7轴向定子铁心1连接面的极性相同。该磁轴承的设计可以实现径向和轴向部分参数无关，轴向和径向悬浮力无耦合，解决了传统混合磁轴承中存在径向和轴向参数相互制约，轴向和径向悬浮力耦合，控制复杂与功耗大的系列问题。
左右环形永磁体6、7与永磁体16、17材料均为稀土永磁材料，隔磁环20材料为铝，两个径向定子铁心2，3、转子径向铁心21、22由硅钢片叠压而成；转子轴向铁心19、轴向定子铁心1、左右L铁心4，5采用导磁材料整体加工而成，转轴18为非导磁材料制成。
左右环形永磁体6，7、轴向定子铁心1、左右L铁心4，5、转子轴向铁心19构成轴向部分，作为轴向部分的控制磁路和偏置磁路，其偏置磁路：左右环形永磁体6，7产生轴向偏置磁通31，32，轴向偏置磁通31，32在轴向定子铁心1、左右L铁心4，5、转子轴向铁心19、上轴向气隙25，26和下轴向气隙27，28间形成闭合路径。控制磁路：轴向控制线圈8，9同向串联为轴向悬浮绕组，并有直流开关功放驱动，产生轴向控制磁通33，在轴向定子铁心1、上轴向气隙25，26和转子轴向铁心19间形成闭合路径；其轴向参数设计如下：
第一步：根据轴向最大悬浮力需求Fzmax，计算上轴向面积S1与下轴向面积S2：S2＝0.5S1；Bs为气隙饱和磁密，μ0为真空磁导率。
第二步：设计永磁环磁动势Fzm：
第三步：确定轴向控制绕组安匝数NzIz：
永磁体16，17、控制磁极10，11、偏置磁极12，13、转子径向铁心21、22构成径向部分，作为径向控制与偏置磁路，其偏置磁路：永磁体16，17产生径向偏置磁通29、30，径向偏置磁通29、30在控制磁极10，11、偏置磁极12，13、径向气隙23，24、转子径向铁心21、22；控制磁路：径向控制线圈14，15分别为星型连接，并由两个三相逆变器驱动产生径向控制磁通34、35，在三个控制磁极10，11、径向气隙23，24、转子径向铁心21、22间形成闭合路径。其径向参数设计如下：
第一步：根据轴向最大悬浮力需求Frmax，设磁极数为6，计算径向控制磁极面积Src与偏置磁极面积Srp，一般取两者面积相等。
Bs为气隙饱和磁密，μ0为真空磁导率。
第二步：设计永磁体磁动势Frm
第三步：确定径向控制绕组安匝数NrIr。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种新结构五自由度集成化混合磁轴承，其特征在于：包括定子和转子，所述定子包括轴向定子铁心(1)、两个径向定子铁心(2，3)、左右L铁心(4，5)和左右环形永磁体(6，7)，所述两个径向定子铁心(2，3)对称安装在轴向定子铁心(1)内部，左右L铁心(4，5)和左右环形永磁体(6，7)分别对称安装在轴向定子铁心(1)的外侧，轴向定子铁心(1)内侧绕有对称的轴向控制线圈(8，9)；所述径向定子铁心(2，3)内圆周均匀分布3个控制磁极(10，11)和3个偏置磁极(12，13)，控制磁极(10，11)上绕制径向控制线圈(14，15)，偏置磁极(12，13)中设有永磁体(16，17)；所述转子设置在定子内部，由内到外分别为转轴(18)、转子轴向铁心(19)、隔磁环(20)与一对转子径向铁心(21、22)；所述隔磁环(20)嵌在转子轴向铁心(19)与一对转子径向铁心(21、22)之间，转子轴向铁心(19)轴向宽度小于比隔磁环(20)轴向宽度，一对转子径向铁心(21、22)与两个径向定子铁心(2，3)相对且等宽，并与之存在径向气隙(23，24)，轴向定子铁心(1)内侧与左右L铁心(4，5)深入到转子内部，并与转子轴向铁心(19)分别存在上轴向气隙(25，26)和下轴向气隙(27，28)。
2.根据权利要求1所述的一种新结构五自由度集成化混合磁轴承，其特征在于：左环形永磁体(6)、右环形永磁体(7)与轴向定子铁心(1)连接面的极性相同。
3.根据权利要求1所述的一种新结构五自由度集成化混合磁轴承，其特征在于：所述永磁体(16，17)产生径向偏置磁通(29、30)，径向偏置磁通(29、30)在控制磁极(10，11)、偏置磁极(12，13)、径向气隙(23，24)、转子径向铁心(21、22)间形成闭合路径；所述左右环形永磁体(6，7)产生轴向偏置磁通(31，32)，轴向偏置磁通(31，32)在轴向定子铁心(1)、左右L铁心(4，5)、转子轴向铁心(19)、上轴向气隙(25，26)和下轴向气隙(27，28)间形成闭合路径。
4.根据权利要求1所述的一种新结构五自由度集成化混合磁轴承，其特征在于：轴向控制线圈(8，9)同向串联为轴向悬浮绕组，并有直流开关功放驱动，产生轴向控制磁通(33)，在轴向定子铁心(1)、上轴向气隙(25，26)和转子轴向铁心(19)间形成闭合路径；径向控制线圈(14，15)分别为星型连接，并由两个三相逆变器驱动产生径向控制磁通(34、35)，在三个控制磁极(10，11)、径向气隙(23，24)、转子径向铁心(21、22)间形成闭合路径。
5.根据权利要求1所述的一种新结构五自由度集成化混合磁轴承，其特征在于：所述左右环形永磁体(6，7)与所述永磁体(16、17)材料均为稀土永磁材料，所述隔磁环(20)材料为铝，所述两个径向定子铁心(2，3)、转子径向铁心(21、22)由硅钢片叠压而成；转子轴向铁心(19)、轴向定子铁心(1)、左右L铁心(4，5)采用导磁材料整体加工而成，转轴(18)为非导磁材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种新结构五自由度集成化混合磁轴承，其特征在于：新结构五自由度集成化混合磁轴承的轴向参数与径向参数设计无关联，径向和轴向参数设计方法是分别根据Fzmax与Frmax独立计算，具体步骤如下：
进行轴向参数计算
第一步：根据轴向最大悬浮力需求Fzmax，计算上轴向面积S1与下轴向面积S2：S2＝0.5S1；Bs为气隙饱和磁密，μ0为真空磁导率；
第二步：设计永磁环磁动势Fzm：根据永磁环磁动势确定永磁体(16、17)长宽参数；
第三步：确定轴向控制绕组安匝数NzIz：
进行径向参数计算
第四步：根据轴向最大悬浮力需求Frmax，设磁极数为6，计算径向控制磁极面积Src与偏置磁极面积Srp，一般取两者面积相等：
第五步：设计永磁体磁动势Frm：根据永磁体磁动势确定左右环形永磁体(6，7)长宽参数；
第六步：确定径向控制绕组安匝数NrIr：
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