CN117307604A - 一种径轴向磁路无耦合三自由度混合磁轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种径轴向磁路无耦合三自由度混合磁轴承，包括径向定子铁心、隔磁环、轴向定子铁心、左右永磁环、左右L铁心、转轴、转子铁心、轴向悬浮绕组、径向悬浮绕组。隔磁环连接径向定子铁心和轴向定子铁心，轴向悬浮绕组设置在轴向定子铁心内侧，两侧永磁环连接左右L铁心，径向定子铁心内侧间隔均布3个永磁极和3个悬浮极，悬浮极上绕制径向悬浮绕组，六个极与转子铁心之间有径向工作气隙，轴向定子铁心与转子铁心间有轴向工作气隙，左右L铁心与转子铁心间有轴向气隙。该磁轴承解决了传统磁轴承共用偏置磁通导致径向和轴向悬浮力耦合且制约的技术难题，可独立设计径向和轴向悬浮力，轴向控制磁路短，功耗低，控制简单，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及磁悬浮轴承技术领域，具体涉及一种径轴向磁路无耦合三自由度混合磁轴承。
背景技术
混合磁悬浮轴承，也称永磁和电磁混合的磁悬浮轴承，其机械结构包含了永磁体和控制线圈，永磁体用于提供静态偏置磁通，当转子受到外界扰动或负载时，由控制线圈产生使转子回到平衡位置所需的控制磁通，进而产生了将转子拉回平衡位置的悬浮力，其具备了被动磁悬浮轴承提供静态悬浮力和主动磁悬浮轴承受到扰动时产生主动控制力的优点。
混合磁轴承按照所控制的自由度可分为单自由度混合磁轴承(轴向磁轴承)、二自由度混合磁轴承(径向磁轴承)和三自由度混合磁轴承(径向-轴向磁轴承)。特别是三自由度混合磁轴承是将单自由度混合磁轴承与径向磁轴承的功能集成在一起，提高了悬浮力密度，采用三自由度混合磁轴承支承电机转子，可有效提高电机的转矩密度，提高电机临界转速，应用前景广阔。
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”，其技术特征是采用一个径向磁化永磁环产生偏置磁通，该偏置磁通同时经过径向和轴向工作气隙，导致必须同时协调设计径向和轴向参数，尤其是轴向和径向最大悬浮力之间存在固定的比例约束关系，且在实际控制时，轴向和径向气隙变化，会对径向和轴向悬浮力产生影响，即轴向和径向悬浮力存在严重耦合；此外，转子铁心都是为圆柱形，即径向铁心和转子铁心等宽，而轴向定子铁心位于转子铁心外侧，轴向控制磁路较长，轴向控制电流大，功耗高。为解决上述技术难题，本发明提出一种径向和轴向悬浮力可以独立设计的三自由度混合磁轴承。
发明内容
针对背景技术中指出的问题，本发明提出一种径轴向磁路无耦合三自由度混合磁轴承，径向和轴向不共用磁路，径向和轴向最大悬浮力可以独立设计，轴向与径向悬浮力无耦合，轴向控制功耗低，还具有控制简单，易于实现的优点。
技术方案：本发明公开一种径轴向磁路无耦合三自由度混合磁轴承，包括定子和位于定子内部的转子，定子包括轴向定子铁心、通过隔磁环与轴向定子铁心相连接的径向定子铁心、轴向悬浮绕组，径向定子铁心内圆周间隔均匀设置有3个悬浮极和3个永磁极，所述3个悬浮极上绕有径向控制绕组，所述3个永磁极嵌有永磁体，在轴向定子铁心外侧通过两个永磁环分别连接两个L形铁心；转子包括转子铁心和转轴；所述转子铁心与径向定子铁心位置相对形成径向工作气隙，与轴向定子铁心形成一对轴向工作气隙，与所述L铁心形成一对轴向气隙。
进一步地，所述转子铁心中间轴向长度小于两端外侧轴向长度，轴向定子铁心与L铁心插入到转子铁心内。
进一步地，左右两个永磁环与轴承定子铁心连接的一侧极性相同。
进一步地，径向和轴向的偏置磁通、悬浮磁通相互独立，不共用磁路；左右两个永磁环各自产生轴向偏置磁通，其在各自一侧的轴向定子铁心、L形铁心、轴向工作气隙，轴向气隙之间形成闭合路径；轴向悬浮绕组通电产生轴向悬浮磁通，在轴向定子铁心与轴向工作气隙之间形成闭合路径；永磁体产生径向偏置磁通，在径向定子铁心、悬浮极、永磁极、径向工作气隙，转子铁心间形成闭合路径；径向悬浮绕组通电产生径向悬浮磁通，在径向定子铁心、悬浮极、径向工作气隙，转子铁心间形成闭合路径。
进一步地，所述隔磁环材料为铝，所述径向定子铁心由硅钢片叠压而成；轴向定子铁心、转子铁心均采用导磁性能好的实心材料制成。
进一步地，轴向参数和径向参数分别独立设计，两者间无任何关系；
参数定义如下：轴向定子铁心与转子铁心所对应的面积为S1，两者间的气隙长度为g1，L形铁心与转子铁心所对应的面积为S2，两者间的气隙长度为g2；永磁极、悬浮极与转子铁心所对应的面积为S3，两者间的气隙长度为g3；选择铁心材料、永磁材料，确定各气隙饱和磁密值为Bs；
步骤一：确定S1，S2，S3；
根据给定的最大径向和轴向悬浮力Frmax、Fzmax根据公式计算出所需径向磁极的面积：S2＝0.5S1；/>其中，真空磁导率μ0；
步骤二：永磁体磁动势Fm确定
转子处于平衡位置时，轴向工作气隙中的磁通由左右两个永磁环提供，且磁通产生的径向气隙磁密达到0.5Bs，求出所需永磁体磁动势为：
步骤三：计算径向和轴向悬浮绕组安匝数NrIr与NzIz：
本发明和现有技术相比有以下优点：
本发明有效解决了传统三自由度混合磁轴承共用偏置磁通，径向和轴向悬浮力存在严重耦合与制约的技术难题，提供了一种径向和轴向不共用磁路，径向和轴向最大悬浮力可以独立设计，轴向与径向悬浮力无耦合，轴向控制功耗低的新型三自由度混合磁轴承，还具有控制简单，易于实现的优点。
附图说明
图1为本发明径轴向磁路无耦合三自由度混合磁轴承轴向剖分结构图；
图2是本发明径轴向磁路无耦合三自由度混合磁轴承轴向的偏置磁路图；
图3是本发明径轴向磁路无耦合三自由度混合磁轴承径向剖分图；
图4是本发明径轴向磁路无耦合三自由度混合磁轴承径向的偏置磁路图。
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所示的一种径轴向磁路无耦合三自由度混合磁轴承，包括定子和位于定子内部的转子，定子包括轴向定子铁心1、通过隔磁环2与轴向定子铁心1相连接的径向定子铁心3、轴向悬浮绕组4，径向定子铁心3内圆周间隔均匀设置有3个悬浮极6和3个永磁极8，3个悬浮极6上均布绕有径向控制绕组5，3个永磁极8上嵌有永磁体7，在轴向定子铁心1外侧通过两个永磁环9，10分别连接两个L形铁心11，12；转子包括转子铁心13和转轴14；转子铁心13与径向定子铁心3位置相对形成径向工作气隙15，与轴向定子铁心1形成一对轴向工作气隙16，17，与两个L铁心11，12形成一对轴向气隙18，19。转子铁心13中间部分轴向长度较短，而外侧两端的轴向长度较长，其剖面呈工字型，轴向定子铁心1与两个L铁心11，12插入到转子铁心13内。左右两个永磁环9，10与轴承定子铁心1连接的一侧极性相同。
如图2、4所示的轴向和轴径向的偏置磁通、悬浮磁通相互独立，不共用磁路。即左右两个永磁环9，10产生两个轴向偏置磁通21，22，其在各自一侧的轴向定子铁心1、L形铁心11，12、轴向工作气隙16，17，轴向气隙18，19之间形成闭合路径。轴向悬浮绕组4通电产生轴向悬浮磁通22，在轴向定子铁心1与轴向工作气隙16，17之间形成闭合路径。径向偏置磁通24由永磁体7产生，在径向定子铁心3、悬浮极6、永磁极8、径向工作气隙15，转子铁心13间形成闭合路径。径向悬浮磁通23由径向悬浮绕组5通电产生，在径向定子铁心3、悬浮极6、径向工作气隙15，转子铁心13间形成闭合路径。
隔磁环2材料为铝，径向定子铁心3由硅钢片叠压而成。轴向定子铁心1、转子铁心13均采用导磁性能好的实心材料制成。
上述的三自由度混合磁轴承的设计方法如下：轴向参数和径向参数分别独立设计，两者间无任何关系。
参数定义如下：轴向定子铁心1与转子铁心13所对应的面积为S1，两者间的气隙长度为g1，L形铁心11，12与转子铁心所对应的面积为S2，两者间的气隙长度为g2；永磁极8、悬浮极6与转子铁心13所对应的面积为S3，两者间的气隙长度为g3。
径轴向磁路无耦合三自由度混合磁轴承的参数设计方法如下：
选择铁心材料，永磁材料，确定各气隙饱和磁密值为Bs；
步骤一：确定S1，S2，S3；
根据给定的最大径向和轴向悬浮力Frmax、Fzmax根据公式计算出所需径向磁极的面积：
S2＝0.5S1；/>其中，真空磁导率μ0。
步骤二：永磁体磁动势Fm确定
转子处于平衡位置时，轴向气隙16、17中的磁通由永磁环9，10提供，且该磁通产生的径向气隙磁密达到0.5Bs，求出所需永磁体磁动势为：
步骤三：计算径向和轴向悬浮绕组安匝数NrIr与NzIz；
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)
1.一种径轴向磁路无耦合三自由度混合磁轴承，其特征在于：包括定子和位于定子内部的转子，定子包括轴向定子铁心(1)、通过隔磁环(2)与轴向定子铁心(1)相连接的径向定子铁心(3)、轴向悬浮绕组(4)，径向定子铁心(3)内圆周间隔均匀设置有3个悬浮极(6)和3个永磁极(8)，所述3个悬浮极(6)上绕有径向控制绕组(5)，所述3个永磁极(8)嵌有永磁体(7)，在轴向定子铁心(1)外侧通过两个永磁环(9，10)分别连接两个L形铁心(11，12)；转子包括转子铁心(13)和转轴(14)；所述转子铁心(13)与径向定子铁心(3)位置相对形成径向工作气隙(15)，与轴向定子铁心(1)形成一对轴向工作气隙(16，17)，与所述L铁心(11，12)形成一对轴向气隙(18，19)。
2.根据权利要求1所述的一种径轴向磁路无耦合三自由度混合磁轴承，其特征在于：所述转子铁心(13)中间轴向长度小于两端外侧轴向长度，轴向定子铁心(1)与L铁心(11，12)插入到转子铁心(13)内。
3.根据权利要求1所述的一种径轴向磁路无耦合三自由度混合磁轴承，其特征在于：左右两个永磁环(9，10)与轴承定子铁心(1)连接的一侧极性相同。
4.根据权利要求1所述的一种径轴向磁路无耦合三自由度混合磁轴承，其特征在于：径向和轴向的偏置磁通、悬浮磁通相互独立，不共用磁路；左右两个永磁环(9，10)各自产生轴向偏置磁通(21，22)，其在各自一侧的轴向定子铁心(1)、L形铁心(11，12)、轴向工作气隙(16，17)，轴向气隙(18，19)之间形成闭合路径；轴向悬浮绕组(4)通电产生轴向悬浮磁通(22)，在轴向定子铁心(1)与轴向工作气隙(16，17)之间形成闭合路径；永磁体(7)产生径向偏置磁通(24)，在径向定子铁心(3)、悬浮极(6)、永磁极(8)、径向工作气隙(15)，转子铁心(13)间形成闭合路径；径向悬浮绕组(5)通电产生径向悬浮磁通(23)，在径向定子铁心(3)、悬浮极(6)、径向工作气隙(15)，转子铁心(13)间形成闭合路径。
5.根据权利要求1所述的一种径轴向磁路无耦合三自由度混合磁轴承，其特征在于：所述隔磁环(2)材料为铝，所述径向定子铁心(3)由硅钢片叠压而成；轴向定子铁心(1)、转子铁心(13)均采用导磁性能好的实心材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种径轴向磁路无耦合三自由度混合磁轴承，其特征在于：轴向参数和径向参数分别独立设计，两者间无任何关系；
参数定义如下：轴向定子铁心(1)与转子铁心(13)所对应的面积为S1，两者间的气隙长度为g1，L形铁心(11，12)与转子铁心所对应的面积为S2，两者间的气隙长度为g2；永磁极(8)、悬浮极(6)与转子铁心(13)所对应的面积为S3，两者间的气隙长度为g3；选择铁心材料、永磁材料，确定各气隙饱和磁密值为Bs；
步骤一：确定S1，S2，S3；
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