CN202833649U - 磁浮轴承 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种磁浮轴承，其特征在于包括：多个电磁体，多个电磁体分散分布，一个三相旋转电流控制器对所述电磁体的线圈进行励磁。本实用新型的优势实际上是一个常规的、三相旋转电流控制器或将一个三相整流器用作为一个多相电流控制器。这些旋转电流控制器是一个用来进行发电机励磁的标准产品，这样的旋转电流控制器能够较好的控制成本。

Description

磁浮轴承

技术领域

本实用新型涉及一种径向主动磁轴承装置。

背景技术

径向主动磁轴承使用所谓的麦克斯韦力来保持旋转部分的悬浮无接触。麦克斯韦力是磁导体具有吸引力的原因，其位于磁场中。欧洲专利EP 0 612 928公开了一种用于转动装置的无触点轴颈的径向主动磁轴承。这样一个磁轴承包含三个互成120°的电磁体，这三个电磁体由分离式放大器提供电能。该磁轴承的缺点是需要分离式的功率放大器，要求特别匹配，因此相对昂贵。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了提供一个经济上更有利的主动磁轴承装置。

根据本实用新型的一种磁浮轴承，其特征在于包括：多个电磁体，多个电磁体分散分布；一个三相旋转电流控制器对所述电磁体的线圈进行励磁。

其中，所述多个电磁体为三个，三个电磁体在圆周方向上互成120°。

其中，所述多个电磁体为六个，六个电磁体在圆周方向上互成60°。

其中，所述电磁体为带三相绕组的旋转磁场电机定子。

较优地，还包括至少一个额外线圈或一个永磁铁来形成偏磁。

其中，所述电磁体上的线圈以星形或是三角形电路方式连接至旋转电流控制器。

本实用新型的优势实际上是一个常规的、三相旋转电流控制器或将一个三相整流器用作为一个多相电流控制器。这些旋转电流控制器是一个用来进行发电机励磁的标准产品，这样的旋转电流控制器能够较好的控制成本。

进一步的优势是一个常规的三相旋转电流控制器通常有个集成微控制器，其用于控制任务。将旋转电流控制器用作主动磁轴承的励磁装置，需要相应调整控制程序。因为信号处理可以由集成到旋转电流控制器的微控制器来解决，这样就节约了额外的信号处理装置的费用。

附图说明

关于本实用新型的优点与精神可以通过以下的实用新型详述及所附图式得到进一步的了解。

图1a为本实用新型带三个电磁体的磁轴承的侧面视图；

图1b为本实用新型带一个三相旋转电流控制器的电路，用于具有三个电磁体的磁轴承励磁；

图1c为本实用新型带六个电磁体的磁轴承的侧面视图；

图1d为本实用新型带一个三相旋转电流控制器的电路，用于具有六个电磁体的磁轴承励磁；

图2a为本实用新型带四个电磁体的磁轴承的侧面视图；

图2b为本实用新型带一个三相旋转电流控制器的电路，用于具有四个电磁体的磁轴承励磁；

图3为本实用新型用于磁轴承励磁的控制装置，该装置安装在旋转电流控制器中；

图4为本实用新型带四个线圈的磁轴承的实施例；

图5为本实用新型带四个线圈的磁轴承的另一个实施例；

图6为本实用新型将三个线圈的磁轴承设计为一个旋转电流绕组；

图6a为图6中轴承的横截面；

图7a为本实用新型磁轴承的另一个实施例；

图7b按照图7a用于磁轴承励磁的电路；

图8a,8b 为本实用新型轴承装置的示范性实例，此外该装置能够在轴向励磁；

图8c 为按照图8a用于磁轴承励磁的电路。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的具体实施例。

图1a 显示了径向主动磁轴承的侧视图。转子1设计为一个轴，由三个电磁体2u,2v,2w无触点支撑，为分离设计并在圆周方向上互成120°。电磁体2u,2v,2w分别有一线圈Lu,Lv,Lw来产生磁通Φ0, Φ2, Φ3，能及时变换。通过导电线3u,3v,3w每个线圈Lu,Lv,Lw连接到旋转电流源10。磁轴承需要偏磁，在本实施例中由三个线圈4u,4v,4w（其中为直流电）产生。在各线圈铁芯2u,2v,2w上线圈4u,4v,4w绕组在同一方向。在串联电路中线圈4u,4v,4w相互连接通过。进一步阐述轴承的水平X方向和垂直Y方向以及作用在轴1上的力Fx和Fy。单个电磁体2u,2v,2w在轴1的圆周方向上互成120°。

图1b显示了三相旋转电流控制器10与图1a上的径向主动磁轴承的线圈Lu,Lv,Lw相连。旋转电流控制器10用中间电路电压Uz来操作并有一个制冷装置Cz。旋转电流控制器10包含电源部分10a以及信号传输设备10b，其包含一个微控制器。在星形电路中三个线圈Lu,Lv,Lw相连接，其中线圈Lu,Lv,Lw通过旋转电流控制器10的电源部分10a上的导体3u,3v,3w提供三相电流iu,iv,iw。三个线圈Lu,Lv,Lw在三角电路中也可以连接到旋转电流控制器10。电源部分有三个桥架旁路，其中每个都连接到导体3u,3v,3w。在图示说明的实例中，三个线圈4u,4v,4w通过电流导体5串联到中间电流电压Uz产生偏磁，因此电流i0流通于所有线圈4u,4v,4w。

作用于转子1上的力Fx和Fy以及在线圈Lu,Lv,Lw上产生的电流iu,iv,iw之间的关系如下：

在下列等式中，K表示一个比例常数。

对于力F_x有一个公式：

另有

$F_x=k\sqrt{3}(i_u-1/2i_v-1/2i_w)---\left(I\right)$

对于力F_y有一个公式：

另有

$F_y=k\sqrt{3}(\sqrt{3/2}{i}_v-\sqrt{3/2}{i}_w)---\left(\mathrm{II}\right)$

对于一个三相旋转电流控制器10，辅助条件所有电流的总和为零。因此附加的关系即为：

i_u+_iv+i_w=0（III）

因此，当使用一个三相旋转电流控制器（等式III）来对主动磁轴承励磁，线圈Lu,Lv,Lw的电流iu,iv,iw以及作用于轴1上的力Fx,Fy之间的关系如下所示：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{iu}\\ \mathrm{iv}\\ \mathrm{iw}\end{array}\right]=\frac{2}{3\sqrt{3}k}\·\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \sqrt{3}/2\\ -\frac{1}{2}& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]---\left(\mathrm{IV}\right)$

从等式IV中可见，当使用一个常规的三相旋转电流控制器就可以控制作用在轴1上的力Fx和Fy。力Fx,Fy的两个组件互相垂直，因此用这两个组件可以在任何所需径向产生作用于轴1上的力。这样在磁轴承中通过直流磁通上旋转磁通的叠加形成总磁通，能产生作用于任何所需径向的力。在该等式中，电流iu,iv,iw之和为零，因此可以使用一个三相旋转电流控制器。

偏置电流i0抵消了等式I至IV并因此在校准电流iu,iv,iw时无需考虑。选择偏置电流i0这样该电流产生线圈铁芯2u,2v,2w的饱和磁通量密度的一半。

图3显示了一个三相旋转电流控制器10，其包含了一个三相电源部分10a和电子元件10b形成控制电路。旋转电流控制器10特别包括了一个可编程的微处理器，能使相应的软件来为各自所需的校准编程序。

图3中说明的一个旋转电流控制器10的示范性实例，有一个校准器来对FIGS.1a和1b中描绘的主动磁轴承励磁。偏置电流i0并不主要，所以未插图说明。磁轴承6的三个线圈Lu,Lv,Lw由电源部分10a来供电iu,iv,iw。分布在磁轴承6上的两个位置传感器15a,15b测量在X,Y轴上转子1的相应位置并形成相应位置信号Xist,Yist，补给到一个比测仪设备中。该比测仪设备检测预设值Xsoll,Ysoll和被测实际值Xist,Yist间的偏差并将偏差信号输入到位置校准器14a,14b，该设计为PID校准器。两个位置校准器14a,14b计算转子1上X,Y轴上的分力Fsollx,Fsolly，为了将实际值Xist,Yist符合预设值Xsoll,Ysoll。分力Fsollx,Fsolly补给到一个2/3相转换装置13，该装置计算所需电流值isollu,isollv运用等式IV。只预先调置了电源部分10a的两个预期电流值，因为第三个电流值已经由状态决定，所有电流之和为零。电流传感器16a,16b监控实际电流值iistu,iistv，与预期值isollu,isollv相比，误差值电流校准器12a,12b，该设计为PI校准器并通过电流控制器在上面产生电流iu,iv。这样能够用一个三相旋转电流控制器10以简单经济的方式来操作一个主动磁轴承。

图1c显示了一个径向主动磁轴承示范性实例的侧视图，类似于图1a的实例，有六个电磁体互成60°。可以从图1d的电路中发现线圈Lu,Lv,Lw是串联的并均由电流iu流经。同样适用于线圈Lw1,Lw2和线圈Lv1,Lv2，也是串联连接并且由电流iv或iw流经。线圈v1,4w2,4u1, 4v2,4w1和4u2通过电流导体5串联到中间电路电压Uz来偏磁，这样流经电流为i0。单独的电磁体中，其为分离的、U型的，会产生相应的暂时的可变磁通Φ1, Φ2, Φ3, Φ4, Φ5, Φ6。

图2a显示了一个四分离设计的电磁体2a,2b,2c,2d。每个电磁体有个带电导体3a,3b,3c,3d的线圈L1,L2,L3,L4（图2b中描绘到）连接到三相旋转电流控制器10。在这种情况下，两个线圈L1和L3串联连接并且电流为ix。线圈L2和L4也是串联的并且电流为iy。流经旋转电流控制器10的第三路电流的是电流总和ix+iy。这种排布使一个三相旋转控制器10对四个电磁体励磁，必需注意电流ix+iy的总和不超过旋转电流控制器10的最大允许电流。同样，图S.2a,2b的排布，由旋转电流控制器10上的控制装置10来控制，通过2/3相变换器变换出4个电磁体所需要的相应电流值ix和iy。在图2b的示范性实例中，线圈4a,4b,4c,4d的馈电产生了偏磁，不是通过旋转电流控制器10的中间电路电压Uz而是通过一个额外的非描述的励磁装置。

图4显示了带两个主动磁轴承6a,6b的磁轴承的示范性实例，该轴向隔开并均由一个三相旋转电流控制器10励磁。与之前描述的实例相比，轴承6a没有单独地配置的电磁体。轴承6a有一个贯穿的环形轴身24，四个线圈L1,L2,L3,L4铁芯轴向延伸。这样由线圈L1产生的磁通Φ0通过环形定子24、线圈L3、气隙20和转子1返回至线圈L1。通过金属外壳21，当形成单极轴承时两个轴承6a,6b相耦合。永磁40安装在外壳21里，在圆周方向上围绕着转子1并形成恒直流通量Φ0或单极磁通，该磁通通脱轴承6b，转子1，轴承6a和外壳21。外壳21上有个突出部分23来支撑传感器15a,15b。轴承6a,6b上的线圈L1,L2,L3,L4可连接到一个三相旋转电流控制器10，正如图2b中所描述的。两个所需的旋转电流控制器10由一个更高水平的驱动装置来驱动以操作图4中的整个单极轴承。

图5显示了一个单极轴承，该轴承与图4中的示范性实例的设计十分相似并且包含两个径向主动磁轴承6a,6b。直流i0流经的两个电磁体4位于永磁直流40上，通过导磁体21耦合到主体24上，该在环形形状上延伸因此恒直流通量Φ0或单极磁通上升。

图6显示了带两个径向主动磁轴承6a,6b的更深层的单极轴承，并相对于轴1保留轴向上的间距。两个轴承6a,6b设计为旋转磁场电机定子26并且三相绕组Lu,Lv,Lw相对应分布在外围。通过在轴向上围绕在轴1外的直流线圈4产生了恒直流通量Φ0，该通过通量导电环25与旋转磁场电机定子26耦合。三相绕组Lu,Lv,Lw在轴承6a,6b中形成磁通Φ。传感器15a,15b来检测转子1的位置。轴承6a,6b上的的三个线圈Lu,Lv,Lw连接到一个三相旋转电流控制器10，正如在图1b中所描述的。一个更高水平的驱动装置不仅控制旋转电流控制器10还有在线圈4中的直流i0。

图6a显示了一个通过图6的旋转磁场电机定子26的截面图。旋转磁场电机转子26有三根线圈Lu,Lv,Lw，往轴向延伸并在旋转磁场电机定子26的圆周方向。这些线圈Lu,Lv,Lw只是象征性地描述并且通常有个多元化的单独导体，该导体另外分布在旋转磁场电机定子26的圆周方向。线圈Lu,Lv,Lw在旋转磁场电机定子26并由三相旋转电流控制器10励磁，所以产生了一个两极磁场101，在旋转磁场电机定子26中径向延伸并沿着转子1的中点100旋转。这样线圈Lu,Lv,Lw能被励磁，要么产生旋转磁场101要么在零频率励磁下，产生静止磁场101，可以通过线圈Lu,Lv,Lw的励磁来预定静止磁场101的量级和方向。因此，在旋转电流控制器10的帮助下，磁场101向可预设的方向延伸并且在旋转磁场电机定子26中能生成可预设的量级，或在目前文件中其他磁轴承6中的一个。

图7a显示了一个径向主动磁轴承装置6的进一步示范性实例。转子1悬浮无触点，由6个分离的电磁体（线圈Lu1,Lu2,Lv1,Lv2,Lw1,Lw2）圆周方向上互成60°。每个齿形电磁体都额外有一个线圈4u1,4u2,4v1,4v2,4w1,4w2，该线圈通过电导体5串联、由直流电压源Uo励磁并且电流为直流i0。直流i0在轴承6中产生偏磁。图7b显示了线圈Lu1,Lu2,Lv1,Lv2,Lw1,Lw2连接至旋转电流控制器10的电源部分10a。线圈Lu1,Lu2;Lv1,Lv2;Lw1,Lw2是串联的，径向相对分布，这样在星形电路中一一串联在星形点P上。该串联同样能在三角形电路中一一相连。

正如图4至6中说明的，也可以用一个单独的旋转电流控制器10来操作单级轴承。轴承6a上的线圈L3和轴承6b上的线圈L3在相反意义上各自绕组在环形体24上。这两个线圈L3是串联连接的且电流相同。而线圈L1,L2和L4与线圈L3类似，因为线圈L1,L2,L4绕组在轴承6a 上。两个线圈L1、两个线圈L2和两个线圈L4是串联的。如图2b中说明的，这种布置能用线圈L1,L2,L3,L4（在图2b中说明）连接到旋转电流控制器10上，符合图4中线圈L1,L2,L3,L4串联。因此正如图4,5和6中说明的，可以用一个单旋转电流控制器10来操作单极轴承。也可以将分布在两个轴承6a,6b间的轴1设计得很短，以便两个轴承6a,6b相互邻近，只保持轻微的间距。

图8a,8b显示了一个主动磁轴承20，其能形成径向主动磁轴承装置的组成部分。轴1有一个圆片形部分1a，安置在两个电磁体19a,19b之间。电磁体19a,19b设计成圆形并与轴1保持一段径向间距。与线圈L1,L2,L3中的电流一致，产生了作用在圆片形部分1a上的磁力并轴向延伸。因此轴向轴承20可以控制轴1轴向的位置。在图8b示范性实例中，电磁体19a,19b都有个线圈L1,L2，线圈在轴1的圆周方向绕组。如图8c中所说明的，线圈L1,L2由一个三相旋转电流控制器10,10a励磁，通过导线3b电流i0+iz流向线圈L1，而电流i0-iz通过导线3b流向线圈L2。由旋转电流控制器10,10a来调整电流iz并且iz具有正或负值，所以能将轴1收到轴向轴承90产生的力移到轴向两端。在图8a的示范性实例中，电磁体19a有两个线圈L1,L5，其绕组在轴1的圆周方向延伸。恒定电流i0通过导线5流通于线圈L5，而可变电流ix通过导线3a流通于线圈L1中。同样电磁体19b有两个线圈L3,L6，线圈L6与线圈L5串联，所以也是恒定电流i0流经。线圈L3与线圈L1串联，因此也是由可变电流ix流经。该配置的优点符合图8，可见实际上通过线圈L1,L3,L5,L6的排布，两个轴向轴承可用一个单独的旋转电流控制器10来进行独立操作。如果轴向轴承20由电路励磁符合图2b，那么线圈L1,L3就如图2b中所说明的串联连接电流为ix。旋转电流控制器10能预设电流ix，所以轴向轴承20能被励磁。在旋转电流控制器10的第二电流路径iy中，其中输入线为3d引出线为3b，可操作第二轴向轴承20，该设计符合图8a的实例。旋转电流控制器10可以预设电流iy。能够独立预设电流ix和iy，因此两个轴向轴承20也可以用一个单独的旋转电流控制器10来励磁。这两个轴向轴承20要分布在两个不同的轴1。这样两个轴1的轴向位置能够用一个单独的旋转电流控制器10独立控制。

本说明书中所述的只是本实用新型的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对本实用新型的限制。凡本领域技术人员依本实用新型的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本实用新型的范围之内。

Claims (6)

1.一种磁浮轴承，其特征在于包括：多个电磁体，多个电磁体分散分布；一个三相旋转电流控制器对所述电磁体的线圈进行励磁。

2.如权利要求1所述的磁浮轴承，其特征在于所述多个电磁体为三个，三个电磁体在圆周方向上互成120°。

3.如权利要求1所述的磁浮轴承，其特征在于所述多个电磁体为六个，六个电磁体在圆周方向上互成60°。

4.如权利要求1所述磁浮轴承，其特征在于所述电磁体为带三相绕组的旋转磁场电机定子。

5.如权利要求1-4之一所述的磁浮轴承，其特征在于还包括至少一个额外线圈或一个永磁铁来形成偏磁。

6.如权利要求5所述的磁浮轴承，其特征在于所述电磁体上的线圈以星形或是三角形电路方式连接至旋转电流控制器。

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