CN208804115U - 一种逆变器驱动式外转子轴向-径向六极混合磁轴承 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种逆变器驱动式外转子轴向‑径向六极混合磁轴承，转子内左侧同轴心地套有径向定子，转子内右侧同轴套心地套有轴向定子，径向定子轭的外圆表面沿圆周均匀分布六个径向磁极，每个径向磁极上缠绕有一个径向控制线圈，轴向定子的轴向定子筒的顶端的外缘部位均向对面延伸一个圆环形的轴向磁极，轴向定子筒内部安装有轴向控制线圈，径向磁极和转子保持有气隙，轴向磁极和转子上的推力盘之间保持有气隙，永磁体固定镶嵌在所述径向定子轭和轴向定子筒之间，六个径向控制线圈两两串联，形成一套三相绕组，由三相逆变器驱动，相比于直流功放驱动，降低成本，减少功率损耗；本实用新型的六极结构的对称性减少径向两自由度之间耦合，减少悬浮力和电流的之间的非线性。

Description

一种逆变器驱动式外转子轴向-径向六极混合磁轴承

技术领域

本实用新型属于非机械接触磁轴承领域，尤其涉及一种逆变器驱动式外转子轴向-径向六极混合磁轴承。

背景技术

磁轴承利用磁场力实现转子悬浮，使得转子与定子之间无机械接触，从而具有无摩擦、无磨损、高速度、高精度、无需润滑、寿命长等一系列传统轴承无法比拟的优点。磁轴承按照悬浮力的产生方式可以分为主动式(悬浮力由线圈电流产生)、被动式(悬浮力由永磁体产生)和混合式(悬浮力由线圈电流和控制线圈共同产生)。其中，混合式利用永磁体提供偏置磁通，可以减少线圈匝数、减少功率损耗、缩小磁轴承体积，使得磁轴承结构更加紧凑。按照自由度数可以分为单自由度磁轴承(轴向磁轴承)、两自由度磁轴承(径向磁轴承)和三自由度磁轴承(轴向-径向磁轴承)。其中，三自由度磁轴承将径向磁轴承和轴向磁轴承组合，缩小整体轴向长度，有利于提高转子的临界转速。

中国专利公开号为CN201326646，名称为“一种异极性永磁偏置轴向径向磁轴承”的文献中提出一种双片八极磁轴承，该结构需要使用两个双极性或四个单极性直流功率放大器驱动，且体积大，成本高。为减少整体成本，降低开关损耗可采用一个三相逆变器来驱动磁轴承。中国专利公开号为CN1737388，名称为“三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承及其控制方法”的文献中提出径向采用三个极的结构，由三相逆变器驱动。由于三极结构的空间不对称性以及三相电流之和必须为零的特点，导致了磁极正方向的最大承载力大于磁极负方向的最大承载力，在设计磁轴承时为了满足最大承载力条件，必须增大磁轴承的体积。此外，不对称的结构增强了径向两自由度之间的耦合，增加了磁轴承悬浮力与电流之间的非线性。

实用新型内容

本实用新型根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种结构紧凑、低成本、低功耗且由三相逆变器驱动的轴向-径向六极混合磁轴承，六极布置的对称结构可以降低悬浮力的非线性和径向两自由度之间的耦合；紧凑的结构以减少磁轴承的轴向长度，增加转子的临界转速。

本实用新型所采用的技术方案如下：

一种逆变器驱动式外转子轴向-径向六极混合磁轴承，包括同轴设置的固定轴、转子、轴向定子、径向定子和永磁体，所述转子空套在固定轴上且内套轴向定子、径向定子和永磁体，所述轴向定子、径向定子和永磁体依次固定套在固定轴上；所述径向定子与转子具有径向气隙，所述径向定子包括径向定子轭与径向磁极，所述径向定子轭呈圆环状套装在固定轴上，由径向定子轭向外径向延伸出圆周方向均布的六个相同的径向磁极，所述径向磁极上分别绕有相同的径向控制线圈；所述轴向定子由轴向定子筒和2个轴向磁极构成，所述轴向定子筒套装在固定轴上，所述2个轴向磁极对称设置在定子筒上，且2个轴向磁极之间形成一个空腔，在空腔内沿着轴向定子筒内壁安装轴向控制线圈，两者之间留有一定的间隙；在所述转子正对2个轴向磁极所形成的间隙处设置推力盘，所述推力盘与左右轴向磁极留有轴向气隙，且轴向气隙大小相同。

进一步，所述永磁体呈圆环形，且永磁体采用稀土汝铁硼永磁材料，所述永磁体沿轴向充磁，与径向定子接触端为N极，与轴向定子接触端为S极。

进一步，所述六个相同的径向磁极中相对的两个径向磁极上的径向控制线圈缠绕方向相同且串联，所述径向控制线圈构成三相绕组，采用星型链接，由三相逆变器驱动。

进一步，所述转子和径向定子均由硅钢片叠压而成，径向控制线圈和轴向控制线圈采用标称直径为0.67mm的带漆绝缘铜线，轴向定子采用铁硅合金材料。

进一步，所述转子的轴向长度大于径向定子、永磁体、轴向定子三者的轴向总长度。

进一步，所述轴向气隙和径向气隙的间距大小可选为0.3-2mm，轴向定子筒到转子的径向距离应远大于轴向气隙和径向气隙的长度。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型采用混合式磁轴承，永磁体提供的偏置磁通产生静态悬浮力，径向控制线圈提供的控制磁通产生动态悬浮力，来克服外界的扰动力和负载，使得转子三自由度悬浮并处于平衡位置；这使得磁轴承线圈匝数减少、体积减少、结构紧凑、功耗降低、散热性能好；

2、采用轴向-径向三自由度结构，相比于二自由度径向磁轴承和单自由度轴向磁轴承的组合结构，在相同功率的情况下，大大缩小了轴向长度，提高转子的临界转速。

3、采用三相逆变器驱动，减少开关管数量，降低开关损耗和驱动成本；三相逆变器由DSP处理器进行控制，相比于传统磁轴承，简化了控制，降低了制造和运行成本；

4、采用对称的六极结构，优化了三极结构的不对称性引起的非线性，提高了悬浮力的力流特性的线性度，降低了径向两自由度之间的耦合，减少了控制难度。

附图说明

图1为本实用新型一种逆变器驱动式外转子轴向-径向六极混合磁轴承；

图2为图1中A-A剖视左视图；

图3为图2中轴向定子和轴向控制线圈的安装结构图；

图4为本实用新型的轴向磁路示意图；

图5为本实用新型的径向磁路示意图；

图中，1.转子，2.轴向定子，21、22.轴向磁极，23.轴向定子筒，211.轴向控制磁通；221.轴向控制线圈；3.径向定子，31.径向定子轭，311、312.径向控制磁通，321、322、323、324、325、326.径向磁极，41、42、43、44、45、46.控制线圈，5.轴向控制线圈，6.永磁体，61.偏置磁通，71、72.轴向气隙，8径向气隙，9推力盘，10.固定轴。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1、图2所示，一种逆变器驱动式外转子轴向-径向六极混合磁轴承，包括同轴设置的固定轴10、转子1、轴向定子2、径向定子3和永磁体6，转子1空套在固定轴10上且内套轴向定子2、径向定子3和永磁体6，磁体6呈圆环形，且永磁体6采用稀土汝铁硼永磁材料，永磁体6沿轴向充磁，与径向定子3接触端为N极，与轴向定子2接触端为S极所述轴向定子2、径向定子3和永磁体6依次固定套在固定轴10上；径向定子3与转子1具有径向气隙8。转子1和径向定子3均由硅钢片叠压而成，径向控制线圈和轴向控制线圈5采用标称直径为0.67mm的带漆绝缘铜线，轴向定子2采用铁硅合金材料。转子1的轴向长度大于径向定子3、永磁体6、轴向定子2三者的轴向总长度

如图5所示，径向定子3包括径向定子轭31与径向磁极，所述径向定子轭31呈圆环状套装在固定轴10上，由径向定子轭31向外径向延伸出圆周方向均布的六个相同的径向磁极321、322、323、324、325、326，径向磁极321、322、323、324、325、326上分别绕有相同的径向控制线圈41、42、43、44、45、46；六个相同的径向磁极321、322、323、324、325、326中相对的两个径向磁极上的径向控制线圈缠绕方向相同且串联，径向控制线圈41、42、43、44、45、46构成三相绕组，采用星型链接，由三相逆变器驱动。

如图2、3所示，轴向定子2由轴向定子筒23和2个轴向磁极22、23构成，轴向定子筒23套装在固定轴10上，2个轴向磁极22、23对称设置在定子筒23上，且2个轴向磁极22、23)间形成一个空腔，在空腔内沿着轴向定子筒23内壁安装轴向控制线圈5，两者之间留有一定的间隙，最好将轴向控制线圈5设置在中间与轴向定子筒23左右内壁都有间隙，便于散热；在转子1正对2个轴向磁极22、23所形成的间隙处设置推力盘9，所述推力盘9与左右轴向磁极21、22留有轴向气隙71、72，且轴向气隙71、72大小相同。

在本实施例中，轴向气隙71、72和径向气隙8的间距为0.3-2mm，轴向定子筒23到转子1的径向距离应远大于轴向气隙71、72和径向气隙8的长度。

为了更清楚的理解本实用新型的技术方案，下面结合本实用新型的工作过程作进一步解释：

如图4，在本实用新型所提出的轴承工作时，永磁体6产生的偏置磁通61由永磁体6的N极流入径向定子轭31，从径向定子轭31流入径向磁极321、322、323、324、325、326后经过径向气隙81后流入定子1，再由定子1进入推力盘9，由推力盘9流出后均匀分为两份分别通过轴向气隙71、72流入轴向磁极21、22，再由轴向磁极21、22流入轴向定子筒23，最后由轴向定子筒23流入永磁体S极，形成闭合回路。由于采用了永磁体6，减少了功率损耗。当轴向控制线圈5通入正向电流时，产生的轴向控制磁通211由轴向磁极21进入轴向气隙71，再由轴向气隙71进入推力盘9后进入轴向气隙72，由轴向气隙72流入轴向磁极22后流入轴向定子筒形成闭合回路。轴向控制磁通221在气隙71中和偏置磁通61方向相反，互相抵消。轴向控制磁通221在气隙72中和偏置磁通61方向相同，气隙中磁通增强，从而产生轴向磁极22方向的轴向悬浮力；当轴向控制线圈5通入负向电流时，产生的轴向控制磁通211由轴向磁极22进入轴向气隙72，再由轴向气隙72进入推力盘8后进入轴向气隙71，由轴向气隙71流入轴向磁极21后流入轴向定子筒形成闭合回路。轴向控制磁通221在气隙72中和偏置磁通62方向相反，互相抵消。轴向控制磁通221在气隙71中和偏置磁通61方向相同，气隙中磁通增强，从而产生轴向磁极21方向的轴向悬浮力。因此，通过控制轴向控制线圈5中的电流方向和大小，就可以控制轴向悬浮力的方向和大小。

如图5所示，偏置磁通61进入径向定子轭31后流入径向磁极321、322、323、324、325、326，由径向磁极321、322、323、324、325、326流入径向气隙81后进入转子1；当相对的磁极两个径向磁极321、324上的径向线圈41、44通入正向电流时，上端径向气隙81中的偏置磁通61和径向控制磁通311、312叠加，磁通增强，下端径向气隙81中的偏置磁通61和径向控制磁通311、312互相抵消，从而产生径向磁极321方向的径向悬浮力。当径向控制线圈通入相反的电流时，产生相反的径向悬浮力。同理在径向线圈42、45中通入电流可以产生径向磁极322或径向磁极325方向的径向悬浮力，在径向线圈43、46中通入电流可以产生径向磁极323或径向磁极326方向的径向悬浮力。因此，通过控制径向控制线圈中电流的大小和方向就可以得到各个方向大小不同的径向悬浮力。

以上实施例仅用于说明本实用新型的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，本实用新型的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本实用新型所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种逆变器驱动式外转子轴向-径向六极混合磁轴承,其特征在于，包括同轴设置的固定轴(10)、转子(1)、轴向定子(2)、径向定子(3)和永磁体(6)，所述转子(1)空套在固定轴(10)上且内套轴向定子(2)、径向定子(3)和永磁体(6)；所述轴向定子(2)、径向定子(3)和永磁体(6)依次固定套在固定轴(10)上；

所述径向定子(3)与转子(1)具有径向气隙(8)，所述径向定子(3)包括径向定子轭(31)与径向磁极，所述径向定子轭(31)呈圆环状套装在固定轴(10)上，由径向定子轭(31)向外径向延伸出圆周方向均布的六个相同的径向磁极，所述径向磁极上分别绕有相同的径向控制线圈；

所述轴向定子(2)由轴向定子筒(23)和2个轴向磁极构成，所述轴向定子筒(23)套装在固定轴(10)上，所述2个轴向磁极对称设置在定子筒(23)上，且2个轴向磁极之间形成一个空腔，在空腔内沿着轴向定子筒(23)内壁安装轴向控制线圈(5)，所述轴向控制线圈(5)与轴向定子筒(23)内壁之间留有间隙；所述转子(1)正对的2个轴向磁极之间的间隙处设置推力盘(9)，所述推力盘(9)与2个轴向磁极之间留有轴向气隙，且轴向气隙大小相同。

2.根据权利要求1所述的一种逆变器驱动式外转子轴向-径向六极混合磁轴承,其特征在于，所述永磁体(6)呈圆环形，且永磁体(6)采用稀土汝铁硼永磁材料。

3.根据权利要求1或2所述的一种逆变器驱动式外转子轴向-径向六极混合磁轴承,其特征在于，所述永磁体(6)沿轴向充磁，永磁体(6)与径向定子(3)接触端为N极，与轴向定子(2)接触端为S极。

4.根据权利要求1所述的一种逆变器驱动式外转子轴向-径向六极混合磁轴承,其特征在于，所述六个相同的径向磁极中相对的两个径向磁极上的径向控制线圈缠绕方向相同且串联，所述六个径向控制线圈构成三相绕组，采用星型链接，由三相逆变器驱动。

5.根据权利要求1所述的一种逆变器驱动式外转子轴向-径向六极混合磁轴承,其特征在于，所述转子(1)和径向定子(3)均由硅钢片叠压而成。

6.根据权利要求1所述的一种逆变器驱动式外转子轴向-径向六极混合磁轴承,其特征在于，所述径向控制线圈和轴向控制线圈(5)采用带漆绝缘铜线，所述带漆绝缘铜线标称直径为0.67mm。

7.根据权利要求1所述的一种逆变器驱动式外转子轴向-径向六极混合磁轴承,其特征在于，轴向定子(2)采用铁硅合金材料。

8.根据权利要求1所述的一种逆变器驱动式外转子轴向-径向六极混合磁轴承,其特征在于，所述轴向气隙和径向气隙(8)的间距大小为0.3-2mm，轴向定子筒(23)到转子(1)的径向距离大于轴向气隙和径向气隙(8)的长度。