径向四极二相交流驱动的径向-轴向混合磁轴承

摘要

本发明公开了一种径向四极二相交流驱动的径向-轴向混合磁轴承，永磁体为圆环型且径向充磁，镶嵌在轴向定子内侧的圆环型凹槽中，与径向四极定子外侧紧密相连，同时提供径向和轴向偏磁磁通；轴向定子采用2片×4极的双片式八极径向-轴向双磁极面结构；径向定子的四极沿圆周均匀分布，置于轴向相对的轴向定子磁极之间；转子由圆环形硅钢片叠压套装在转轴上，与轴向定子形成轴向气隙，与径向定子和轴向定子均形成径向气隙；轴向相对的轴向控制线圈串联通电产生轴向控制磁通；每个径向控制线圈绕在轴向相对的2个轴向定子磁极外圈上，通电后产生径向控制磁通，减小了功放的体积，降低了功放的成本，简化了驱动控制方法，提高了磁轴承的工作效率。

权利要求

1.一种径向四极二相交流驱动的径向-轴向混合磁轴承，包括与四极径向定子(1)靠近的永磁体(9)、径向控制线圈(2)、绕在轴向定子(3)上的轴向控制线圈(8)、转子(6)套在转轴(7)上，其特征在于：永磁体(9)为圆环型且径向充磁，采用稀土材料钕铁硼制成，镶嵌在轴向定子(3)内侧的圆环型凹槽中，与四极径向定子(1)外侧紧密相连，同时提供径向和轴向偏磁磁通；所述径向定子(1)的四极沿圆周均匀分布，每个径向定子(1)磁极都分别置于轴向相对的2个轴向定子(3)磁极之间；转子(6)由圆环形硅钢片叠压套装在转轴(7)上，与轴向定子(3)形成轴向气隙(4)，与所述径向定子(1)和轴向定子(3)均形成径向气隙(5)；轴向相对的轴向定子(3)磁极上的轴向控制线圈(8)串联，通电后产生轴向控制磁通；每个径向控制线圈(2)绕在轴向相对的2个轴向定子(3)外圈上，通电后产生径向控制磁通。

2.根据权利要求1所述径向四极二相交流驱动的径向-轴向混合磁轴承，其特征在于：

轴向定子(3)采用2片×4极的双片式八极结构，四极径向定子(1)左右两侧的每片轴向定子(3)由4个沿圆周均匀分布的径向-轴向双磁极面铁芯组成，每极有径向-轴向双磁极面。

3.根据权利要求1所述径向四极二相交流驱动的径向-轴向混合磁轴承，其特征在于：

径向控制线圈(2)采用一个二相交流逆变器进行驱动控制。

说明书

径向四极二相交流驱动的径向-轴向混合磁轴承

技术领域

[0001] 本发明属于机电气传动设备的技术领域，是一种没有任何机械接触的磁轴承领域，特指一种新型径向四极二相交流驱动的径向-轴向混合磁轴承，适用于各类旋转机械的三自由度悬浮支承，可作为五自由度磁悬浮高速机床电主轴系统等机械设备中旋转部件的无接触悬浮支承。

背景技术

[0002] 随着二十世纪七十年代磁轴承技术的迅速发展，国内外的磁轴承研究人员着重研究了主动型轴向单自由度和径向二自由度磁轴承，在磁轴承控制方法上主要采用直流信号同时提供静态偏磁磁通与控制磁通。任何一个稳定的旋转系统转子均需要在其五自由度上施加约束，故通常均是采用1个轴向单自由度磁轴承和2个二自由度径向磁轴承来构成五自由度悬浮支承系统。一方面，径向二自由度磁轴承及轴向单自由度磁轴承均要占用较大的轴向空间，导致磁轴承支承的电机主轴轴向长度较长，体积较大；同时转子临界转速下降，电机或各类旋转主轴向更高转速和功率发展受到限制；另一方面，采用直流控制，直流功率放大器价格高，体积大，一个径向磁轴承通常需要四路单极性(或两路双极性)功率放大电路，从而直接导致了磁轴承体积大，成本高，大大限制了其应用领域，特别是在航空航天及军事应用领域。

[0003] 因此，研究人员开始致力于对以上两个方面进行改进优化。在2000年第七届国际磁轴承会议上，瑞士苏黎士联邦工学院(ETH)的Redemann.C发表了关于30kW无轴承密封泵应用测试报告，研究了二自由度的三相交流混合磁轴承，该磁轴承直接采用工业上通用的三相逆变器提供控制电流，并采用永磁体提供静态偏磁磁场，大大减小了其功率放大器体积、降低了损耗，但还是要与一轴向主动磁轴承才能实现三自由度的悬浮支承，依然没能在整体系统轴向结构紧凑方面、转子临界转速提高及磁轴承承载力提高方面取得进步。

[0004] 国内现有的相关专利申请情况检索有：(1)一种低功耗永磁偏置外转子径向磁轴承(专利公开号：CN1644940)；(2)永磁偏置径向磁轴承(专利公开号：CN1693726)；(3)一种永磁偏置外转子径向磁轴承(专利公开号；CN1730960)；(4)三自由度交直流径向一轴向混合磁轴承及其控制方法(专利公开号：CN1737388)；(5)一种永磁偏磁轴向混合磁轴承(专利公开号：CN101025198)；(6)三自由度交流混合磁轴承(专利公开号：CN101038011)。

[0005] 上述专利1所提出的磁轴承在形式上采用双面式八极结构来控制径向二个自由度，并采用8个径向激磁线圈且径向采用直流功放驱动控制，缺陷是线圈的机械结构体积较大、功率损耗高。专利2提出的是径向采用两对极，相对的2个齿上的绕组相串联控制径向二自由度，缺陷是磁轴承的承载力小。专利3的磁轴承采用均布于圆周的8个定子铁芯磁极，其周围绕制有激磁线圈，4个永磁体嵌于定子铁芯中，缺陷是功率损耗高。专利4、6中提出的三自由度交流混合磁轴承，都采用单面三极径向定子和圆盘型轴向定子结构，转子分别与空气轴向定子和径向定子之间形成轴向气隙和径向气隙，缺陷是磁轴承可利用的磁极有效面积小，承载力较小。专利5的轴向混合磁轴承，也是采用了轴向定子盘结构，且控制线圈分别置于两个轴向定子盘之间，转子分别与轴向定子和径向定子之间形成轴向气隙和径向气隙，但没有说明采用几个磁极。

发明内容

[0006] 本发明的目的是为了增大控制线圈的布置空间，增加磁轴承磁极有效面积，进一步缩小磁轴承机械结构体积，提高其承载力，设计出一种结构合理紧凑、轴向长度小、承载力大、稳定性好和效率高，同时控制轴向自由度和径向两自由度的交直流混合磁轴承，从而减小电主轴或各种需要悬浮支承旋转主轴的轴向尺寸，以使得系统的临界转速得到进一步提高，并大大减小功率放大器的体积与成本，使得此类磁轴承能在超高速超精密数控机床、磁悬浮无轴承电机、飞轮储能系统及人造卫星等悬浮支承系统中得到广泛应用。

[0007] 本发明采用的技术方案是：包括与径向定子靠近的和永磁体、径向控制线、绕在轴向定子上的轴向控制线圈、转子套在转轴上；永磁体为圆环型且径向充磁，采用稀土材料钕铁硼(NdFeB)制成，镶嵌在轴向定子内侧的圆环型凹槽中，与径向四极定子外侧紧密相连，同时提供径向和轴向偏磁磁通；径向定子的四极沿圆周均匀分布，每个径向定子磁极都分别置于轴向相对的2个轴向定子磁极之间；转子由圆环形硅钢片叠压套装在转轴上，与轴向定子形成轴向气隙，与径向定子和轴向定子均形成径向气隙；轴向相对的轴向定子磁极上的轴向控制线圈串联，通电后产生轴向控制磁通；每个径向控制线圈绕在轴向相对的2个轴向定子磁极外圈上，通电后产生径向控制磁通。

[0008] 轴向定子采用2片×4极的双片式八极结构，左右两侧每片由4个沿圆周均匀分布的径向-轴向双磁极面铁芯组成，每极有径向-轴向双磁极面。

[0009] 本发明的有益效果是：

[0010] 1.传统直流式径向二自由度磁轴承需要四路单极性(或两路双极性)功率放大电路，而本发明的一种新型径向四极二相交流驱动的径向-轴向混合磁轴承只用一个二相交流逆变器即可完全驱动控制径向二自由度，因而减小了功放的体积，降低了功放的成本，简化了驱动控制方法，大大提高了磁轴承的工作效率。

[0011] 2.采用永磁体同时提供轴向和径向静态偏磁磁场，控制线圈只提供平衡负载和外界干扰的动态磁场，因此，控制线圈的安匝数大大减小，进一步缩小了磁轴承的体积，减轻了磁轴承重量；同时因不再需要提供偏磁电流，因而功率损耗减少，节约了能源，缩小了功放散热器的体积。

[0012] 3.轴向定子采用双片式八极径向-轴向双磁极面结构，径向定子采用沿圆周均匀分布的四极结构，轴向控制线圈和径向控制线圈采用内外两层分布，大大增大了控制线圈的布置空间，为磁轴承克服更大的外界扰动和负载所需要的线圈安匝数提供了条件。

[0013] 4.轴向线圈、径向线圈分别采用直流和交流驱动控制，磁场相互独立，易于控制；径向二自由度之间存在一定耦合，但可以采用两相交流解耦的方法对径向二自由度进行控制。

[0014] 5.磁轴承的承载力取决于永磁体内部磁动势和有效磁极面积，转子与径向定子和轴向定子均形成径向气隙，大大增加了径向有效磁极面积。

附图说明

[0015] 图1是本发明的轴向截面图；

[0016] 图2是本发明的径向截面图；

[0017] 图中：1.定子、2.径向控制线圈、3.轴向定子、4.轴向气隙、5.径向气隙、6.转子、7转轴、8.轴向控制线圈、9.永磁体；

[0018] 带箭头的实线10是圆环型永磁体9产生的静态偏磁磁路；

[0019] 带箭头的虚点线11是轴向控制磁通在轴向定子3、轴向气隙4与转子6间形成的回路；

[0020] 带箭头的虚线12表示径向控制磁通在径向相对的2个磁极和连接他们的轭、径向气隙5、转子6间形成的回路；

[0021] 图3是图1中A-A剖面的左视图；

[0022] 图4是图1中B-B剖面的右视图。

具体实施方式

[0023] 本发明先构建一种径向四极二相交流驱动的径向-轴向混合磁轴承结构与磁路，根据等效磁路法构建其数学模型。再由此数学模型结合预先给定的设计参数指标对磁轴承的结构参数与电气参数进行公式化推算，依据此公式设计出性能优良的满足实际应用要求的磁轴承。依此结构参数使用有限元分析软件ANSOFT软件中的Maxwell 3D对磁轴承结构参数进一步优化设计，并验证结构设计原理及磁通分布的正确性。最后，依据数学模型和各实际参数，设计控制器，构建出(位移、电流)双闭环控制系统以及轴向直流功率放大电路和径向交流功率逆变电路等。

[0024] 本发明的原理是通过构造一种全新的磁路，使径向与轴向可以毫无耦合地充分共用永磁体提供的静态偏磁磁通，从而集成了径向二自由度与轴向自由度的联合控制，节省了空间，以利于控制线圈安匝数的增加，相比于二自由度磁轴承与单自由度磁轴承的组合大大减小了磁轴承轴向占用的空间尺寸以及增大了控制线圈的布置空间；同时采用二相交流逆变器对磁轴承径向控制电流进行驱动控制，减小了功率器件的数量，控制简单，节约了制造成本，提高了工作效率。

[0025] 本发明的具体方案是：如图1～4所示，本发明包括沿圆周均匀分布的径向四极定子1、径向控制线圈2、双片式八极径向-轴向双磁极面结构的轴向定子3、轴向气隙4、径向气隙5、转子6、转轴7、轴向控制线圈8和永磁体9组成。由一块径向充磁的圆环形永磁体9同时提供轴向和径向静态偏磁磁通，永磁体材料选用高性能稀土永磁材料钕铁硼(NdFeB)，分割成4块，便于永磁体9的加工和内嵌于定子中，再拼接成一嵌于定子内侧圆环型凹槽中的圆环型永磁体9。轴向定子3采用双片式八极(2片×4极)径向-轴向双磁极面结构，左右两侧每片由4个沿圆周均匀分布的径向-轴向双磁极面铁芯组成；四极径向定子1磁极沿圆周均匀分布，每个径向定子1磁极都分别置于轴向相对的2个轴向定子3磁极之间。根据磁回路要求，构造其机械结构与零部件结构；磁路部件需导磁性能好，磁滞低，并尽量降低涡流损耗与磁滞损耗，由此确定转子6、轴向定子3和径向定子1采用硅钢片叠压而成，而转轴7则采用电工纯铁加工而成。转子6由圆形硅钢片叠压套在转轴上，与轴向定子3形成轴向气隙4，与轴向定子3和径向定子1均形成径向气隙5。轴向相对的2个轴向定子3磁极上的2个轴向控制线圈8串联以产生轴向控制磁通；径向控制线圈2绕在轴向相对的2个轴向定子1磁极外圈上，通以二相交流电以产生径向控制磁通。

[0026] 永磁体9提供的偏磁磁通从环型永磁体9的N极流出，均衡地流经左右两部分轴向定子3，然后依次经过轴向气隙4、转子6、径向气隙5流入径向定子1，最后回到永磁体9的S极。轴向控制磁通如图中带箭头的虚点线11所示，轴向控制线圈8通以直流电后，在轴向定子3、轴向气隙4和转子6间形成轴向控制磁通回路，改变控制电流方向与大小则控制磁通大小和方向相应的发生变化。径向互成90°的2个磁极上的径向控制线圈2通以二相平衡交流电，在轴向定子3和径向定子1、径向气隙5、转子6间形成径向控制磁通回路12，产生旋转合成磁通以克服外界扰动或负载；其余2个磁极上的径向控制线圈2同理，这样就得到加强的合成旋转磁通，从而使磁轴承能够克服更大的外界扰动和负载。