[发明专利]径向四极二相交流驱动的径向－轴向混合磁轴承

说明书

技术领域

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

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。

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。

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-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)。

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

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。

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。