[发明专利]三自由度锥形定转子交直流混合磁轴承

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，特指集轴向、径向功能于一体的新型三自由度交直流混合磁轴承，适用于高速高精运转系统及机械加工系统中三自由度转轴的悬浮支承。

背景技术

自二十世纪七十年代磁轴承技术迅速发展以来，研究方向主要为采用直流驱动同时提供静态偏置磁通与控制磁通的主动型磁轴承，并集中于轴向单自由度与径向二自由度磁轴承的研究。一个典型的磁悬浮系统需要同时在五个自由度方向上施加约束控制，通常是由一个轴向单自由度磁轴承和两个径向二自由度磁轴承组成。这种结构设计增大了轴承的轴向长度，使得磁轴承系统体积较大，重量增加。电机轴向长度增加使得转子临界转速下降，电机向更高转速发展受到限制。较大的体积和重量严重制约磁轴承在航空航天等领域的应用发展。同时，主动型磁轴承的电流驱动需要一套直流功率放大电路装置，直流功放体积庞大，成本较高，这极大地限制着磁轴承在机械加工等领域的实际应用。

在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置磁场，大大减小了功率放大器体积，并降低了转动损耗，但还是要与一轴向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及转子临界转速提高方面取得进步。

国内现有的相关专利申请情况检索有：(1)专利公开号：CN1644940，专利名称：一种低功耗永磁偏置外转子径向磁轴承；(2)专利公开号：CN1737388，专利名称：三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承及其控制方法；(3)专利公开号：CN101038011，专利名称：三自由度交流混合磁轴承。上述专利申请1提出的磁轴承为双片式八极定子结构，径向控制线圈采用直流功放驱动控制，其缺陷是：定子的结构复杂，使得磁轴承系统体积较大，重量增加；直流功放装置体积庞大，成本较高。专利2、3中提出的三自由度交流混合磁轴承，径向控制线圈采用三相交流逆变器驱动，轴向控制线圈采用直流开关功放驱动，其定子为单片式结构，且定子分为轴向定子和径向定子两部分，空气气隙也分为轴向空气气隙和径向空气气隙，其缺陷是：这种结构设计增大了轴承的轴向长且转子临界转速不太高。

发明内容

本发明的目的是：提出一种结构简单紧凑，体积较小，降低磁轴承功耗，同时控制轴向-径向三自由度的永磁偏置交直流混合磁轴承，减小轴承轴向尺寸，以使得系统的临界转速得到进一步提高，并采用工业上广泛应用的交流逆变器作为径向控制线圈的电流驱动，使得此种结构磁轴承可以在高速高精数控机床、磁悬浮无轴承电机、飞轮储能系统及航空航天发动机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：包括永磁体和与其靠近的定子、转子套在转轴上，两组控制线圈靠近定子安装，定子由软磁材料硅钢片叠压而成，紧靠在圆环形永磁体的两侧；在定子内侧沿径向圆周均匀分布三个硅钢叠片的分隔式锥形磁极，锥形磁极分隔开的两部分相互镜像对称分布，中间安装隔磁铝环进行空间隔离；所述两组控制线圈包括轴向控制线圈和三相径向控制线圈，三相径向控制线圈缠绕在三个分隔式锥形磁极上，轴向控制线圈位于定子内侧空腔中；所述转子由圆形硅钢迭片叠加而成，且设置成与锥形磁极相对应的圆锥形，圆锥形的转子与锥形磁极之间形成一个工作气隙。

本发明的有益效果是：

1.磁轴承转子与磁极采用锥形结构，利用锥形的结构特点使得圆锥形转子受到的磁吸引力在轴向、径向均有分量，实现了利用轴向磁路和径向磁路共用同一工作气隙同时控制圆锥形转子在轴向、径向三个自由度的悬浮；通过调整工作气隙磁场大小，轴承吸力可同时控制圆锥形转子轴向悬浮力和径向悬浮力，使得圆锥形转子能够稳定悬浮在平衡位置。

2.集轴向径向功能于一体的结构设计使得磁轴承支承的电机系统轴向长度大大减小，结构更加紧凑，临界转速提高，电机可以向更高转速发展；同极结构的设计使得转子的铁损降低。这种结构适合应用于高速运动系统例如飞轮储能系统。

3.定子采用双片式六极(2×3)结构，轴向定子和径向定子共用，进一步精简了磁轴承结构。

4、径向、轴向控制电流独立输入，控制简单，径向控制磁通和轴向控制磁通相互独立，不存在耦合，减少了阻抗损耗。

附图说明

图1是本发明的轴向截面图；

图中：1.定子、2.轴向控制线圈、3.分隔式锥形磁极、4.圆锥形转子、5.转轴、7工作气隙、8.径向控制线圈、9.隔磁铝环、11圆环形永磁体；