[发明专利]一种永磁外转子混合磁轴承

说明书

技术领域

本发明属于非机械接触磁轴承领域，特指一种永磁外转子混合磁轴承，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，功耗大，1个径向磁轴承通常需要4路单极性(或2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1个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)一种永磁偏磁轴向混合磁轴承(专利公开号：CN101025198)；(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)一种低功耗永磁偏置外转子径向磁轴承(专利公开号：CN1644940)；(5)永磁偏置轴向径向磁轴承(专利公开号：CN101149077A)。(6)三自由度交流混合磁轴承(专利公开号：CN101038011)。

上述CN101025198专利的轴向混合磁轴承采用带圆盘结构的轴向定子，且控制线圈分别置于2个轴向定子盘之间，在轴向磁回路中有径向气隙，该技术方案的缺陷是，磁轴承重量大、散热性能较差，轴向控制磁通经过径向气隙，磁轴承工作效率低。CN1693726专利所提出的磁轴承径向采用2对极，相对的2个齿上的绕组相串联控制径向二自由度，直流驱动，该技术方案的缺陷是，磁轴承功耗高、功放成本较大。CN1730960专利提出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，磁轴承结构复杂，磁轴承功耗较高。CN1644940专利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，并采用了直流功放驱动控制的8个径向激磁线圈，磁轴承整体体积大、大大降低了功耗高。CN101149077A专利提出的永磁偏置轴向径向磁轴承，采用的是2个三磁极的径向定子结构，同时需要6个径向控制线圈和2个环形永磁体，且转子具有大的圆盘结构，转子的临界转速不高，增强系统的稳定性较差。CN101038011专利提出的三自由度交流混合磁轴承，采用了具有3个磁极的径向定子结构且采用了薄片状轴向定子，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；磁轴承的承载力小，磁轴承的稳定性和工作效率低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷提供一种结构合理紧凑、轴向长度小、承载力大、功耗低、稳定性好和效率高、同时控制轴向自由度和径向二自由度的永磁外转子混合磁轴承。

本发明的目的还在于，进一步减小永磁外转子混合磁轴承的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，并显著降低功率放大电路的功率损耗、大大减小磁轴承系统的体积与成本，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。