[发明专利]一种径向-轴向三自由度交直流混合磁轴承

说明书

技术领域

本发明涉及一种非机械接触磁轴承，特指一种径向-轴向三自由度交直流混合磁轴承，可作为五自由度磁悬浮高速机床电主轴、无轴承电机、飞轮储能系统、空调压缩机、涡轮分子泵等机械设备及卫星、空间站等航天器中旋转部件的无接触悬浮支承。

背景技术

目前，由永磁体提供静态偏磁磁通、直流信号提供控制磁通的混合型磁轴承已经成为国内外的研究热点，并着重研究轴向单自由度磁轴承与径向二自由度磁轴承，而径向-轴向三自由度磁轴承研究较少。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，从而直接导致了功率放大器体积大，成本高，大大限制了磁轴承的应用领域，特别是在航空航天及军事应用领域。另一方面，将单自由度轴向磁轴承与径向二自由度磁轴承分离开来，导致五自由度磁轴承支承系统占用较大的轴向空间；磁轴承支承的电机主轴轴向长度较长，体积较大；转子临界速度下降，不能满足卫星，空间站等航天器所要求的体积小、重量轻的要求且不利于电机或各类旋转主轴向更高转速和功率发展。

公开号为CN1644940，名称为“一种低功耗永磁偏置外转子径向磁轴承”的专利文献提出的直流式径向二自由度外转子混合磁轴承，采用双片八极同极性磁轴承结构来控制径向2个自由度，需要4路单极性（或2路双极性）直流功率放大电路驱动控制8个径向控制线圈，此结构的磁轴承体积大，相比于交流驱动的磁轴承，其磁轴承系统的功率放大电路的体积和成本高，功率放大器的功耗高，且工作效率低。

公开号为CN101158374，名称为“三磁极的永磁偏置径向磁轴承”的专利文献提出的三磁极的永磁偏置径向磁轴承采用的是内转子和环形永磁体结构，采用外部磁极铁心与定子铁心共同构成磁通回路，所以增加了轴向长度，且径向控制磁通经过永磁体所在的磁极，增大了控制磁路的磁阻，增加了线圈铜耗和功放损耗，若控制磁通与偏磁磁通方向相反时，控制磁通还会对永磁体产生去磁作用。

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” 的专利文献提出的磁轴承采用单片式结构的定子，且定子分为轴向定子和径向定子两部分，磁极及转子结构相对简单，缺点是轴向控制线圈与径向控制线圈所占的空间有限，导致磁轴承承载力下降、散热性能差。

发明内容

本发明的目的为了克服现有技术的不足，从结构上来减少现有磁轴承的体积，降低磁轴承功耗和生产成本，提高磁轴承的工作性能，扩大磁轴承的应用领域而提出一种功耗低、体积小、重量轻、承载力大、加工制造方便的高性能径向-轴向三自由度交直流混合磁轴承。

本发明采用的技术方案是：包括同轴设置的转轴、转子、径向定子铁心和轴向定子铁心，轴向定子铁心空套在转轴上且内套径向定子铁心，径向定子铁心内套转子，转子固定套在转轴上，径向定子铁心和轴向定子铁心之间的空腔内设置轴向控制线圈；轴向定子铁心在轴向上与转子端面之间具有轴向气隙；径向定子铁心的内腔壁向轴心处延伸出圆周方向均布的三个相同的定子铁心磁极，三个相同的定子铁心磁极上分别绕有相同的径向控制线圈且在径向上与转子的外壁之间均具有径向气隙；在径向定子铁心的轴向两侧、与轴向定子铁心之间分别设置相同的轴向充磁的环形的永磁体，永磁体的S极均朝向径向定子铁心，N极朝向轴向定子铁心；永磁体产生静态偏磁磁通，静态偏磁磁通是从永磁体的N极流出，经轴向定子铁心、轴向气隙、转子、径向气隙、径向定子铁心回到永磁体的S极的磁回路；轴向控制线圈通直流电流，在轴向定子铁心、轴向气隙与转子之间产生轴向控制磁通的磁回路；三个径向控制线圈通三相交流电流，在径向定子铁心、径向气隙与转子之间形成径向控制磁通。 

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1、传统的直流式径向二自由度混合磁轴承需要4路单极性（或2路双极性）功率放大电路，而本发明采用已经成熟应用在工业领域中的交流驱动技术，只需用1个三相交流功率逆变器即可完全驱动径向二自由度交流混合磁轴承，因而大大减小了功率放大电路的体积和成本，显著降低了功率放大器的功耗，简化了驱动控制方法，提高了磁轴承的工作效率，使得此类磁轴承能在超高速高精数控机床、无轴承电机、飞轮储能系统中得到广泛应用。

2、本发明集轴向、径向功能于一体，减少了磁轴承的轴向长度以及磁轴承系统的体积与成本，满足卫星、空间站等航天器所要求的体积小、重量轻的要求，还可以使系统的临界转速得到进一步提高。