[发明专利]六极异极型交流混合磁轴承的设计方法

说明书

本发明公开一种六极异极型交流混合磁轴承及其设计方法。包括定子和转子，定子包括外控制铁心和内永磁定子。外控制铁心沿内圆周分布有两组悬浮极A、B、C与a、b、c，悬浮极a、b、c内侧为扇形圆环结构，通过六个永磁体与三个扇形圆环铁心组成内永磁定子，悬浮极A、B、C与三个扇形圆环铁心之间存在分磁气隙，内永磁定子与转子之间存在主气隙。主气隙长度g_i、分磁气隙长度g_o、abc的极面积S_i与ABC的极面积S_o满足：悬浮极A、B、C与a、b、c上控制绕组匝数N_o、N_i之间满足：控制绕组A‑a、B‑b、C‑c上的绕组反向串联为一相，然后接成Y型三相绕组，由三相逆变器供电。本发明仅需一个三相逆变器就能实现转子稳定悬浮，具有承载力大，位移刚度小，磁场扰动较小，转子铁芯损耗低，便于控制等优点。

技术领域

本发明涉及磁悬浮轴承技术领域，具体涉及一种六极异极型交流混合磁轴承的设计方法，可用于飞轮系统等高速传动无接触悬浮支承。

背景技术

磁悬浮轴承是一种实现定转子之间无机械摩擦的新型高性能轴承，具有无摩擦、寿命长、高精度、低损耗等诸多优点，被广泛应用于生命科学、飞轮储能、航天航空等技术领域。根据控制电流，混合磁轴承可分为直流四极混合磁轴承和交流三极混合磁轴承。六极混合磁轴承的结构对称，又可采用三相逆变器驱动，所以兼具直流四极混合磁轴承和交流三极混合磁轴承的优点。根据偏置磁路，径向混合磁轴承可分为同极性混合磁轴承和异极性混合磁轴承。而同极性混合磁轴承轴向长度过长，限制了转子临界速度及其在高速飞轮储能系统中的应用。另外，传统的异极混合磁轴承存在位移刚度过大以及转子铁心损耗大等缺点。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种六极异极型交流混合磁轴承的设计方法，由一个三相逆变器就实现径向两自由度稳定悬浮，控制简单，结构紧凑，具有较低的转子铁心损耗，较小的磁场扰动和较小的位移刚度。

技术方案：本发明提供了一种六极异极型交流混合磁轴承的设计方法，包括如下步骤：

S1：根据六极异极型交流混合磁轴承结构构建磁路模型，利用磁路基尔霍夫定律得到磁路方程；所述六极异极型交流混合磁轴承结构包括定子和转子，所述定子包括外控制铁心和内永磁定子，所述外控制铁心沿内圆周均匀分布有间隔设置的悬浮极A、B、C与悬浮极a、b、c，所述悬浮极a、b、c内侧为扇形圆环结构，通过六个永磁体P1～P6与三个同结构的扇形圆环铁心T1～T3连接成内永磁定子，所述悬浮极A、B、C与三个扇形圆环铁心T1～T3之间存在分磁气隙，所述内永磁定子与转子之间存在主气隙；转子包括转子铁心和转轴，所述转轴贯穿于所述转子铁心内；所述悬浮极A、B、C、a、b、c上均绕制集中式控制绕组W1～W6，控制绕组W1和W5、控制绕组W2和W6、控制绕组W3和W4分别反向串联，然后连接成Y型三相绕组，由一个三相逆变器供电；

S2：确定六个永磁体的矢量充磁方向以及永磁体的永磁材料；

S3：设计偏置磁密，经过主气隙的偏置磁通表示为：

其中，F₁～F₄分别是结点1～4处的磁动势，内永磁定子与转子之间形成的六个主气隙的磁阻记为R₁～R₆，Ф_PRi表示经过主气隙的偏置磁通，Ф_CRi表示主气隙控制磁通，为了获得最大磁场力，Ф_PRi＝Ф_CRi＝Ф_P0＝Ф_s/2(i＝1,2,3,4,5,6)，偏置磁密设计为B₀＝B_S/2，其中，B_S为六极异极型交流混合磁轴承的饱和磁感应强度，一般取值1.2～1.4T，B₀为气隙偏置磁通；

S4：确定控制磁通，其表示为