低功耗五自由度永磁偏置磁悬浮轴承系统

摘要

一种低功耗五自由度永磁偏置磁悬浮轴承系统，属磁悬浮轴承。该磁悬浮轴承包括一台高速电机、一个低功耗永磁偏置轴向径向磁轴承和一个低功耗永磁偏置径向磁轴承。五自由度悬浮是利用两个径向充磁的环形永磁体来建立静态偏置磁场，依次经过三自由度磁轴承径向磁极、径向气隙、转子铁心、转子和两自由度永磁偏置磁轴承径向定子构成闭合磁路，轴向绕组产生控制磁通与偏置磁通叠加控制轴向悬浮，左右两端三磁极的径向控制绕组产生控制磁通与偏置磁通叠加，利用交流电机的三/二变换原理实现径向四自由度悬浮，该系统结构简单，临界转速高，功耗低，在航空航天、汽车摩托车、模具加工、纺织和化工机械等领域具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明的低功耗五自由度永磁偏置磁悬浮轴承系统，属磁轴承技术和高速电机相结合的五自由度磁悬浮轴承。

背景技术

现代化的工业生产和交通运输越来越离不开高速和超高速电机的发展，特别是在航空、航天、航海、汽车摩托车工业、机械加工和生产等领域高速电机获得了广泛应用。但是轴承支撑技术一直是限制高速电机实现大功率实用化的障碍。当前，角接触球轴承由于接触磨损发热，承载力和刚度小，极易发生机械故障而停工停产，造成重大的经济损失甚至人员的伤亡。磁悬浮轴承则是利用定子和转子之间的磁力作用将转子悬浮于空间，使定子和转子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承，由于定、转子之间不存在机械上的接触，所以磁悬浮轴承的转子可达到很高的运转转速，并且具有机械磨损小、能耗低、寿命长、无润滑、无污染等优点，特别适合高速、真空和超洁净等特殊的应用场合。

但传统高速电机系统只是简单的采用两个径向电磁轴承和一个轴向电磁轴承取代机械轴承来控制电机的五个自由度悬浮，占有相当的轴向空间，结构复杂，可靠性和安全性不高。2000年以来国际上众多学者提出了多种形式的三自由度永磁偏置轴向/径向混合磁轴承，这类磁轴承部分解决了磁轴承轴向空间利用率低的问题，但其设计、安装相对比较复杂，尤其对轴向安装要求较高。

三、发明内容

本发明的目的在于提出一种结构紧凑，体积小，安装方便、低功耗的五自由度悬浮的永磁偏置磁轴承系统。

一种低功耗五自由度永磁偏置磁悬浮轴承系统，其特征在于，包括一台高速电机、一个低功耗永磁偏置轴向径向磁轴承和一个低功耗永磁偏置径向磁轴承，所述低功耗永磁偏置轴向径向磁轴承是三自由度永磁偏置磁悬浮轴承，包括三自由度径向定子、三自由度径向控制绕组、轴向控制绕组、三自由度转子铁心、转子、三自由度环形永磁体，其中三自由度径向控制绕组套装在三自由度径向定子的径向外表面上，轴向控制绕组为单绕组贴装在三自由度径向定子的轴向内表面上，三自由度转子铁心置于三自由度径向定子的内侧圆内，三自由度转子铁心相对应地安装在转子左端，三自由度环形永磁体贴装在三自由度径向定子的外侧圆周表面上；所述低功耗永磁偏置径向磁轴承是两自由度永磁偏置磁悬浮轴承，与所述的三自由度永磁偏置磁悬浮轴承共用一个转子，其它还包括两自由度径向定子，两自由度径向控制绕组、两自由度转子铁心，两自由度环形永磁体，其中两自由度径向控制绕组套装在两自由度径向定子的径向外表面上，两自由度转子铁心置于两自由度径向定子的内侧圆内，两自由度转子铁心相对应地安装在转子右端，两自由度环形永磁体贴装在两自由度径向定子的外侧圆周表面上；所述的高速电机置于三自由度永磁偏置磁悬浮轴承与两自由度永磁偏置磁悬浮轴承之间，其中高速电机转子铁心套装在转子的中间位置，所述的外部铁心置于高速电机定子的外侧周围表面，并同时贴装在三自由度环形永磁体的外表面和两自由度环形永磁体的外表面上。本发明的基本工作原理是：一端三自由度永磁偏置磁轴承，其径向定子比转子铁心宽，径向充磁的环状永磁体产生的永磁偏置磁通在经过径向定子、径向气隙到达转子铁心时，产生了具有轴向分量的偏置磁通，当转子位于轴向平衡位置时，由于结构的对称性，在转子铁心轴向端面的右面气隙和左面气隙处的磁通是相等的，此时左右吸力相等。如果在此时转子受到一个向左的外扰力，转子就会偏离平衡位置向左运动，造成环状永磁体产生的左右的磁通变化，即右面的气隙增大，磁通减小，即轴向磁通分量减小；左面的气隙减小，磁通增大，即轴向磁通分量增大。由于磁场吸力与磁通的平方成正比，因此右边的吸力小于左边的吸力，在加入控制磁通前，转子将无法回到平衡位置。此时位移传感器检测出转子偏离其参考位置的位移量，控制器将这一位移信号变换成控制信号，功率放大器又将此控制信号变换成控制电流，这个电流流经贴装在径向定子下的轴向控制绕组，在气隙内产生一个电磁磁通，这个电磁磁通与气隙中的永磁磁通轴向分量叠加，使转子右面气隙中的磁通增加，左面气隙中的磁通减小，产生一个向右的吸力，将转子拉回平衡位置。同理，转子受到轴向向左的外扰动，基于上述原理同样能使转子回复到平衡位置。四自由度径向磁悬浮的工作原理(以垂直方向为例)是：径向定子铁心上绕有三相控制绕组即径向三相绕组，采用三相逆变器提供控制电流，当转子受到一个向下的扰动力偏离平衡位置，位移传感器检测出转子偏离其参考位置的位移量，控制器将这一位移信号变换成控制信号，三相逆变器又将此控制信号变换成控制电流，在三相电磁线圈中产生控制磁通与径向气隙中的偏置磁通叠加，基于交流电机的三/二坐标变换原理产生合成向上的单极磁通，使转子回复到平衡位置。同理，无论转子受到向上、向右或向左的扰动力，带位置负反馈的永磁偏置轴向径向磁轴承通过控制器控制励磁绕组中的电流，调节气隙磁通的大小，始终能保持转子在平衡位置。同理，另一端的两自由度永磁偏置径向磁轴承径向悬浮机理与上述相同，实现了转子四自由度的径向悬浮。

本发明的低功耗五自由度永磁偏置磁悬浮轴承系统，将高速电机和永磁偏置磁轴承技术有机的结合起来，其利用两个径向充磁的环状永磁体来建立静态偏置磁场，通过外部铁心、转子铁心、转子和径向定子来形成闭合磁路，只需要两个三磁极的径向定子磁极、一个贴装在一端宽径向定子下的轴向控制绕组和六个径向控制绕组，相对于传统的五自由度磁轴承系统，减少了两个轴向定子铁心、一个轴向控制绕组、两个径向定子磁极和两个径向控制绕组，大为简化了结构，缩小了体积和重量，减少了两个磁轴承开关功放，降低了轴承功耗，降低了系统的轴向安装难度，并且具有较短的轴向空间，在汽车/摩托车工业、模具加工、纺织和化工机械等高速应用场合具有广阔的应用前景，将其利用于航空航天和舰艇等国防领域则更具有重要意义。

四、附图说明

图1是低功耗五自由度磁悬浮轴承系统结构平面示意图。

图1中标号名称：1、三自由度径向定子，2、三自由度径向控制绕组，3、轴向控制绕组，4、三自由度转子铁心，5、转子，6、高速电机转子铁心，7、高速电机定子，8、三自由度环形永磁体，9、外部铁心，10、两自由度径向定子，11、两自由度径向控制绕组，12、两自由度环形永磁体，4′、两自由度转子铁心。

图2是低功耗五自由度磁悬浮轴承系统五自由度悬浮原理图。

图2中标号名称：实线表示永磁偏置磁通，单虚线表示径向控制绕组产生的控制磁通，双虚线表示轴向控制绕组产生的控制磁通。

五、具体实施方式

图1是本发明的五自由度磁悬浮轴承系统结构示意图，其主要由高速电机、三自由度永磁偏置磁轴承和两自由度永磁偏置混合磁轴承组成。图1中的三自由度径向定子磁极1为硅钢片叠压制成，为三磁极结构，三自由度环形永磁体8贴装在三自由度径向定子1的外部的位置，在三个定子磁极上套有三自由度径向控制绕组2，但该定子比转子铁心4宽，用以产生具有轴向分量的偏置磁通，轴向控制绕组3贴装在三自由度径向定子1的内表面。两自由度径向定子10也为硅钢片叠压而成，为三磁极结构，两自由度环形永磁体12贴装在两自由度径向定子10的外部的位置，在三个定子磁极上套有两自由度径向控制绕组11。为了减小对高速电机的影响，加装一用以流以偏置磁通的外部铁心9，用电工纯铁制成，其内端面与两个环状永磁体8和12外端相连，置于电机定子7的外部。磁路图如图2的原理图所示。环状永磁体产生的偏置磁通依次经过三自由度永磁偏置磁轴承径向磁极、径向气隙、转子铁心、转子、两自由度永磁偏置磁轴承转子铁心、径向气隙和两自由度永磁偏置磁轴承径向定子构成回路，如图2中的实线所示。轴向控制绕组产生的控制磁通经过径向定子和轴向气隙，如图2中的双虚线所示。径向控制绕组产生的控制磁通只经过径向气隙和径向定子，不经过轴向气隙，如图2中的单虚线所示。轴向控制磁通和径向控制磁通彼此解耦，互不干扰。