[发明专利]径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承及其控制方法

说明书

技术领域

本发明属于电气传动(机械传动)设备的技术领域，是一种没有机械接触的一种新型高性能轴承，特指集径向、轴向功能于一体的新型径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承，可作为五自由度磁悬浮高速机床电主轴系统等机械设备中旋转部件的无接触悬浮支承。

背景技术

自从二十世纪七十年代磁轴承技术的迅速发展以来，国内外的磁轴承研究人员着重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。转子实现稳定悬浮，需要在5个自由度上施加控制力，通常采用1个轴向单自由度磁轴承和2个径向磁轴承来支承，其中每个径向磁轴承控制径向相互垂直的两个自由度，轴向磁轴承控制轴向自由度。这种5自由度磁轴承支承高速电机的机械结构轴向长度比较长，对转子临界转速的提高有一定限制，而且一个径向磁轴承需要两个双极性功率放大器驱动，功率放大器体积大、功耗大、成本较高，因此，这种磁轴承支承高速电机结构限制了其在工程中实际应用范围。

在第七届国际磁轴承会议上，瑞士苏黎士联邦工学院(ETH)的C.Redemann发表了关于30kW无轴承密封泵应用测试报告，研究了径向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。

为了从结构上来减小磁轴承轴向和径向尺寸，真正减小功率放大器体积、降低功率损耗，从而降低磁轴承的生产成本，提高磁轴承的工作性能，扩大磁轴承的应用领域，需采用一些新的机械结构和磁路结构，新的驱动和控制方法。如研制集径向-轴向控制于一体的结构更加紧凑，控制及功率放大器更加精简的径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承。

国内现有的相关专利申请情况检索有：1)三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承及其控制方法(专利公开号：CN1737388)；2)三自由度交流混合磁轴承(专利公开号：CN101038011)。

上述专利1、2中提到的三自由度混合磁轴承，都采用一个环形永磁体同时提供轴向和径向静态偏磁磁通，轴向控制线圈提供轴向控制磁通，轴向控制磁通回路和偏磁磁通回路独立，而本发明仅利用轴向控制线圈中的偏磁电流同时为径向和轴向提供偏磁磁通，轴向控制线圈中控制电流为轴向提供控制磁通，轴向控制磁通回路和偏磁磁通回路相同。

发明内容

本发明的目的是提出结构紧凑，功率放大电路体积小、效率高、轴承承载力大，同时控制径向和轴向三自由度的径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承，从而减小五自由度磁轴承支承高速电机的机械结构轴向长度，以使得系统的临界转速得到进一步提高，并大大减小功率放大器的体积与成本，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、飞轮储能系统等悬浮支承系统中得到广泛应用。

本发明的方案是：径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承，由转子、轴向定子圆盘、轴向定子圆筒、三个径向磁极对称分布的径向定子、轴向控制线圈、径向控制线圈等构成；转子由硅钢片叠压而成，中间由隔磁铝环将转子分隔成轴向对称的二部分，隔磁铝环和转子套在转轴上；二个轴向定子圆盘连接在轴向定子圆筒两侧，二个轴向定子圆盘和轴向定子圆筒由硅钢片叠压而成，二个轴向定子圆盘与转子之间的气隙构成轴向气隙；径向定子具有沿圆周均匀分布的三个径向定子磁极，径向定子处于二个轴向定子圆盘和轴向定子圆筒中间，并置于轴向定子圆筒内侧，径向定子由硅钢片叠压而成，隔磁铝片将径向定子分隔成轴向对称的二部分，三个径向定子磁极与转子之间的气隙构成三个径向气隙；轴向控制线圈分别紧挨二个轴向定子圆盘，并置于内侧；三个径向控制线圈固定在三个径向定子磁极上；径向控制磁通在径向定子、径向气隙和转子之间构成完整的磁通回路，轴向控制磁通经过轴向定子圆筒、轴向定子圆盘、轴向气隙、转子、径向气隙和径向定子构成完整的磁通回路。

在上述所说的磁轴承中，轴向控制线圈产生的偏磁电流，为径向-轴向共用偏磁磁通的主动磁轴承提供偏磁磁通，轴向控制线圈中的控制电流为轴向提供控制磁通，所述径向控制线圈缠绕在三个径向定子磁极上，通电后产生径向控制磁通，在轴向气隙与径向气隙处偏磁磁通与控制磁通的合成磁通变化能改变径向或轴向的悬浮力大小，使转子保持在轴向和径向平衡位置，径向磁路在径向定子、径向气隙和转子之间形成回路，轴向磁路在轴向定子圆盘、轴向定子圆筒、轴向气隙、转子、径向气隙和径向定子之间形成回路。