[发明专利]一种恒流源偏置径-轴向磁轴承

说明书

技术领域

本发明涉及一种非机械接触磁悬浮轴承，特指一种恒流源偏置径-轴向磁轴承，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、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

磁悬浮轴承（磁轴承）是利用磁场力将转子悬浮于空间, 使其与定子没有机械接触的一种新型支承轴承，具有无摩擦、无磨损、无需润滑和密封，高速度、高精度及寿命长等优点。磁轴承按照磁力提供方式，可分为被动磁轴承、主动磁轴承和永磁偏置混合磁轴承。恒流源偏置磁轴承是结合主动磁轴承的磁场可控与永磁偏置混合磁轴承功耗低的优点，是一种低成本、低功耗且高可控性的新型磁轴承，它由一个独立可调的恒流源提供偏置磁场，取代了主动磁轴承中的偏置磁场需要经过功率放大器产生及永磁偏置混合磁轴承中的偏置磁场由永磁体产生的方式。

目前，关于恒流源偏置磁轴承的相关结构只涉及单独的恒流源偏置径向磁轴承（内转子结构）及单独的恒流源偏置轴向磁轴承（外转子结构）。其中，关于恒流源偏置径向磁轴承的结构有两种：一种是中国专利公开号为CN101311571、名称为“恒流源偏置磁悬浮轴承”所提出的八极结构的恒流源偏置径向磁轴承，定子磁极上同时套装偏置线圈和控制线圈，所有偏置线圈都串联在一起，每个自由度上的控制线圈用串联或者并联的连线方式连接在一起，此结构的磁轴承一个自由度采用两个直流功率放大器（一个独立的功率放大器使偏置线圈通过恒定的电流提供偏置磁通，一个独立的功率放大器使控制线圈通过恒定的电流提供控制磁通）。由于直流功率放大器价格高，体积大，因此大大限制了磁轴承的应用领域，且功耗高，功率放大器成本较大。而且在该结构磁轴承中，需要一个专门的功率放大器为偏置线圈提供偏置电流，从而产生偏置磁通，即供偏置电流工作的功率放大器要一直工作，因此更加增加了其功耗与成本。另一种是论文名称为“恒流源偏置三相磁悬浮轴承”，作者为罗建召，徐龙祥，出版期刊为《机械科学与技术》，出版日期为2010年（29卷，第2期）所提出的六极结构的恒流源偏置径向磁轴承，该磁轴承采用通用三相交流功率逆变器供电，使得磁悬浮系统的功率部分具有通用性，相比于直流功率放大器，具有功耗明显降低，且功率放大器的成本可大大减少的优势。但是由于该结构磁轴承为六级结构，因此缠绕控制线圈与偏置线圈的空间较小，散热性较差，且径向承载力受到限制。

另外，目前关于恒流源偏置轴向磁轴承的结构只有一种：中国专利申请号为201210247525.6、名称为“一种恒流源偏置外转子轴向磁轴承”所提出的外转子的恒流源偏置轴向磁轴承。因为内转子磁轴承与外转子磁轴承在不同的领域发挥着自己独特的优势，因此在一些具有特殊要求的场合，外转子磁轴承不能替代内转子磁轴承。而任一稳定的旋转系统均需要在其五自由度上施加约束，如采用两个单独的径向磁轴承和一个轴向磁轴承来构成五自由度悬浮支承系统，要求所采用的磁轴承具有需要类型一致的特点，因此该结构恒流源偏置外转子轴向磁轴承不能与已经实现的恒流源偏置内转子径向磁轴承（上述两种）构成一个完整的五自由度悬浮支承系统。

考虑在构建一稳定的五自由度悬浮支承系统时，若采用两个单独的径向磁轴承和一个轴向磁轴承的组合方式，由于径向磁轴承及轴向磁轴承均要占用较大的轴向空间，会导致磁轴承支承的电机主轴轴向长度较长，体积较大。同时，也会导致转子临界转速下降，电机或各类旋转主轴向更高转速和功率发展受到限制。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术中恒流源偏置径向磁轴承、恒流源偏置轴向磁轴承各自的不足，以及两者组合使用的不足，提出一种恒流源偏置径-轴向磁轴承，将恒流源偏置径向磁轴承和恒流源偏置轴向磁轴承集于一体，降低了磁轴承的成本、减少了磁轴承的功耗。