一种二自由度永磁偏置径向混合磁轴承制造技术

本发明专利技术公开一种电气和机械传动设备领域中的二自由度永磁偏置径向混合磁轴承，转子外同轴套有圆环形的定子铁心，在定子铁心的圆环内缘设有12个径向凸出的定子磁极，12个定子磁极沿圆周方向均匀布置，在其中两两不相邻的6个定子磁极的每个定子磁极中间各开有径向槽，每个径向槽中放置一块永磁体，未放置有永磁体的6个定子磁极上均绕制控制线圈，6个控制线圈都通过一个三相逆变器与交流电源相连；定子磁极和转子之间留有径向气隙；所有永磁体均径向充磁，N极在外侧，S极在内侧；采用6个径向充磁的永磁体来提供静态偏置磁场，简化了结构，使整个轴承体积更小，重量更轻，提高了悬浮转子的临界转速。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电气和机械传动设备领域，涉及一种非机械接触轴承，特指一种永磁偏置径向混合磁轴承，作为飞轮系统、机床电主轴、离心机等高速传动部件的无接触悬浮支承。
技术介绍
永磁偏置径向混合磁轴承由永磁体提供静态偏置磁磁通，由直流信号提供控制磁通，具有可以减小控制电流、降低损耗等优点。但是该混合型磁轴承由于采用直流控制，而直流功率放大器价格高，体积大，一个径向混合磁轴承通常需要四路单极性或两路双极性功率放大电路，从而使径向磁轴承体积大，成本高，大大限制了其应用。现有的径向二自由度磁轴承需要占用较大的轴向空间，不能满足磁悬浮飞轮、陀螺等所要求的体积小、重量轻的要求，并且不利于转子临界转速的提高。为了减少磁轴承的体积，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，需要有一种新的机械结构和磁路结构的永磁偏置径向混合磁轴承。中国专利公开号为CN201326646，名称为“一种异极性永磁偏置轴向径向磁轴承”的文献中提出了一种径向定子为对称布置的八磁极结构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路双极型）直流功率放大电路驱动控制8个径向控制线圈，此结构的磁轴承重量和体积相对较大，因此不能满足磁悬浮飞轮等航天器所要求的体积小、重量轻的目的。中国专利公开号为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”的文献中提出的磁轴承采用单片式结构的定子，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。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决现有技术存在的问题，提出一种结构紧凑、功率放大电路体积小、效率高、轴承承载力大，同时可由三相逆变器控制的二自由度永磁偏置径向混合磁轴承，能减小电主轴或各种需要悬浮支承旋转主轴的轴向尺寸，以使得系统的临界转速得到进一步提高。本专利技术采用的技术方案是：本专利技术包括转轴、转子和定子铁心，转子同轴套在转轴外，转子外同轴套有圆环形的定子铁心，在定子铁心的圆环内缘设有12个径向凸出的定子磁极，12个定子磁极沿圆周方向均匀布置，在其中两两不相邻的6个定子磁极的每个定子磁极中间各开有径向槽，每个径向槽中放置一块永磁体，未放置有永磁体的6个定子磁极上均绕制控制线圈，6个控制线圈都通过一个三相逆变器与交流电源相连；定子磁极和转子之间留有径向气隙；所有永磁体均径向充磁，N极在外侧，S极在内侧。进一步地，6个控制线圈沿顺时针方向依次是第一、第二、第三、第四、第五、第六控制线圈，第一控制线圈与三相逆变器的-A相连接，第二控制线圈与三相逆变器的+B相连接，第三控制线圈与三相逆变器的-C相连接，相对的第四、第五、第六控制线圈分别与三相逆变器的+A相、-B相、+C一一对应地相连接。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：1、本专利技术通过构造一种全新的磁路与机械结构，缩短了转子的轴向长度和磁轴承的体积，相比于普通的二自由度磁轴承和单自由度磁轴承，本专利技术大大减小了磁轴承的空间尺寸；本专利技术采用6个径向充磁的方型永磁体来提供静态偏置磁场，在径向定子、转子之间形成闭合回路，简化了结构，使整个轴承体积更小，重量更轻，提高了悬浮转子的临界转速。在相同功率或支承力下，大大缩小了轴向的长度；或使得相同体积下系统功率可以做的更高，悬浮力可以做得更大，特别适合用在磁悬浮飞轮等航空航天及军事设施等领域。2、本专利技术由永磁体提供径向静态偏置磁通来产生静态承载力，由径向控制线圈所提供的控制磁通来产生动态悬浮力并克服外界扰动力和负载力，使转子在径向二自由度悬浮并处于平衡状态。本专利技术的径向二自由度不使用直流功率放大器而只采用一个三相功率逆变器进行驱动控制，相比于常规的径向二自由度磁轴承需4路功率放大电路，大大减小功率放大器的体积与成本，降低了功率损耗，并且控制更加简化。三相逆变器采用DSP处理器进行控制，使得只需要通过软件的编程就可以轻松地将工业上通用变频器用于磁轴承功率放大器，简单可靠，降低了制造与运行成本。3、本专利技术将方形的永磁体放置在定子磁极中，提供的偏置磁场上下对称，左右相等，当转子处于中间位置时，在偏置磁场的作用下，可以实现稳定的悬浮。4、本专利技术将控制线圈置于定子圆盘中，而轴承的其他部件不占用其所属空间，可为控制线圈提供足够的空间，因此可增大承载力，散热性能好。附图说明图1为本专利技术一种二自由度永磁偏置径向混合磁轴承的结构主视图；图2为图1所示本专利技术的磁通示意图；图中：1.永磁体；2.控制线圈；3.径向气隙；4.转子；5.定子铁心；6.静态偏置磁通；7.控制磁通；8.转轴；11、12、13、14、15、16.永磁体；21、22、23、24、24、25、26.控制线圈。具体实施方式如图1所示，本专利技术包括转轴8、转子4和定子铁心5，最中间是转轴8，转子4同轴套在转轴8外，与转轴8固定一起。转子4由硅钢片叠压而成，在转子4外同轴套有圆环形的定子铁心5，定子铁心5采用电工纯铁加工而成。定子铁心5与转子4的轴向长度相等。在定子铁心5的圆环内缘设有12个径向凸出的定子磁极，12个定子磁极沿圆周方向均匀布置，在其中两两不相邻的6个定子磁极的每个定子磁极中间各开有径向槽，每个径向槽中放置一块永磁体1，使永磁体1固定镶嵌在对应的定子磁极的径向槽中。总共放置6个永磁体1，每两个永磁体1之间间隔一个未放置有永磁体1的定子磁极。6个永磁体1沿顺时针方向依次是永磁体11、12、13、14、15、16。在未放置有永磁体1的6个定子磁极上均绕制控制线圈2，6个控制线圈2沿顺时针方向依次是控制线圈21、22、23、24、24、25、26，其中，第一个永磁体11和第二个永磁体12之间是第一个控制线圈21。永磁体1的内缘与定子磁极的内缘相同，弧度贴合，两者的内缘相平齐，永磁体1的外缘与定子铁心5的内缘相平齐。定子磁极和转子4之间留有径向气隙3，径向气隙3的大小为0.3mm-0.5mm。永磁体1采用稀土钕铁硼制成，提供静态偏置磁通。所有永磁体1的轴向长度与定子铁心5的轴向长度相等，所有永磁体1均径向充磁，N极在外侧，靠近定子铁心5；S极在内侧，靠近转子4。6个控制线圈2都连接一个三相逆变器，通过一个三相逆变器与交流电源相连，用以产生控制磁通。其中，控制线圈21与三相逆变器的-A相连接，控制线圈22与三相逆变器的+B相连接，控制线圈23与-C相连接，相对的控制线圈24、25、26分别与三相逆变器的+A相、-B相、+C一一对应地相连接。如图2所示，以转子4的中心为原点，以第一个永磁体11的中心方向为Y轴正方向，X轴正方向与Y轴X轴正方向相垂直。通过三相逆变器给控制线圈2通电，静态偏置磁通6从永磁体11的N极出发，分为两路，一路经定子铁心5、绕制控制线圈21的定子磁极、径向气隙3、永磁体11的S极、永磁体11的N极，形成一个闭合回路；另一路经定子铁心5、绕制控制线圈26的定子磁极、径向气隙3、永磁体11的S极、永磁体11的N极，形成一个闭合回路，两路磁通构成闭合回路。控制磁通7经定子铁心5、相邻两个绕制有控制线圈两个定子磁极、径向气隙3，形成一个闭合回路。在某一时刻下，B相通入电流所产生的控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二自由度永磁偏置径向混合磁轴承，包括转轴（8）、转子（4）和定子铁心（5），转子（4）同轴套在转轴（8）外，转子（4）外同轴套有圆环形的定子铁心（5），其特征是：在定子铁心（5）的圆环内缘设有12个径向凸出的定子磁极，12个定子磁极沿圆周方向均匀布置，在其中两两不相邻的6个定子磁极的每个定子磁极中间各开有径向槽，每个径向槽中放置一块永磁体（1），未放置有永磁体（1）的6个定子磁极上均绕制控制线圈（2），6个控制线圈（2）都通过一个三相逆变器与交流电源相连；定子磁极和转子（4）之间留有径向气隙（3）；所有永磁体（1）均径向充磁，N极在外侧，S极在内侧。

【技术特征摘要】
1.一种二自由度永磁偏置径向混合磁轴承，包括转轴（8）、转子（4）和定子铁心（5），转子（4）同轴套在转轴（8）外，转子（4）外同轴套有圆环形的定子铁心（5），其特征是：在定子铁心（5）的圆环内缘设有12个径向凸出的定子磁极，12个定子磁极沿圆周方向均匀布置，在其中两两不相邻的6个定子磁极的每个定子磁极中间各开有径向槽，每个径向槽中放置一块永磁体（1），未放置有永磁体（1）的6个定子磁极上均绕制控制线圈（2），6个控制线圈（2）都通过一个三相逆变器与交流电源相连；定子磁极和转子（4）之间留有径向气隙（3）；所有永磁体（1）均径向充磁，N极在外侧，S极在内侧。2.根据权利要求1所述一种二自由度永磁偏置径向混合磁轴承，其特征是：6个控制线圈（2）沿...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱熀秋，邵嘉葳，许波，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32