一种新结构五自由度集成化混合磁轴承制造技术

本发明专利技术公开了本发明专利技术公开一种新结构五自由度集成化混合磁轴承，解决了传统五自由度集成化混合磁轴承中径向和轴向共用偏置磁通

【技术实现步骤摘要】
一种新结构五自由度集成化混合磁轴承


[0001]本专利技术涉及磁悬浮轴承
，具体涉及一种新结构五自由度集成化混合磁轴承
。

技术介绍

[0002]磁轴承电机要实现转子的稳定悬浮
,
需在五个自由度上施加约束
,
需由磁悬浮轴承来实现
。
磁悬浮轴承属于非接触性轴承
,
利用磁场力将转子无接触地悬浮于空间
,
集机械学
、
转子动力学
、
控制理论
、
电磁学等技术于一体的新型机电一体化高性能轴承
。
与普通轴承相比
,
磁轴承具有无摩擦
、
无磨损
、
不需润滑和密封
、
高速度
、
高精度
、
寿命长
、
轴承刚度和阻尼可调节等一系列优良品质
,
因而受到了工程界的广泛重视
,
是机械
、
电气控制等领域的前沿课题之一
。
[0003]混合磁轴承是指采用永磁体提供偏置磁通，控制绕组通电产生控制磁通，两个磁通相互叠加，导致混合磁轴承转子一侧气隙磁场增强，而相反方向磁场减弱，产生指向磁场增强方向的径向力，实现转子稳定悬浮的磁轴承
。
目前，混合磁轴承在各种高性能传动系统中得到广泛应用，而要实现转子稳定悬浮，需采用两个径向混合磁轴承与一个轴向混合磁轴承共同支承转子五自由度悬浮，导致轴向长度太长
、
临界转速低
。
因此，为解决上述问题，国内外学者研究出多种在一个单元内实现转子五自由度稳定悬浮的集成化混合磁轴承，即将轴向和径向悬浮功能集成在一起，由共同的永磁体产生径向和轴向偏置磁通，该偏置磁通同时经过轴向和径向气隙，导致径向和轴向多个参数之间存在比例约束关系，同时要实现转子悬浮性能，必须采用复杂的解耦控制策略，控制系统造价高，计算量大
。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出一种新结构五自由度集成化混合磁轴承，轴向与径向磁通没有任何关联，其径向与轴向参数设计独立，轴向磁路短，控制更简单，易于实现，功耗低的五自由度集成化混合磁轴承
。
[0005]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0006]一种新结构五自由度集成化混合磁轴承，包括定子和转子，所述定子包括轴向定子铁心
、
两个径向定子铁心
、
左右
L
铁心和左右环形永磁体，所述两个径向定子铁心对称安装在轴向定子铁心内部，左右
L
铁心和左右环形永磁体分别对称安装在轴向定子铁心的外侧，轴向定子铁心内侧绕有对称的轴向控制线圈；所述径向定子铁心内圆周均匀分布3个控制磁极和3个偏置磁极，控制磁极上绕制径向控制线圈，偏置磁极中设有永磁体；所述转子设置在定子内部，由内到外分别为转轴
、
转子轴向铁心
、
隔磁环与一对转子径向铁心；所述隔磁环嵌在转子轴向铁心与一对转子径向铁心之间，转子轴向铁心轴向宽度小于比隔磁环轴向宽度，一对转子径向铁心与两个径向定子铁心相对且等宽，并与之存在径向气隙，轴向定子铁心内侧与左右
L
铁心深入到转子内部，并与转子轴向铁心分别存在上轴向气隙和下轴向气隙
。
[0007]进一步地，左环形永磁体
、
右环形永磁体与轴向定子铁心连接面的极性相同
。
[0008]进一步地，所述永磁体产生径向偏置磁通，径向偏置磁通在控制磁极
、
偏置磁极
、
径向气隙
、
转子径向铁心间形成闭合路径；所述左右环形永磁体产生轴向偏置磁通，轴向偏置磁通在轴向定子铁心
、
左右
L
铁心
、
转子轴向铁心
、
上轴向气隙和下轴向气隙间形成闭合路径
。
[0009]进一步地，轴向控制线圈同向串联为轴向悬浮绕组，并有直流开关功放驱动，产生轴向控制磁通，在轴向定子铁心
、
上轴向气隙和转子轴向铁心间形成闭合路径；径向控制线圈分别为星型连接，并由两个三相逆变器驱动产生径向控制磁通，在三个控制磁极
、
径向气隙
、
转子径向铁心间形成闭合路径
。
[0010]进一步地，所述左右环形永磁体与所述永磁体材料为稀土永磁材料，所述隔磁环材料为铝，所述两个径向定子铁心
、
转子径向铁心由硅钢片叠压而成；转子轴向铁心
、
轴向定子铁心
、
左右
L
铁心采用导磁材料整体加工而成，转轴为非导磁材料制成
。
[0011]进一步地，新结构五自由度集成化混合磁轴承的轴向参数与径向参数设计无关联，径向和轴向参数设计方法是分别根据
F
zmax
与
F
rmax
独立计算，具体步骤如下：
[0012]进行轴向参数计算
[0013]第一步：根据轴向最大悬浮力需求
F
zmax
，计算上轴向面积
S1与下轴向面积
S2：
S2＝
0.5S1；
B
s
为气隙饱和磁密，
μ0为真空磁导率；
[0014]第二步：设计永磁环磁动势
F
zm
：根据永磁环磁动势确定永磁体长宽参数；
[0015]第三步：确定轴向控制绕组安匝数
N
z
I
z
：
[0016]进行径向参数计算
[0017]第四步：根据轴向最大悬浮力需求
F
rmax
，设磁极数为6，计算径向控制磁极面积
S
rc
与偏置磁极面积
S
rp
，一般取两者面积相等：
[0018]第五步：设计永磁体磁动势
F
rm
：根据永磁体磁动势确定左右环形永磁体
(6
，
7)
长宽参数；
[0019]第六步：确定径向控制绕组安匝数
N
r
I
r
：
[0020]本专利技术和现有技术相比有以下优点：
[0021]一
、
轴向和径向参数实现独立设计，两者之间无关，因此，只需分别给出径向和轴向最大悬浮力顺序设计出径向和轴向参数即可，两个部分之间的设计无关联；
[0022]二
、
轴向磁路与径向磁路无关，悬浮力产生无耦合，轴向和径向磁极面积
、
轴向和径向最大悬浮力间无制约关系，控制简单，易于实现；
[0023]三
、
转子轴向铁心可以做的很短，轴向控制磁路短，漏磁小，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种新结构五自由度集成化混合磁轴承，其特征在于：包括定子和转子，所述定子包括轴向定子铁心
(1)、
两个径向定子铁心
(2
，
3)、
左右
L
铁心
(4
，
5)
和左右环形永磁体
(6
，
7)
，所述两个径向定子铁心
(2
，
3)
对称安装在轴向定子铁心
(1)
内部，左右
L
铁心
(4
，
5)
和左右环形永磁体
(6
，
7)
分别对称安装在轴向定子铁心
(1)
的外侧，轴向定子铁心
(1)
内侧绕有对称的轴向控制线圈
(8
，
9)
；所述径向定子铁心
(2
，
3)
内圆周均匀分布3个控制磁极
(10
，
11)
和3个偏置磁极
(12
，
13)
，控制磁极
(10
，
11)
上绕制径向控制线圈
(14
，
15)
，偏置磁极
(12
，
13)
中设有永磁体
(16
，
17)
；所述转子设置在定子内部，由内到外分别为转轴
(18)、
转子轴向铁心
(19)、
隔磁环
(20)
与一对转子径向铁心
(21、22)
；所述隔磁环
(20)
嵌在转子轴向铁心
(19)
与一对转子径向铁心
(21、22)
之间，转子轴向铁心
(19)
轴向宽度小于比隔磁环
(20)
轴向宽度，一对转子径向铁心
(21、22)
与两个径向定子铁心
(2
，
3)
相对且等宽，并与之存在径向气隙
(23
，
24)
，轴向定子铁心
(1)
内侧与左右
L
铁心
(4
，
5)
深入到转子内部，并与转子轴向铁心
(19)
分别存在上轴向气隙
(25
，
26)
和下轴向气隙
(27
，
28)。2.
根据权利要求1所述的一种新结构五自由度集成化混合磁轴承，其特征在于：左环形永磁体
(6)、
右环形永磁体
(7)
与轴向定子铁心
(1)
连接面的极性相同
。3.
根据权利要求1所述的一种新结构五自由度集成化混合磁轴承，其特征在于：所述永磁体
(16
，
17)
产生径向偏置磁通
(29、30)
，径向偏置磁通
(29、30)
在控制磁极
(10
，
11)、
偏置磁极
(12
，
13)、
径向气隙
(23
，
24)、
转子径向铁心
(21、22)
间形成闭合路径；所述左右环形永磁体
(6
，
7)
产生轴向偏置磁通
...

【专利技术属性】
技术研发人员：周吉，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：