一種徑向-軸向三自由度交直流混合磁軸承的製作方法

2023-07-12 21:42:51 3

專利名稱：一種徑向-軸向三自由度交直流混合磁軸承的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種非機械接觸磁軸承，特指一種徑向-軸向三自由度交直流混合磁軸承，可作為五自由度磁懸浮高速工具機電主軸、無軸承電機、飛輪儲能系統、空調壓縮機、渦輪分 子泵等機械設備及衛星、空間站等太空飛行器中旋轉部件的無接觸懸浮支承。
背景技術：
目前，由永磁體提供靜態偏磁磁通、直流信號提供控制磁通的混合型磁軸承已經成為國內外的研究熱點，並著重研究軸向單自由度磁軸承與徑向二自由度磁軸承，而徑向-軸向三自由度磁軸承研究較少。一方面，採用直流控制，直流功率放大器價格高，體積大，一個徑向磁軸承通常需要四路單極性或兩路雙極性功率放大電路，從而直接導致了功率放大器體積大，成本高，大大限制了磁軸承的應用領域，特別是在航空航天及軍事應用領域。另一方面，將單自由度軸向磁軸承與徑向二自由度磁軸承分離開來，導致五自由度磁軸承支承系統佔用較大的軸向空間；磁軸承支承的電機主軸軸向長度較長，體積較大；轉子臨界速度下降，不能滿足衛星，空間站等太空飛行器所要求的體積小、重量輕的要求且不利於電機或各類旋轉主軸向更高轉速和功率發展。公開號為CN1644940，名稱為「一種低功耗永磁偏置外轉子徑向磁軸承」的專利文獻提出的直流式徑向二自由度外轉子混合磁軸承，採用雙片八極同極性磁軸承結構來控制徑向2個自由度，需要4路單極性(或2路雙極性)直流功率放大電路驅動控制8個徑向控制線圈，此結構的磁軸承體積大，相比於交流驅動的磁軸承，其磁軸承系統的功率放大電路的體積和成本高，功率放大器的功耗高，且工作效率低。公開號為CN101158374，名稱為「三磁極的永磁偏置徑向磁軸承」的專利文獻提出的三磁極的永磁偏置徑向磁軸承採用的是內轉子和環形永磁體結構，採用外部磁極鐵心與定子鐵心共同構成磁通迴路，所以增加了軸向長度，且徑向控制磁通經過永磁體所在的磁極，增大了控制磁路的磁阻，增加了線圈銅耗和功放損耗，若控制磁通與偏磁磁通方向相反時，控制磁通還會對永磁體產生去磁作用。公開號為CN1737388，名稱為「三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承及其控制方法」的專利文獻提出的磁軸承採用單片式結構的定子，且定子分為軸向定子和徑向定子兩部分，磁極及轉子結構相對簡單，缺點是軸向控制線圈與徑向控制線圈所佔的空間有限，導致磁軸承承載力下降、散熱性能差。

發明內容
本發明的目的為了克服現有技術的不足，從結構上來減少現有磁軸承的體積，降低磁軸承功耗和生產成本，提高磁軸承的工作性能，擴大磁軸承的應用領域而提出一種功耗低、體積小、重量輕、承載力大、加工製造方便的高性能徑向-軸向三自由度交直流混合磁軸承。本發明採用的技術方案是包括同軸設置的轉軸、轉子、徑向定子鐵心和軸向定子鐵心，軸向定子鐵心空套在轉軸上且內套徑向定子鐵心，徑向定子鐵心內套轉子，轉子固定套在轉軸上，徑向定子鐵心和軸向定子鐵心之間的空腔內設置軸向控制線圈；軸向定子鐵心在軸向上與轉子端面之間具有軸向氣隙；徑向定子鐵心的內腔壁向軸心處延伸出圓周方向均布的三個相同的定子鐵心磁極，三個相同的定子鐵心磁極上分別繞有相同的徑向控制線圈且在徑向上與轉子的外壁之間均具有徑向氣隙；在徑向定子鐵心的軸向兩側、與軸向定子鐵心之間分別設置相同的軸向充磁的環形的永磁體，永磁體的S極均朝向徑向定子鐵心，N極朝向軸向定子鐵心；永磁體產生靜態偏磁磁通，靜態偏磁磁通是從永磁體的N極流出，經軸向定子鐵心、軸向氣隙、轉子、徑向氣隙、徑向定子鐵心回到永磁體的S極的磁迴路；軸向控制線圈通直流電流，在軸向定子鐵心、軸向氣隙與轉子之間產生軸向控制磁通的磁迴路；三個徑向控制線圈通三相交流電流，在徑向定子鐵心、徑向氣隙與轉子之間形成徑向控制磁通。本發明與現 有技術相比的有益效果在於
1、傳統的直流式徑向二自由度混合磁軸承需要4路單極性(或2路雙極性)功率放大電路，而本發明採用已經成熟應用在工業領域中的交流驅動技術，只需用1個三相交流功率逆變器即可完全驅動徑向二自由度交流混合磁軸承，因而大大減小了功率放大電路的體積和成本，顯著降低了功率放大器的功耗，簡化了驅動控制方法，提高了磁軸承的工作效率， 使得此類磁軸承能在超高速高精數控工具機、無軸承電機、飛輪儲能系統中得到廣泛應用。2、本發明集軸向、徑向功能於一體，減少了磁軸承的軸向長度以及磁軸承系統的體積與成本，滿足衛星、空間站等太空飛行器所要求的體積小、重量輕的要求，還可以使系統的臨界轉速得到進一步提高。3、本發明的控制磁通不經過永磁體所在的磁極，減小了控制磁路的磁阻，降低了線圈銅耗和功放損耗，還可避免控制磁通與偏磁磁通方向相反時對永磁體的去磁。4、相比於現有技術中採用1塊徑向充磁的永磁體提供靜態偏磁磁通，本發明採用 2塊軸向充磁的環形永磁體，增大了繞制徑向控制線圈的空間，可以增大徑向承載力，且散熱性能好。5、本發明將軸向控制線圈繞制在永磁體及徑向定子鐵心的外圍，而磁軸承的其它部件不佔用其所屬空間，相比於背景技術中公開號為CN1737388專利的三自由度交直流磁軸承，本發明可為軸向控制線圈提供足夠的空間，因此軸向承載力明顯增大，且散熱性能好。


圖1為本發明徑向-軸向三自由度交直流混合磁軸承的結構主視圖及其磁通示意圖2為圖1的D-D向剖視圖； 圖3為圖1中軸向定子鐵心9的主視圖； 圖4為圖3中B-B向剖視圖中1.軸向控制線圈；2.徑向定子鐵心；21、22、23.徑向定子鐵心磁極；31、32.永磁體；4.轉子；5.轉軸；7.外圍隔磁鋁環；9.軸向定子鐵心；10.軸向控制磁通；11.徑向控制磁通；12.靜態偏磁磁通；13.軸向氣隙；14.徑向氣隙；15.沉頭螺釘；61、62、63.徑向控制線圈；81、82.內部隔磁鋁環；91.大圓環體；92.圓盤；93.小圓環體。
具體實施例方式如圖1和圖2所示，本發明是內轉子磁軸承結構，包括同軸安裝的轉軸5、轉子4、 徑向定子鐵心2和軸向定子鐵心9。軸向定子鐵心9是磁軸承的外殼，位於磁軸承最外圍， 軸向定子鐵心9的橫截面是中空的圓柱形，軸向定子鐵心9空套在轉軸5上，軸向定子鐵心 9內套徑向定子鐵心2，在徑向定子鐵心2和軸向定子鐵心9之間的空腔內設置軸向控制線圈1。徑向定子鐵心2內套轉子4，轉子4由圓形矽鋼片疊壓而成，轉子4的橫截面是中空的圓柱形，轉子4固定套在轉軸5上。轉子4和徑向定子鐵心2均採用矽鋼片疊壓而成，而軸向定子鐵心9採用電工純鐵加工而成，確保導磁性能良好，磁滯低，並儘量降低渦流損耗與磁滯損耗。如圖3-4所示，軸向定子鐵心9由兩個相同的圓盤92、一個大圓環體91及兩個相同的小圓環體93聯接而成。在兩個相同的圓盤92的軸向之間固定連接一個大圓環體91，大圓環體91的外徑與圓盤92相等。大圓環體91內空套兩個相同的小圓環體93。兩個相同的小圓環體93分別面對面地固定連接在兩個相同的圓盤92相應端面上，並且，兩個相同的圓盤92的內徑均與兩個相同的小圓環體93的內徑相等。兩個相同的小圓環體93在軸向上面對轉子4的端面，並且小圓環體93與轉子4端面之間留有軸向氣隙13，即軸向定子鐵心 9在軸向上與轉子4端面之間留有軸向氣隙13，軸向氣隙13在軸向上的間距是0. 3-0. 6mm。 可將一個圓盤92和一個小圓環體93加工成為整體零件，並且採用四個沉頭螺釘15將大圓環體91固定連接兩個整體零件。徑向定子鐵心2外形是中空的圓柱狀，具有三個相同的定子鐵心磁極21、22、23， 這三個定子鐵心磁極21、22、23是由徑向定子鐵心2的內腔壁向軸心處延伸所得，並且沿徑向定子鐵心2的圓周方向均勻分布，即每兩個徑向定子鐵心磁極之間的間隔角度為120度。 徑向定子鐵心磁極21、22、23在徑向上與轉子4的外壁之間留有徑向氣隙14，徑向氣隙14 在徑向上的間距為0. 3-0. 6mm。在徑向定子鐵心磁極21、22、23上分別繞制相同的徑向控制線圈 61、62、63。在徑向定子鐵心2的軸向兩側分別安裝相同的軸向充磁的環形永磁體31、32，永磁體31、32均採用高性能稀土材料釹鐵硼，在軸向上，被緊密疊壓在徑向定子鐵心2與軸向定子鐵心9之間，且永磁體31、32的S極均朝向徑向定子鐵心2，N極朝向軸向定子鐵心9。 環形永磁體31、32的外徑與徑向定子鐵心2的外徑相等。在永磁體31、32的徑向外壁上通過過盈配合連接一個外圍隔磁鋁環7，即外圍隔磁鋁環7通過過盈配合同時套在環形永磁體31、32和徑向定子鐵心2的外壁上。永磁體31、32在其徑向內壁上通過過盈配合分別連接內部隔磁鋁環81、82，即永磁體31、32通過過盈配合分別套在內部隔磁鋁環81、82的的外壁上。外圍隔磁鋁環7、內部隔磁鋁環81、82起固定連接與隔磁作用。在外圍隔磁鋁環7 和軸向定子鐵心9內壁之間的空腔內設置軸向控制線圈1，軸向控制線圈1緊挨外圍隔磁鋁環7外壁上。本發明由兩塊永磁體31、32產生靜態偏磁 磁通12 (圖1中帶箭頭的實線磁路)，靜態偏磁磁通12從2塊永磁體31、32的N極流出，經過軸向定子鐵心9，軸向氣隙13後進入轉子4，然後進入徑向氣隙14，最後經過徑向定子鐵心2回到永磁體31、32的S極，取代主動磁軸承中採用電磁鐵來產生靜態偏置磁通，可明顯降低功率放大器的功率損耗。本發明採用直流開關功率放大器為軸向控制線圈1提供控制電流，在軸向定子鐵心9、軸向氣隙13與轉子4之間產生軸向控制磁通10的磁迴路(參見圖1中帶箭頭的虛線磁路)，軸向控制磁通10在軸向氣隙13處與靜態偏磁磁通12進行合成，調 整軸向氣隙13 處磁場的大小，就可進而調節軸向懸浮力的大小和方向，克服外界擾動或負載，實現轉子的穩定懸浮。本發明由互成120度的三個徑向定子鐵心磁極21、22、23上的徑向控制線圈61、 62、63通以三相交流電流，提供徑向控制磁通11，採用1個三相交流功率逆變器驅動控制， 在徑向定子鐵心2、徑向氣隙14與轉子4之間均形成徑向控制磁通11。徑向控制磁通11 在徑向氣隙14處與靜態偏磁磁通12進行合成，調整徑向氣隙14處磁場的大小，就可進而調節徑向懸浮力的大小和方向，克服外界擾動或負載，實現轉子的穩定懸浮。當轉子由於負載或外擾動力在任一方向產生偏移時，根據三相交流電機磁場產生原理，三相徑向控制線圈61、62、63通上交流電產生旋轉磁場，形成一單極合成磁通，使之與永磁體31、32產生的靜態偏磁磁通12相疊加或削弱，從而在各氣隙處產生可控磁懸浮力來克服負載和擾動，使轉子始終處於懸浮的中間位置。
權利要求
1.一種徑向-軸向三自由度交直流混合磁軸承，包括同軸設置的轉軸(5)、轉子(4)、徑向定子鐵心(2 )和軸向定子鐵心(9 )，軸向定子鐵心(9 )空套在轉軸(5 )上且內套徑向定子鐵心(2)，徑向定子鐵心(2)內套轉子(4)，轉子(4)固定套在轉軸(5)上，其特徵是徑向定子鐵心(2)和軸向定子鐵心(9)之間的空腔內設置軸向控制線圈(1);軸向定子鐵心(9)在軸向上與轉子(4)端面之間具有軸向氣隙(13)；徑向定子鐵心(2)的內腔壁向軸心處延伸出圓周方向均布的三個相同的定子鐵心磁極(21、22、23)，三個相同的定子鐵心磁極(21、 22,23)上分別繞有相同的徑向控制線圈61、62、63且在徑向上與轉子(4)的外壁之間均具有徑向氣隙(14);在徑向定子鐵心(2)的軸向兩側、與軸向定子鐵心(9)之間分別設置相同的軸向充磁的環形的永磁體(31、32 )，永磁體(31、32 )的S極均朝向徑向定子鐵心(2 )，N極朝向軸向定子鐵心(9 )；永磁體(31、32 )產生靜態偏磁磁通(12)，靜態偏磁磁通(12)是從永磁體(31、32)的N極流出，經軸向定子鐵心(9)、軸向氣隙(13)、轉子(4)、徑向氣隙(14)、徑向定子鐵心(2)回到永磁體(31、32)的S極的磁迴路；軸向控制線圈(1)通直流電流，在軸向定子鐵心(9)、軸向氣隙(13)與轉子(4)之間產生軸向控制磁通(10)的磁迴路；三個徑向控制線圈(61、62、63)通三相交流電流，在徑向定子鐵心(2)、徑向氣隙(14)與轉子(4)之間形成徑向控制磁通(11)。
2.根據權利要求1所述的一種徑向-軸向三自由度交直流混合磁軸承，其特徵是永磁體(31、32)的外徑與徑向定子鐵心(2)的外徑相等，永磁體(31、32)的徑向外壁上連接一個外圍隔磁鋁環(7)、內壁上各連接內部隔磁鋁環(81、82)；軸向控制線圈(1)位於外圍隔磁鋁環(7 )和軸向定子鐵心(9 )內壁之間。
3.根據權利要求1所述的一種徑向-軸向三自由度交直流混合磁軸承，其特徵是軸向定子鐵心(9)由兩個相同的圓盤(92)、一個大圓環體(91)及兩個相同的小圓環體(93)聯接成，兩個相同的圓盤(92)在軸向間固定連接大圓環體(91)，大圓環體(91)內空套兩個相同的小圓環體(93)，大圓環體(91)的外徑與圓盤(92)的外徑相等，小圓環體(93)的內徑與圓盤(92)的內徑相等，且兩個相同的小圓環體(93)分別面對面地固定連接於兩個相同的圓盤(92)相應端面上；軸向氣隙(13)為小圓環體(93)與轉子(4)端面之間的間隙。
4.根據權利要求1所述的一種徑向-軸向三自由度交直流混合磁軸承，其特徵是軸向氣隙(13)和徑向氣隙(14)的間距均為0. 3-0. 6mm。
全文摘要
本發明公開一種用於無接觸懸浮支承的徑向-軸向三自由度交直流混合磁軸承，徑向定子鐵心和軸向定子鐵心之間設置軸向控制線圈，軸向定子鐵心在軸向上與轉子端面之間具有軸向氣隙，徑向定子鐵心內腔壁向軸心處延伸出周向均布的三個相同的定子鐵心磁極，其上分別繞有相同的徑向控制線圈且在徑向上與轉子的外壁之間均具有徑向氣隙；在徑向定子鐵心的軸向兩側、與軸向定子鐵心之間分別設置相同的軸向充磁的環形的永磁體，永磁體的S極均朝向徑向定子鐵心，N極朝向軸向定子鐵心；集軸向、徑向功能於一體，只需用1個三相交流功率逆變器驅動，採用2塊軸向充磁的環形永磁體，控制磁通不經過永磁體所在的磁極，功耗低、體積小、重量輕、承載力大。
文檔編號F16C32/04GK102305242SQ20111023291
公開日2012年1月4日 申請日期2011年8月15日 優先權日2011年8月15日
發明者張維煜, 朱熀秋 申請人:江蘇大學