[實用新型]三自由度錐形定轉子交直流混合磁軸承

無效

• 申請號: 200720041897.8
• 申請日: 2007-11-28
• 公開（公告）號: CN201121655Y
• 公開（公告）日: 2008-09-24
• 發明（設計）人: 朱熀秋;張仲;吳熙
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: F16C32/04
• 分類號: F16C32/04
• 代理公司: 南京知識律師事務所
• 代理人: 汪旭東

技術領域

本實用新型屬于機電氣傳動設備的技術領域，是一種沒有任何機械接觸的磁軸承領域，特指集軸向、徑向功能于一體的新型三自由度交直流混合磁軸承，適用于高速高精運轉系統及機械加工系統中三自由度轉軸的懸浮支承。

背景技術

自二十世紀七十年代磁軸承技術迅速發展以來，研究方向主要為采用直流驅動同時提供靜態偏置磁通與控制磁通的主動型磁軸承，并集中于軸向單自由度與徑向二自由度磁軸承的研究。一個典型的磁懸浮系統需要同時在五個自由度方向上施加約束控制，通常是由一個軸向單自由度磁軸承和兩個徑向二自由度磁軸承組成。這種結構設計增大了軸承的軸向長度，使得磁軸承系統體積較大，重量增加。電機軸向長度增加使得轉子臨界轉速下降，電機向更高轉速發展受到限制。較大的體積和重量嚴重制約磁軸承在航空航天等領域的應用發展。同時，主動型磁軸承的電流驅動需要一套直流功率放大電路裝置，直流功放體積龐大，成本較高，這極大地限制著磁軸承在機械加工等領域的實際應用。

在第七屆國際磁軸承會議上，瑞士蘇黎士聯邦工學院(ETH)的Redemann.C發表了關于30kW無軸承密封泵應用測試報告，研究了二自由度的交流混合磁軸承，該磁軸承直接采用工業上通用的三相逆變器提供控制電流，并采用永磁體提供靜態偏置磁場，大大減小了功率放大器體積，并降低了轉動損耗，但還是要與一軸向磁軸承才能實現三自由度的懸浮支承，依然沒能在整體系統軸向結構緊湊方面及轉子臨界轉速提高方面取得進步。

國內現有的相關專利申請情況檢索有：(1)專利公開號：CN1644940，專利名稱：一種低功耗永磁偏置外轉子徑向磁軸承；(2)專利公開號：CN1737388，專利名稱：三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承及其控制方法；(3)專利公開號：CN101038011，專利名稱：三自由度交流混合磁軸承。上述專利申請1提出的磁軸承為雙片式八極定子結構，徑向控制線圈采用直流功放驅動控制，其缺陷是：定子的結構復雜，使得磁軸承系統體積較大，重量增加；直流功放裝置體積龐大，成本較高。專利2、3中提出的三自由度交流混合磁軸承，徑向控制線圈采用三相交流逆變器驅動，軸向控制線圈采用直流開關功放驅動，其定子為單片式結構，且定子分為軸向定子和徑向定子兩部分，空氣氣隙也分為軸向空氣氣隙和徑向空氣氣隙，其缺陷是：這種結構設計增大了軸承的軸向長且轉子臨界轉速不太高。

發明內容

本實用新型的目的是：提出一種結構簡單緊湊，體積較小，降低磁軸承功耗，同時控制軸向-徑向三自由度的永磁偏置交直流混合磁軸承，減小軸承軸向尺寸，以使得系統的臨界轉速得到進一步提高，并采用工業上廣泛應用的交流逆變器作為徑向控制線圈的電流驅動，使得此種結構磁軸承可以在高速高精數控機床、磁懸浮無軸承電機、飛輪儲能系統及航空航天發動機等懸浮支承系統中得到廣泛應用。

本實用新型采用的技術方案是：包括永磁體和與其靠近的定子、轉子套在轉軸上，兩組控制線圈靠近定子安裝，定子由軟磁材料硅鋼片疊壓而成，緊靠在圓環形永磁體的兩側；在定子內側沿徑向圓周均勻分布三個硅鋼疊片的分隔式錐形磁極，錐形磁極分隔開的兩部分相互鏡像對稱分布，中間安裝隔磁鋁環進行空間隔離；所述兩組控制線圈包括軸向控制線圈和三相徑向控制線圈，三相徑向控制線圈纏繞在三個分隔式錐形磁極上，軸向控制線圈位于定子內側空腔中；所述轉子由圓形硅鋼迭片疊加而成，且設置成與錐形磁極相對應的圓錐形，圓錐形的轉子與錐形磁極之間形成一個工作氣隙。

本實用新型的有益效果是：

1.磁軸承轉子與磁極采用錐形結構，利用錐形的結構特點使得圓錐形轉子受到的磁吸引力在軸向、徑向均有分量，實現了利用軸向磁路和徑向磁路共用同一工作氣隙同時控制圓錐形轉子在軸向、徑向三個自由度的懸浮；通過調整工作氣隙磁場大小，軸承吸力可同時控制圓錐形轉子軸向懸浮力和徑向懸浮力，使得圓錐形轉子能夠穩定懸浮在平衡位置。

2.集軸向徑向功能于一體的結構設計使得磁軸承支承的電機系統軸向長度大大減小，結構更加緊湊，臨界轉速提高，電機可以向更高轉速發展；同極結構的設計使得轉子的鐵損降低。這種結構適合應用于高速運動系統例如飛輪儲能系統。

3.定子采用雙片式六極(2×3)結構，軸向定子和徑向定子共用，進一步精簡了磁軸承結構。

4、徑向、軸向控制電流獨立輸入，控制簡單，徑向控制磁通和軸向控制磁通相互獨立，不存在耦合，減少了阻抗損耗。

附圖說明

圖1是本實用新型的軸向截面圖；

圖中：1.定子、2.軸向控制線圈、3.分隔式錐形磁極、4.圓錐形轉子、5.轉軸、7工作氣隙、8.徑向控制線圈、9.隔磁鋁環、11圓環形永磁體；