[發明專利]一種徑向-軸向三自由度交直流混合磁軸承

有效

• 申請號: 201110232913.2
• 申請日: 2011-08-15
• 公開（公告）號: CN102305242A
• 公開（公告）日: 2012-01-04
• 發明（設計）人: 張維煜;朱熀秋
• 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: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

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機床電主軸、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、空間站等航天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，并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，采用直流控制，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占用較大的軸向空間；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，空間站等航天器所要求的體積小、重量輕的要求且不利于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，采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，相比于交流驅動的磁軸承，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采用的是內轉子和環形永磁體結構，采用外部磁極鐵心與定子鐵心共同構成磁通回路，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采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占的空間有限，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、加工制造方便的高性能徑向-軸向三自由度交直流混合磁軸承。

本發明采用的技術方案是：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極的磁回路；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回路；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于：

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，而本發明采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機床、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、徑向功能于一體，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、空間站等航天器所要求的體積小、重量輕的要求，還可以使系統的臨界轉速得到進一步提高。