专利名称：三自由度双薄片三相交流混合磁轴承的制作方法
技术领域：
本发明属于电气传动(机械传动)设备领域，特指一种新型的三自由度双薄片三相交流混合磁轴承，适用与各类高速旋转机械的三自由度悬浮支承，属于电力传动控制设备的技术领域。
背景技术：
目前，磁悬浮轴承(简称磁轴承)按照磁力提供方式，分为主动磁轴承、被动型磁轴承和混合型磁轴承(永磁偏置)三种。混合磁轴承用永久磁铁产生的磁场取代主动磁轴承中电磁铁产生的静态偏置磁场，能大大降低功率放大器的功耗，使电磁铁的安匝数减少，缩小磁轴承体积，提高轴承承载能力。传统直流偏置型径向磁轴承机械结构简单，但功率损耗大；传统永磁偏置型径向磁轴承虽功耗有所降低，但结构又较复杂。
目前国内、国外研究的三极径向混合磁轴承，如中国专利200510040066.4，综合了传统永磁偏置型径向磁轴承与直流偏置型径向磁轴承的优点，采用永磁体代替偏置直流来提供偏置磁通以提供静态悬浮力，减小了功率损耗，大大缩小了电磁铁体积及绕线空间；采用三相逆变器对三极控制线圈进行励磁以产生控制磁通来克服瞬态负载及扰动，简化了控制算法，减小了磁轴承的功放体积与成本。但是轴向和径向都需要同时控制，由于励磁控制中还存在直流励磁，因而控制较复杂，控制性能很难提高，损耗也比较大。目前存在的全永磁被动磁轴承，其在三个自由度上的稳定性和抗干扰能力很难适应如高速机床等高精度领域的要求。
为了从结构上来减小磁轴承的生产成本，提高磁轴承的工作性能，扩大磁轴承的应用领域，需采用一些新的结构形式降低控制成本，提高磁轴承的工作性能，扩大磁轴承的应用领域。
发明内容
本发明的目的是提出结构简单紧凑，控制简单，控制成本低，控制精度高，从三个自由度的控制减少为控制两个自由度，并大大减小功率放大器的体积与成本，提高磁轴承的控制性能，使得此类磁轴承能在高速精密机床、磁悬浮无轴承电机、飞轮储能系统及人造卫星等悬浮支撑系统中得到广泛应用。
本发明的方案是采取一个环形永磁体同时为两个径向薄片磁轴承提供偏置磁通，分为内转子结构和外转子结构，内转子结构其特征在于由径向绕组、两端薄片状的转子、左薄片定子、环形永磁体、右薄片定子等构成三自由度交流混合磁轴承；外转子其特征在于由径向绕组、两端薄片状的转子、左薄片状定子、环形永磁体、右薄片状定子等构成三自由度交流混合磁轴承；其轴向自由度，由于双薄片径向磁轴承基于薄片电机原理在永磁偏置作用下实现被动控制，被动悬浮力较强，同时该磁轴承具有很强的自协调功能；两个径向薄片磁轴承采用三极结构同一套三相绕组交流励磁，轴向无须控制因而轴向和径向耦合也较小，其轴向悬浮力较强，适合轴向和径向都存在大的干扰或负载的环境，因而具有更大的适用性。
具体方案是转子的一端薄片转子极和定子的一端薄片极以及径向绕组构成了一个薄片状径向磁轴承，转子和定子两端均为薄片状，该结构磁轴承实际是两个薄片径向磁轴承构成；采取一个环形永磁体同时为两个薄片状径向磁轴承提供静态偏磁磁通；左薄片定子、环形永磁体和右薄片定子沿轴向从左到右依次排列，并且紧密靠在一起。内转子结构将转子置于左薄片定子、环形永磁体和右薄片定子的内部，外转子结构将转子置于左薄片定子、环形永磁体和右薄片定子的外部。
两端薄片状的径向磁轴承采用三极结构，励磁控制电流采用三相交流，左右两个薄片状的径向磁轴承采用同一套绕组同时控制，磁偏置磁通在两个径向磁轴承中方向相反，左右两端的径向绕组在中间永磁体附近换向。
双薄片结构在永磁偏置作用下实现轴向被动悬浮，无需励磁，而且具有很强的被动悬浮力；两个薄片径向磁轴承采用同一套三相逆变器提供控制电流；采用DSP数字控制器同时对径向位移进行实时控制；由高分辨率的电涡流传感器或霍尔传感器对转子径向位置进行检测，传感器输出位移信号至DSP系统，线性闭环控制器对其参考位置信号进行比较，模糊PID位置控制器进行控制，输出控制信号，实现三自由度交流混合磁轴承闭环控制。
本发明的优点是采用永磁体同时对两个薄片状径向磁轴承提供偏置磁通，轴向采用双薄片结构基于薄片电机原理实现被动悬浮，无需励磁绕组，被动力比单个薄片状径向磁轴承产生的被动力大得多，轴向稳定性得到增强；该磁轴承的两端薄片结构，保证转子在发生倾斜，即转子左右端偏移程度不同时，偏移在被动悬浮力的作用下可以自行调节，直到两个薄片状径向磁轴承偏移趋于相同，从而适合同一套三相绕组同时控制，因而该磁轴承具有很强的自协调功能；两个径向薄片磁轴承采用三极结构，双薄片径向磁轴承采用同一套三相绕阻控制，减少了功率放大器的数量，由传统的控制三个自由度减少为控制两个自由度，控制简单，同时提高了轴向和径向的控制性能，降低了制造与运行成本，扩大了应用领域。
图1是内转子三自由度双薄片三相交流混合磁轴承三维截面图。
图1中标号名称1、径向绕组。2、两端薄片状的转子。3、左薄片定子。4、环形永磁体。5、右薄片定子。
图2是外转子三自由度双薄片三相交流混合磁轴承三维截面图。
图3、4是内、外转子三自由度双薄片三相交流混合磁轴承原理图。
图3、4中标号名称图中Φa、Φb和Φc分别为A、B和C轴绕组产生的磁通，Φx和Φy分别是Φa、Φb和Φc到x和y轴的等效磁通。ia、ib和ic分别为A、B和C轴绕组电流，ix和iy为x和y轴等效绕组电流。Fx、Fy分别为x、y轴方向上所受径向力。
图5、6分别为内、外转子轴向被动悬浮原理图。
图5、6中标号名称g1、g2、g3、g4分别为双薄片三相交流混合磁轴承的气隙。Fz为z轴方向的被动悬浮力。
图7内转子双薄片轴向自协调控制原理。
图8外转子双薄片轴向自协调控制原理。
具体实施例方式
图1、2是本发明的内、外转子三自由度双薄片三相交流混合磁轴承三维结构示意图，图中的定子分为左右两端两个部分，由硅钢片叠压而成，径向为三极薄片结构，带有三个励磁绕组，左右两个薄片径向磁轴承采用同一套三相励磁绕组。
径向工作原理，如图3、4所示。转子在磁通Φa、Φb和Φc作用下，处于平衡位置，若转子受外扰力作用偏向x正方向，则减小磁通Φx即可让转子回到平衡位置。ia、ib和ic分别为A、B和C轴绕组电流，ix和iy为x和y轴等效绕组电流。分析可知，改变x、y轴绕组电流ix、iy大小和方向，即可改变Fx、Fy的大小和方向，让转子回到平衡位置。
轴向被动悬浮原理，如图5、6所示。轴向的被动悬浮利用了薄片电机转子的轴向长度较直径小得多的结构特点和磁阻力总是有使磁路磁阻最小的趋势的性质。当转子发生轴向偏移的时，磁拉力总会将转子拉向磁阻最小的方向拉。当电机的直径与轴向长度之比满足一定的标准时，转子一旦有沿z轴方向的偏移，根据电磁学基本理论，都会受到一个与其偏移方向相反的电磁吸力Fz的作用，使其有往平衡位置返回的趋势，所以转子在沿z方向上是被动稳定的。定转子采用双薄片结构，进一步提高了轴向被动位移刚度，提高被动稳定能力。
协调控制原理，如图5、6、7和8所示。该磁轴承左右两端的薄片状磁轴承采用同一套绕组控制，永磁体采用轴向充磁，永磁偏置磁通在两个径向磁轴承中方向相反，左右两端的径向绕组在中间永磁体附近换向，保证两端薄片状径向磁轴承径向绕组励磁磁通和永磁体偏置磁通方向可以相同。在图5和6中，由于该磁轴承由两个薄片状径向磁轴承构成，其轴向基于薄片电机原理被动悬浮，被动悬浮力由环形永磁体偏置磁通产生，被动力比单个薄片状径向磁轴承产生的被动力大得多，轴向稳定性得到增强。如图7和8，转子在发生倾斜，即转子左右端偏移程度不同时，偏移在被动悬浮力的作用下可以自行调节，而且具有很强的调节能力，直到两个薄片状径向磁轴承偏移趋于相同，从而适合同一套三相绕组同时控制，因而该磁轴承具有很强的自协调功能。
权利要求
1.三自由度双薄片三相交流混合磁轴承，其特征在于包括径向绕组(1)、两端薄片状的转子(2)、左薄片定子(3)、环形永磁体(4)、右薄片定子(5)，其中径向绕组绕在定子极上，左薄片定子(3)、环形永磁体(4)和右薄片定子(5)沿轴向从左到右依次排列，并且紧密靠在一起；所述的转子分为内转子结构和外转子结构，其中内转子结构中转子(2)位于左薄片定子(3)、环形永磁体(4)和右薄片定子(5)的内部，外转子结构中转子(2)位于左薄片定子(3)、环形永磁体(4)和右薄片定子(5)的外部。
2.根据权利要求1所述的三自由度双薄片三相交流混合磁轴承，其特征在于由转子的一端薄片转子极和定子的一端薄片极以及径向绕组构成了的两端薄片状的径向磁轴承采用三极结构，励磁控制电流采用三相交流，左右两个薄片状的径向磁轴承采用同一套绕组同时控制。
3.根据权利要求1所述的三自由度双薄片三相交流混合磁轴承，其特征在于永磁体采用轴向充磁，永磁偏置磁通在两个径向磁轴承中方向相反，左右两端的径向绕组在中间永磁体附近换向。
全文摘要
本发明为一种新型的三自由度双薄片三相交流混合磁轴承，适用于高速旋转机械的三自由度悬浮支承。其采取一个环形永磁体同时为两个径向薄片磁轴承提供偏置磁通，分为内转子结构和外转子结构，内、外转子的结构特征在于均由径向绕组、两端薄片状的转子、左薄片定子、环形永磁体、右薄片定子等构成三自由度交流混合磁轴承；其轴向自由度，由于双薄片径向磁轴承基于薄片电机原理在永磁偏置作用下实现被动控制，被动悬浮力较强，同时该磁轴承具有很强的自协调功能；两个径向薄片磁轴承采用三极结构同一套三相绕组交流励磁，轴向无须控制因而轴向和径向耦合也较小，其轴向悬浮力较强，适合轴向和径向都存在大的干扰或负载的环境，因而具有更大的适用性。
文档编号F16C32/04GK101074700SQ20071002461
公开日2007年11月21日 申请日期2007年6月25日 优先权日2007年6月25日
发明者费德成, 孙玉坤, 朱熀秋, 全力 申请人:江苏大学