一种用于水平轴风力发电的三自由度混合磁轴承的制作方法

文档序号:9806984阅读:352来源:国知局
一种用于水平轴风力发电的三自由度混合磁轴承的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承,特别应用于水平轴风力发电带较大负载的情况,同时也可作为电机、或其他机械设备的旋转部件的无接触的支撑。
【背景技术】
[0002]由于磁轴承能够实现无机械接触和电子控制,且具有无摩擦损耗、无需润滑及密封、耐环境性强、发热少、功耗低、圆周速度高等优点,使得磁轴承在高速、高精度及高清洁等领域具有很高的应用价值。对于水平放置的磁悬浮装置,磁轴承往往要求具有较大支撑转子重力的能力,如水平轴风力发电机、磁悬浮储能飞轮设备等。目前国内外研究的磁轴承主要采用轴向单自由度和径向二自由度的结构,径向重力方向仅采用一套悬浮绕组控制转子的径向悬浮,若磁轴承支撑的转子负载较大,重力方向一套悬浮绕组很难实现重力方向的稳定悬浮。同时为了保证轴向方向的稳定悬浮,现阶段磁轴承中都采用带推力盘的转子,由于轴向推力盘卡在磁轴承定子的中间,所以轴向安装或拆卸推力盘都是比较麻烦。
[0003]因此,研究人员对上述两方面进行改进和优化。国内外现有的相关专利申请情况检索有:(I)一种大承载能力径向磁轴承(专利公开号:CN102072249A); (2)磁悬浮电机轴承结构(专利公开号:CN101158376A);(3)—种具有容错功能的永磁偏置外转子径向磁轴承(CN101881303A); (4)三自由度双薄片三相交流混合磁轴承(CN101074700A)等。
[0004]上述专利(I)中提出的大承载力径向磁轴承,承重侧定子铁心包含重力方向上一个面积较大的磁极及一个面积较小的磁极,利用两个定子铁心磁极极弧长度不一致,永磁此路分别在大、小两端磁极的气隙处产生不同大小的永磁拉力,两力合成后对转子的单边磁拉力用以克服转子重力,但是专利(I)采用的是被动控制来实现对转子的大承载力,主动控制性能可以进一步提升。专利(2)利用磁阻最小原理,通过E型磁芯与环形接合部相对应的方式,限定了引出轴的轴向为止,从而省去了止推轴承的设置,专利2中在轴向采用E型结构代替传统的止推盘轴向结构略显复杂。专利(3)提出一种具有容错功能的磁轴承,相对于在一个磁轴承中有两个完全一样的磁轴承结构,虽然在重力方向有两套控制线圈,但是一套仅仅是用于备用,不是用于支撑大的负载。专利(4)采用的是三极结构同一套三相交流励磁绕组,实现三自由度的悬浮,在轴向上利用轴承的自协调能力,也就是在轴向上属于被动悬浮,轴向悬浮性能可能会略有逊色。

【发明内容】

[0005]本发明的目的是解决现有磁力轴承在支撑较大转子或负载过大、且在轴向和径向都存在大的扰动或负载的情况,同时在轴向上省略了止推盘,从而减小了电主轴或各种需要悬浮支撑旋转的轴向尺寸,以使得系统的临界转速得到进一步提高,实现了一种体积小,功耗低的大承载力的磁轴承。使得此类磁轴承能在超高速超精密数控机床、磁悬浮风力发电机、飞轮储能系统等悬浮支撑系统中得到广泛的应用。
[0006]本发明采用的技术方案为:用于水平轴风力发电的三自由度混合磁轴承,包括外定子、内定子、圆柱形转子;所述圆柱形转子由内圈向外圈依次套有圆柱形的内定子和外定子,所述内定子采用齿槽结构,内定子内部沿着圆周均布有多个内定子齿,内定子在水平方向相对地设置有两个内定子齿;重力方向上相对地设置有两对内定子齿,该重力方向两对内定子齿分别为承重侧内定子齿和y方向径向悬浮侧内定子齿;水平方向相对设置的两个内定子齿分别绕有X方向径向悬浮控制绕组,承重侧内定子齿上绕有承重侧支撑控制绕组,y方向径向悬浮侧内定子齿上绕有y方向径向悬浮控制绕组;为此能够实现磁轴承径向两个自由度方向上的悬浮;所述外定子、内定子之间在径向方向上设有环形永磁体,永磁体沿着径向充磁;所述外定子、内定子之间在轴向方向上分别设有一对隔磁铝盘,分别为径向悬浮控制侧隔磁铝盘、承重侧隔磁铝盘;所述外定子和径向悬浮控制侧隔磁铝盘之间、外定子和承重侧隔磁铝盘之间在轴向方向均设置有轴向悬浮控制绕组,所述轴向悬浮控制绕组非接触的围绕圆柱形转子的圆周布置,实现磁轴承轴向一个自由度方向上的悬浮。
[0007]进一步,所述转子在轴向方向的长度要小于外定子轴向方向的长度,且转子的左右两端端面的位置位于外定子轴向左右端部厚度之间。
[0008]进一步,所述承重侧支撑控制绕组为两套,采用差动连接,共用一套控制器;所述y方向径向悬浮控制绕组为两套,采用差动连接,共用一套控制器。
[0009]进一步,所述径向悬浮控制侧隔磁铝盘、承重侧隔磁铝盘均为大小相同、中心开有通孔的圆盘。
[0010]进一步,所述永磁体提供轴向和径向的偏置磁通,永磁体材料选用稀土材料钕铁硼。
[0011]本发明的有益效果是:
[0012]I)本发明针对带有大负载或者是转子过重、过大时,将磁轴承径向y方向分为承重侧和悬浮控制侧,承重侧根据负载情况及时调整控制线圈中电流的大小,悬浮控制侧绕组用来控制转子径向y方向的悬浮,径向y方向悬浮控制侧绕组和承重侧支撑绕组共同控制转子在重力y方向径向的悬浮,在X方向有一套X方向悬浮控制绕组来单独控制X轴方向的悬浮,因此该结构使得磁轴承在径向方向的悬浮更加稳定。在轴向z方向采用轴向控制绕组来控制轴向的悬浮,同时采用圆柱形转子代替带有止推盘的转子,使得转子安装和拆卸更加方便。
[0013]2)两个隔磁铝盘分别位于磁轴承的两边轴向端部,其目的为减小径向悬浮绕组和轴向悬浮绕组之间的耦合;轴向悬浮绕组放置在于隔磁铝盘与外定子轴向端盖之间;为了简化磁轴承在轴向方向安装或拆卸的难度,但是为了保证在轴向方向的稳定悬浮,圆柱形转子在轴向z方向的长度要稍小于外定子轴向的长度,且圆柱形转子的左右端面的位置必须位于外定子轴向左右端部厚度之间。永磁体为径向圆环,并沿径向方向充磁。环形永磁体为磁轴承偏置磁通,环形永磁体位于外定子和内定子之间。
[0014]3)内定子在径向X方向只有两个X方向内定子齿,且这两个内定子齿以转轴为中心对称放置,在这两个X方向内定子齿上分别绕置X方向的径向悬浮绕组,且这两套X方向的径向悬浮绕组采用差动控制,共用一套控制器,用以控制转子在径向X方向的稳定悬浮。
【附图说明】
[0015]图1为本发明的yz方向的剖视图;
[0016]图2为本发明的轴向磁路分布图;
[0017]图3为本发明的内定子三维立体图;
[0018]图4为本发明的永磁环xy方向剖视图;
[0019]图5为本方明的隔磁铝盘在xy方向的剖视图。
[0020]图中:1.外定子、2.永磁体、3.内定子、4.承重侧隔磁铝盘、5.轴向悬浮控制绕组、
6.转子、7.y方向径向悬浮控制绕组、8.承重侧支撑控制绕组、9.径向悬浮控制侧隔磁铝盘、1.X方向径向悬浮控制绕组、11.承重侧内定子齿、12.y方向径向悬浮侧内定子齿;其中Φ ZEM为轴向悬浮控制绕组所产生的磁通;Φ PM为径向磁化的永磁体环产生的偏置磁通。
【具体实施方式】
[0021]本发明现构建一种用于水平轴风力发电具有大承载力的三自由度磁轴承,根据等效磁路法构建其数学模型。再由此数学模型结合预先给定的设计参数指标对磁轴承的结构参数与电气参数进行公式化推算,依据此公式设计出性能优良且满足实际应用要求的磁轴承。依据此结构参数使用有限元分析软件magnet对磁轴承结构参数进一步优化设计,并验证结构设计原理及磁通分布的正确性。最后,依据数学模型和各实际参数,设计控制器电路。
[0022]本发明包括外定子1、永磁体2、内定子3、承重侧隔磁铝盘4、轴向悬浮控制绕组5、圆柱形转子6、7方向径向悬浮控制绕组7、承重侧支撑控制绕组8、径向悬浮控制侧隔磁铝盘
9、x方向径向悬浮控制绕组10。
[0023]所述圆柱形转子6由内圈向外圈依次套有圆柱形的内定子3和外定子I,所述内定子3采用齿槽结构,内定子3内部沿着圆周均布有多个内定子齿,内定子3在水平方向相对的设置有两个内定子齿;重力方向上相对的设置有两对内定子齿,该两对内定子齿分别为承重侧内定子齿11和y方向径向悬浮侧内定子齿12;水平方向相对设置的两个内定子齿分别绕有X方向径向悬浮控制绕组1,承重侧内
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