一种五自由度混合磁轴承

一种五自由度混合磁轴承
1.技术领域
2.本发明涉及轴承制造技术领域，具体涉及一种集转子径向气隙和轴向单侧气隙可调的五自由度混合磁轴承。


背景技术：

3.磁悬浮电机是利用磁轴承产生的电磁力支承电机转子五自由度稳定悬浮的特种电机。由于定、转子之间不存在机械接触，所以磁悬浮电机可达到很高的运转转速，并且具有无机械磨损、能耗低、寿命长、无需润滑、无污染等优点，特别适合应用于高速或超高速直接驱动领域。
4.要实现电机转子稳定悬浮，必须采用多个磁轴承组成五自由度磁悬浮系统共同支承高速电机转子。目前，五自由度磁悬浮电机解决方案主要包括两种，一种是用单自由度磁轴承、两自由度磁轴承和三自由度磁轴承自由组合来支承高速电机转子（cn201210472348.1与cn201720195930.6）；另一种是采用能够在一个单元内实现电机转子五自由度稳定悬浮的集成化磁轴承来支承电机转子（cn201610399378.2，cn202011015788.5）。第一种磁悬浮电机的体积庞大、轴向长度长、临界转速低、悬浮力密度低，多个单元协调控制困难；第二种磁悬浮电机的轴向磁路太长，漏磁严重，且轴向控制绕组电流与功耗较大。因此，如何设计磁路短、结构合理、悬浮力密度大的磁轴承是实现其工业应用的基础，本发明公开一种结构新颖、轴向磁路短、漏磁小、功耗低的两个半自由度混合磁轴承，可成对使用共同支承电机转子，形成五自由度磁悬浮电机。


技术实现要素：

5.发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种五自由度混合磁轴承，其可成对使用，用于支撑电机转子五自由度稳定悬浮，有效减小了五自由度磁悬浮电机的磁路长度，体积小，功耗低，结构紧凑，临界转速高，径向悬浮力密度大。
6.技术方案：本发明提供了一种五自由度混合磁轴承，包括一对两个半自由度混合磁轴承，一对所述两个半自由度混合磁轴承中间设置间隙，一对所述两个半自由度混合磁轴承均以其中间空隙为轴，左右轴对称设置，每个所述两个半自由度混合磁轴承包括定子和转子，所述定子包括径向定子铁心、永磁体、轴向定子铁心；所述径向定子铁心沿其内圆周均匀分布2n个磁极，其中，n个磁极为控制磁极，其余n个磁极为分别嵌入了所述永磁体的永磁磁极，n个所述控制磁极与n个永磁磁极间隔设置；n个控制磁极上均绕制径向控制绕组；所述轴向定子铁心的内侧面沿圆周径向均匀分布2m块弧形控制铁心；所述弧形控制铁心上均绕制轴向控制绕组；所述径向定子铁心与轴向定子铁心通过隔磁材料相连；所述转子包括转子铁心和转轴，所述转子铁心与所述径向定子铁心位置相对，且与2n个磁极形成径向气隙，与所述弧形控制铁心形成轴向气隙，。
7.进一步地，所述控制磁极圆周弧长是所述永磁磁极的两倍，所述控制磁极下的气隙偏置磁通密度为bs，则永磁磁极下的偏置磁密为2bs。
8.进一步地，取n=4，4个所述控制磁极上绕制的径向控制绕组用于径向悬浮两自由度控制，相对的两极绕组反向串联或并联。
9.进一步地，取n=3，3个所述控制磁极上绕制的径向控制绕组用于径向两自由度悬浮控制，且连接为星型绕组。
10.进一步地，取m=1或2或3；2m块所述弧形控制铁心上绕制的轴向控制绕组用于轴向半自由度悬浮控制，在相对的两个绕组反向串联或反向并联之后串联或并联为一个绕组。
11.进一步地，n个所述永磁体为块状结构，其充磁方向为沿径向同极性充磁。
12.进一步地，所述径向定子铁心、轴向定子铁心、转子铁心均采用导磁性能的材料制成，所述永磁体均为稀土永磁材料制成。
13.有益效果：本发明提到的两个半自由度混合磁轴承集径向两自由度气隙和轴向单侧气隙可调特征，实现了2.5自由度悬浮控制，可成对用于支撑高速电机转子，形成五自由度磁悬浮电机，与现有的五自由度磁悬浮电机相比，具有体积小，轴向长度短，临界转速高，且磁路短、功耗低、漏磁小、悬浮力密度大的特点。本发明径向部分控制磁极圆周弧长是永磁磁极的两倍，增大了悬浮力。
附图说明
14.图1为本发明两个半自由度混合磁轴承结构图；图2为本发明五自由度混合磁轴承右视悬浮磁通图；图3为本发明两个半自由度混合磁轴承径向悬浮磁通图。
15.其中，1-径向定子铁心，2-永磁体，3-轴向定子铁心，4-控制磁极，5-永磁磁极，6-径向控制绕组，7-控制圆盘，8-轴向控制绕组，9-转子铁心，10-转轴，11-径向气隙，12-轴向气隙， 13-偏置磁通，14-径向悬浮控制磁通，15-轴向悬浮控制磁通，16-隔磁材料。
具体实施方式
16.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
17.具体实施方式如图1-3所示，本发明公开了一种五自由度混合磁轴承，包括一对两个半自由度混合磁轴承，一对两个半自由度混合磁轴承中间设置间隙，一对两个半自由度混合磁轴承均以其中间空隙为轴，左右轴对称设置，每个两个半自由度混合磁轴承包括定子和转子，定子包括径向定子铁心1、块状永磁体2、轴向定子铁心3。径向定子铁心1沿其内圆周均匀分布2n个磁极，其中n个为控制磁极4，n个为嵌入了块状永磁体2的永磁磁极5，n个控制磁极4与n个永磁磁极5间隔设置，n常取3或4，本实施方式中取n=4，参见附图1和附图3，4个控制磁极4上绕制径向控制绕组6。轴向定子铁心3的内侧面沿圆周径向均匀分布2m块弧形控制铁心7，本实施方式中，取m=2，4块弧形控制铁心7沿圆周均匀分布。在4块弧形控制铁心7上绕制轴向控制绕组8，参见附图1。
18.径向定子铁心1与轴向定子铁心3通过隔磁材料16相连；转子包括转子铁心9和转
轴10，转轴10贯穿于转子铁心9，转子铁心9与径向定子铁心1位置相对，且与8个磁极形成径向气隙11，与弧形控制铁心7形成轴向气隙12，参见附图2。
19.控制磁极4圆周弧长是永磁磁极5的两倍，控制磁极4下的气隙偏置磁通密度为bs，则永磁磁极5下的偏置磁密为2bs。
20.4个块状永磁体2的充磁方向为径向同极性充磁，本实施方式中，4个块状永磁体2均为45
°
方向充磁，提供径向偏置磁通。
21.4个控制磁极4上绕制的径向控制绕组6用于径向两自由度悬浮控制，相对的径向两极绕组反向串联或并联。
22.4个弧形控制铁心7上绕制的轴向控制绕组8用于轴向半自由度悬浮控制，相对的两极绕组反向串联或并联，在相对的径向两极绕组反向串联或并联之后进行串联或并联为一个绕组。
23.径向定子铁心1、轴向定子铁心3、转子铁心9均采用导磁性能的材料制成。块状永磁体2均为稀土永磁材料制成。
24.当需要五自由度的混合磁轴承实现转轴10轴向自由度位移的主动控制时，针对上述的两个半自由度混合磁轴承，只需将两个相同的两个半自由度的混合型轴向磁轴承成对配合使用。
25.其中一个两个半自由度混合磁轴承的块状永磁体2给径向定子铁心1提供偏置磁通13，参加附图3，偏置磁通13的磁路为：磁通从永磁体2的n极出发，通过永磁磁极5、径向定子铁心1轭部、控制磁极4、径向气隙11、转子铁心9、径向气隙11、回到永磁体2的s极。另一个两个半自由度混合磁轴承的块状永磁体2给径向定子铁心1提供偏置磁通13与图3中一样，此处不做赘述。
26.其中一个两个半自由度混合磁轴承的径向控制绕组6通电产生的径向悬浮控制磁通14，其磁路为：控制磁极4、径向定子铁心1轭部、径向气隙11、转子铁心9形成闭合路径。另一个两个半自由度混合磁轴承的径向控制绕组6通电产生的径向悬浮控制磁通14的磁路与上述一样，不做赘述。
27.其中一个两个半自由度混合磁轴承的轴向控制绕组8通电产生的轴向悬浮控制磁通15，其磁路在轴向气隙12、弧形控制铁心7之间，转子铁心9的侧面形成闭合路径。另一个两个半自由度混合磁轴承的轴向控制绕组8通电产生的轴向悬浮控制磁通15的磁路与上述一样，不做赘述。
28.悬浮原理：径向由静态偏置磁通13与径向悬浮控制磁通14相互作用，使得与转子径向偏心方向相同一侧气隙磁场叠加减弱，而相反方向气隙磁场叠加增强，在转子上产生与转子偏移方向相反的力，将转子拉回径向平衡位置。轴向由轴向悬浮控制磁通15作用，当转子受到扰动力反向运动时，轴向气隙12变大，此时将轴向控制绕组8通入控制电流，产生控制磁通，将转子拉回原来的位置。
29.上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。