專利名稱：一種永磁外轉(zhuǎn)子混合磁軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非機(jī)械接觸磁軸承領(lǐng)域，特指一種永磁外轉(zhuǎn)子混合磁軸承，適用于各類旋 轉(zhuǎn)機(jī)械的三自由度懸浮支承，可作為五自由度磁懸浮高速機(jī)床電主軸等機(jī)械設(shè)備中旋轉(zhuǎn)部 件的無接觸懸浮支承。
背景技術(shù)：
隨著二十世紀(jì)七十年代磁軸承技術(shù)的迅速發(fā)展，國內(nèi)外的磁軸承研究人員研究了主動(dòng) 型軸向單自由度和徑向二自由度磁軸承，在磁軸承控制方法上主要釆用直流信號(hào)同時(shí)提供 靜態(tài)偏磁磁通與控制磁通。任何一個(gè)穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)子均需要在其五自由度上施加約束， 故通常均是采用1個(gè)軸向單自由度磁軸承和2個(gè)二自由度徑向磁軸承來構(gòu)成五自由度懸浮 支承系統(tǒng)。 一方面，徑向二自由度磁軸承及軸向單自由度磁軸承均要占用較大的軸向空間， 導(dǎo)致磁軸承支承的電機(jī)主軸軸向長度較長，體積較大；同時(shí)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)或各 類旋轉(zhuǎn)主軸向更高轉(zhuǎn)速和功率發(fā)展受到限制；另一方面，采用直流控制，直流功率放大器 價(jià)格高，體積大，功耗大，1個(gè)徑向磁軸承通常需要4路單極性(或2路雙極性)功率放 大電路，從而直接導(dǎo)致了磁軸承體積大，成本高，大大限制了其應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在航空 航天及軍事應(yīng)用領(lǐng)域。因此，研究人員開始致力于對(duì)以上兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。在2000 年第七屆國際磁軸承會(huì)議上，瑞士蘇黎士聯(lián)邦工學(xué)院(ETH)的Redemann.C發(fā)表了關(guān)于 30kW無軸承密封泵應(yīng)用測試報(bào)告，研究了二自由度的三相交流混合磁軸承，該磁軸承直接 采用工業(yè)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(tài)偏磁磁場，大大減小 了其功率放大器體積、降低了損耗，但還是要與1個(gè)軸向主動(dòng)磁軸承才能實(shí)現(xiàn)三自由度的 懸浮支承，依然沒能在整體系統(tǒng)軸向結(jié)構(gòu)緊湊方面、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速提高及磁軸承承載力提 高方面取得進(jìn)步。
國內(nèi)現(xiàn)有的相關(guān)專利申請(qǐng)情況檢索有(1) 一種永磁偏磁軸向混合磁軸承(專利公開 號(hào):CN101025198); (2)永磁偏置徑向磁軸承(專利公開號(hào):C函93726); (3) —種永 磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承(專利公開號(hào)CN1730960); (4) —種低功耗永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑 向磁軸承(專利公開號(hào)CN1644940); (5)永磁偏置軸向徑向磁軸承(專利公開號(hào) C扁11衡7A)。 (6)三自由度交流混合磁軸承(專利公開號(hào):CN101038011)。
上述CN101025198專利的軸向混合磁軸承采用帶圓盤結(jié)構(gòu)的軸向定子，且控制線圈分
別置于2個(gè)軸向定子盤之間，在軸向磁回路中有徑向氣隙，該技術(shù)方案的缺陷是，磁軸承 重量大、散熱性能較差，軸向控制磁通經(jīng)過徑向氣隙，磁軸承工作效率低。CN1693726專 利所提出的磁軸承徑向采用2對(duì)極，相對(duì)的2個(gè)齒上的繞組相串聯(lián)控制徑向二自由度，直 流驅(qū)動(dòng)，該技術(shù)方案的缺陷是，磁軸承功耗高、功放成本較大。CN1730960專利提出的磁 軸承采用均布于圓周的8個(gè)定子鐵芯磁極，其周圍繞制有激磁線圈，4個(gè)永磁體嵌于定子 鐵芯中，磁軸承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，磁軸承功耗較高。CN1644940專利的磁軸承在形式上采用雙面 式八極結(jié)構(gòu)來控制徑向二個(gè)自由度，并采用了直流功放驅(qū)動(dòng)控制的8個(gè)徑向激磁線圈，磁 軸承整體體積大、大大降低了功耗高。CN101149077A專利提出的永磁偏置軸向徑向磁軸 承，采用的是2個(gè)三磁極的徑向定子結(jié)構(gòu)，同時(shí)需要6個(gè)徑向控制線圈和2個(gè)環(huán)形永磁體， 且轉(zhuǎn)子具有大的圓盤結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速不高，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。CN101038011 專利提出的三自由度交流混合磁軸承，采用了具有3個(gè)磁極的徑向定子結(jié)構(gòu)且采用了薄片 狀軸向定子，轉(zhuǎn)子分別與軸向定子和徑向定子之間形成軸向氣隙和徑向氣隙；磁軸承的承 載力小，磁軸承的穩(wěn)定性和工作效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷提供一種結(jié)構(gòu)合理緊湊、軸向長度小、承載力 大、功耗低、穩(wěn)定性好和效率高、同時(shí)控制軸向自由度和徑向二自由度的永磁外轉(zhuǎn)子混合 磁軸承。
本發(fā)明的目的還在于，進(jìn)一步減小永磁外轉(zhuǎn)子混合磁軸承的電主軸或各種需要懸浮支 承旋轉(zhuǎn)主軸的軸向尺寸，以使得系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速得到進(jìn)一步提高，并顯著降低功率放大電 路的功率損耗、大大減小磁軸承系統(tǒng)的體積與成本，使得此類磁軸承能在超高速超精密數(shù) 控機(jī)床、磁懸浮無軸承電機(jī)、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)及人造衛(wèi)星等懸浮支承系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是 一種永磁外轉(zhuǎn)子混合磁軸承，包括轉(zhuǎn)子、具有2片x4 極的雙片式八極結(jié)構(gòu)的軸向定子、徑向定子、繞在軸向定子磁極上的軸向控制線圈、繞在
軸向相對(duì)的2個(gè)軸向定子外圈上的徑向控制線圈和永磁體；軸向定子采用2片x4極的雙片式 八極結(jié)構(gòu)，每片軸向定子由4個(gè)沿圓周均勻分布的軸向定子磁極組成，每個(gè)軸向定子磁極具 有徑向-軸向雙磁極面；徑向定子的4個(gè)磁極沿圓周均勻分布，且每個(gè)徑向定子磁極都分別 置于軸向相對(duì)的2個(gè)軸向定子磁極之間；轉(zhuǎn)子與軸向定子形成軸向氣隙，而轉(zhuǎn)子與徑向定子 和軸向定子均形成徑向氣隙。
上述技術(shù)方案采用雙片式八極軸向定子結(jié)構(gòu)，減輕了磁軸承重量、提高了磁軸承散熱
性能，且軸向控制磁通不經(jīng)過徑向氣隙，提高了磁軸承工作效率。徑向定子采用四極結(jié)構(gòu)， 轉(zhuǎn)子無大圓盤結(jié)構(gòu)，提高了轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。具有徑向-軸向雙磁極面 結(jié)構(gòu)的軸向定子，轉(zhuǎn)子與徑向定子和軸向定子均形成徑向氣隙，增大了磁軸承的承載力， 提高了磁軸承的穩(wěn)定性和工作效率。
所述轉(zhuǎn)子由圓環(huán)形硅鋼片疊壓而成，軸向定子和徑向定子均采用硅鋼片疊壓而成；所 有軸向控制線圈串聯(lián)，通電后產(chǎn)生軸向控制磁通。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述4塊永磁體為形狀大小完全相同的塊狀圓環(huán)，采用高 性能的稀土永磁材料釹鐵硼制成塊狀圓環(huán)形且徑向充磁，鑲嵌在4個(gè)徑向定子磁極外側(cè)的 圓環(huán)形凹槽中，同時(shí)提供徑向和軸向偏磁磁通，可以減小控制線圈的安匝數(shù)，進(jìn)一步縮小 磁軸承的體積，減輕了磁軸承重量；同時(shí)因不再需要提供偏磁電流，因而降低了功率損耗。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，每個(gè)徑向控制線圈繞在軸向相對(duì)的2個(gè)軸向定子外圈上， 采用1個(gè)二相交流功率逆變器驅(qū)動(dòng)控制4個(gè)徑向控制線圈，以產(chǎn)生徑向控制磁通，減小了 磁軸承整體體積、大大降低了功耗。
本發(fā)明的有益效果
1. 軸向定子采用雙片式八極徑向-軸向雙磁極面結(jié)構(gòu)，徑向定子采用沿圓周均勻分布 的四極結(jié)構(gòu)，軸向控制線圈和徑向控制線圈采用內(nèi)外兩層分布，大大增大了控制線圈的布 置空間，為磁軸承克服更大的外界擾動(dòng)和負(fù)載所需要的線圈安匝數(shù)提供了條件。
2. 磁軸承的承載力取決于永磁體內(nèi)部磁動(dòng)勢和有效磁極面積，轉(zhuǎn)子與徑向定子和軸向 定子均形成徑向氣隙，大大增加了徑向有效磁極面積、提高了磁軸承承載力。
3. 采用永磁體同時(shí)提供徑向和軸向靜態(tài)偏磁磁場，控制線圈只提供平衡負(fù)載和外界干 擾的動(dòng)態(tài)磁場，因此，控制線圈的安匝數(shù)大大減小，進(jìn)一步縮小了磁軸承的體積，減輕了 磁軸承重量；同時(shí)因不再需要提供偏磁電流，因而降低了功率損耗，節(jié)約了能源，縮小了 功放散熱器的體積。
4. 傳統(tǒng)直流式徑向二自由度磁軸承需要4路單極性(或2路雙極性)功率放大電路， 而本發(fā)明只用1個(gè)二相交流功率逆變器即可完全驅(qū)動(dòng)控制徑向二自由度，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電路的功耗，簡化了驅(qū)動(dòng)控制方法，提 高了磁軸承的工作效率。
5. 軸向線圈、徑向線圈分別采用直流和交流驅(qū)動(dòng)控制，磁場相互獨(dú)立，易于控制，簡 化了系統(tǒng)控制方法。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1永磁外轉(zhuǎn)子混合磁軸承的軸向截面及控制磁通回路圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1永磁外轉(zhuǎn)子混合磁軸承的徑向截面及控制磁通回路示意圖； 圖3為圖1的A-A剖面左視圖 圖4為圖1的A-A剖面右視圖中1為轉(zhuǎn)子，2為徑向氣隙，3為軸向氣隙，4為軸向控制線圈，5為徑向控制線 圈，6為軸向定子，61、 62、 63和64為軸向定子磁極，71、 72、 73和74為永磁體，8為 徑向定子，81、 82、 83和84為徑向定子磁極；帶箭頭的實(shí)線9為塊狀圓環(huán)形永磁體71、 72、 73和74產(chǎn)生的徑向-軸向靜態(tài)偏磁磁回路；帶箭頭的雙點(diǎn)畫線IO表示由軸向控制線圈 4產(chǎn)生的軸向控制磁通在軸向定子6、軸向氣隙3與轉(zhuǎn)子1間形成的回路；帶箭頭的虛線 11表示由二相交流功率逆變器驅(qū)動(dòng)的徑向控制線圈5產(chǎn)生的徑向控制磁通在徑向定子8的 徑向相對(duì)的2個(gè)磁極、徑向氣隙2、轉(zhuǎn)子l間形成的回路。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例做進(jìn)一步說明。
本發(fā)明首先構(gòu)建一種永磁外轉(zhuǎn)子混合磁軸承的結(jié)構(gòu)與磁路，根據(jù)等效磁路法構(gòu)建其數(shù) 學(xué)模型。再由此數(shù)學(xué)模型結(jié)合預(yù)先給定的設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)對(duì)磁軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)與電氣參數(shù)進(jìn) 行公式化推算，依據(jù)此公式設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的滿足實(shí)際應(yīng)用要求的磁軸承。依此結(jié)構(gòu)參數(shù) 使用有限元分析軟件ANSOFT軟件中的Maxwell 3D對(duì)磁軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)， 并驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理及磁通分布的正確性。最后，依據(jù)數(shù)學(xué)模型和各實(shí)際參數(shù)，設(shè)計(jì)控制 器，構(gòu)建出(位移、電流)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)以及軸向直流功率放大電路和徑向交流功率逆 變電路等。
本發(fā)明的原理是通過設(shè)計(jì)一種磁軸承機(jī)械結(jié)構(gòu)與磁路結(jié)構(gòu)，使徑向與軸向可以毫無耦 合地充分共用永磁體提供的靜態(tài)偏磁磁通，從而集成了徑向二自由度與軸向自由度的聯(lián)合 控制，節(jié)省了空間，以利于控制線圈安匝數(shù)的增加，相比于二自由度磁軸承與單自由度磁 軸承的組合大大減小了磁軸承軸向占用的空間尺寸以及增大了控制線圈的布置空間；同時(shí) 采用二相交流逆變器對(duì)磁軸承徑向控制電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，減小了功率器件的數(shù)量，控制 簡單，節(jié)約了制造成本，提高了工作效率。
實(shí)施例1
如圖1所示，本發(fā)明包括轉(zhuǎn)子l、具有雙片式八極結(jié)構(gòu)的軸向定子6、徑向定子8、繞
在軸向定子磁極61、 62、 63和64上的軸向控制線圈4、繞在軸向相對(duì)的2個(gè)軸向定子磁 極61、 62、 63和64外圈上的徑向控制線圈5及4塊塊狀圓環(huán)形永磁體71、 72、 73和74。 軸向定子6采用^片式八極(2片x4極)徑向-軸向雙磁極面結(jié)構(gòu)，在左右兩側(cè)的每片軸向 定子6由4個(gè)沿圓周均勻分布的具有徑向-軸向雙磁極面的軸向定子磁極61、 62、 63和64組成。
如圖l、圖3和圖4所示，4個(gè)徑向定子磁極81、 82、 83和84沿圓周均勻分布，且每 個(gè)徑向定子磁極81、 82、 83和84都分別置于軸向相對(duì)的2個(gè)軸向定子磁極61、 62、 63和 64之間。4塊塊狀圓環(huán)形永磁體71、 72、 73和74采用高性能稀土永磁材料釹鐵硼制成， 形狀大小完全相同且徑向充磁，鑲嵌在4個(gè)徑向定子磁極81、 82、 83和84外側(cè)的圓環(huán)形 凹槽中，同時(shí)提供徑向和軸向偏磁磁通9。
根據(jù)磁回路要求，構(gòu)造其機(jī)械結(jié)構(gòu)與零部件結(jié)構(gòu)；磁路部件需導(dǎo)磁性能好，磁滯低， 并盡量降低渦流損耗與磁滯損耗，由此確定轉(zhuǎn)子1由圓環(huán)形硅鋼片疊壓而成、軸向定子6 和徑向定子8均采用硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)子1與軸向定子6形成軸向氣隙3，而轉(zhuǎn)子1與 徑向定子8和軸向定子6均形成徑向氣隙2。所有軸向控制線圈4串聯(lián)，通電后產(chǎn)生軸向 控制磁通10;繞在軸向相對(duì)的2個(gè)軸向定子磁極61、 62、 63、 64外圈上的徑向控制線圈5 采用1個(gè)二相交流功率逆變器驅(qū)動(dòng)控制以產(chǎn)生徑向控制磁通。
如圖1和圖2所示，4塊塊狀圓環(huán)形永磁體71、 72、 73和74提供的徑向-軸向靜態(tài)偏 磁磁通9從永磁體N極流出，經(jīng)過徑向氣隙2后進(jìn)入轉(zhuǎn)子1，然后均衡地分2路分別通過 左右軸向氣隙3，然后進(jìn)入左右2片軸向定子6，最后經(jīng)過徑向定子8回到永磁體S極。軸 向控制磁通如圖中帶箭頭的雙點(diǎn)畫線10所示，軸向控制線圈4通以直流電后，在軸向定子 6、軸向氣隙3與轉(zhuǎn)子1之間形成軸向控制磁通回路10，改變控制電流方向與大小則控制 磁通大小和方向相應(yīng)的發(fā)生變化。徑向互成90°的2個(gè)磁極上的徑向控制線圈5通以二相平 衡交流電，在軸向定子6、徑向氣隙2與轉(zhuǎn)子1之間和徑向定子8、徑向氣隙2與轉(zhuǎn)子1之 間均形成徑向控制磁通回路ll，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)合成磁通以克服外界擾動(dòng)或負(fù)載；其余2個(gè)磁極 上的徑向控制線圈2同理，得到加強(qiáng)的合成旋轉(zhuǎn)磁通，使磁軸承能夠克服外界擾動(dòng)和負(fù)載 而穩(wěn)定的工作。
權(quán)利要求
1、一種永磁外轉(zhuǎn)子混合磁軸承，包括轉(zhuǎn)子(1)、軸向控制線圈(4)、徑向控制線圈(5)、軸向定子(6)、徑向定子(8)和永磁體(71、72、73、74)，其特征在于軸向定子(6)采用2片×4極的雙片式八極結(jié)構(gòu)，每片軸向定子(6)由4個(gè)沿圓周均勻分布的軸向定子磁極(61、62、63、64)組成，每個(gè)軸向定子磁極(61、62、63、64)具有徑向-軸向雙磁極面；4個(gè)徑向定子磁極(81、82、83、84)沿圓周均勻分布，每個(gè)徑向定子磁極(81、82、83、84)都分別置于軸向相對(duì)的2個(gè)軸向定子磁極(61、62、63、64)之間；軸向控制線圈(4)繞在軸向定子磁極(61、62、63、64)上；徑向控制線圈(5)繞在軸向相對(duì)的2個(gè)軸向定子磁極(61、62、63、64)外圈上；轉(zhuǎn)子(1)與軸向定子(6)形成軸向氣隙(3)，與徑向定子(8)和軸向定子(6)均形成徑向氣隙(2)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合磁軸承，其特征在于所述4塊永磁體(71、 72、 73、 74) 的形狀大小完全相同，均為塊狀圓環(huán)形，鑲嵌在4個(gè)徑向定子磁極(81、 82、 83、 84) 外側(cè)的圓環(huán)形凹槽中，同時(shí)提供徑向和軸向偏磁磁通(9)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合磁軸承，其特征在于所有軸向控制線圈(4)串聯(lián)，通電 后產(chǎn)生軸向控制磁通(10);徑向控制線圈(5)采用二相交流功率逆變器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制， 通電后產(chǎn)生徑向控制磁通(11)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合磁軸承，其特征在于所述轉(zhuǎn)子(1)由圓環(huán)形硅鋼片疊壓 而成，軸向定子(6)和徑向定子(8)均采用硅鋼片疊壓而成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的混合磁軸承，其特征在于所述的4塊形狀大小完全相同的塊 狀圓環(huán)形永磁體(71、 72、 73、 74)均采用稀土材料釹鐵硼制成且徑向充磁。
全文摘要
一種永磁外轉(zhuǎn)子混合磁軸承，其軸向定子采用雙片式八極結(jié)構(gòu)，每個(gè)軸向定子磁極具有徑向-軸向雙磁極面；4個(gè)徑向定子磁極沿圓周均勻分布且均置于軸向相對(duì)的2個(gè)軸向定子磁極之間；永磁體為塊狀圓環(huán)形且徑向充磁，鑲嵌在徑向定子磁極外側(cè)的圓環(huán)形凹槽中，同時(shí)提供徑向和軸向偏磁磁通；轉(zhuǎn)子與軸向定子形成軸向氣隙，與徑向定子和軸向定子均形成徑向氣隙；繞在軸向定子磁極上的軸向控制線圈串聯(lián)，通電后產(chǎn)生軸向控制磁通；繞在軸向相對(duì)的2個(gè)軸向定子磁極外圈上的徑向控制線圈采用二相交流功率逆變器驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)生徑向控制磁通。本發(fā)明顯著降低了磁軸承系統(tǒng)的功耗，簡化了控制方法，提高了磁軸承的工作效率。
文檔編號(hào)F16C32/04GK101392794SQ20081015504
公開日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月24日
發(fā)明者朱熀秋, 鄔清海 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)