專利名稱：低功耗五自由度永磁偏置磁懸浮軸承系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的低功耗五自由度永磁偏置磁懸浮軸承系統(tǒng),屬磁軸承技術(shù)和髙速電 機(jī)相結(jié)合的五自由度磁懸浮軸承。
技術(shù)背景現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸越來越離不開髙速和超髙速電機(jī)的發(fā)展,特別 是在航空、航天、航海、汽車摩托車工業(yè)、機(jī)械加工和生產(chǎn)等領(lǐng)域高速電機(jī)獲得 了廣泛應(yīng)用。但是軸承支撐技術(shù)一直是限制高速電機(jī)實(shí)現(xiàn)大功率實(shí)用化的障礙。 當(dāng)前，角接觸球軸承由于接觸磨損發(fā)熱，承載力和剛度小，極易發(fā)生機(jī)械故障而 停工停產(chǎn)，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員的傷亡。磁懸浮軸承則是利用定子和轉(zhuǎn) 子之間的磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，使定子和轉(zhuǎn)子之間沒有機(jī)械接觸的一種新 型高性能軸承，由于定、轉(zhuǎn)子之間不存在機(jī)械上的接觸，所以磁懸浮軸承的轉(zhuǎn)子 可達(dá)到很高的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，并且具有機(jī)械磨損小、能耗低、壽命長、無潤滑、無污 染等優(yōu)點(diǎn)，特別適合高速、真空和超潔凈等特殊的應(yīng)用場合。但傳統(tǒng)高速電機(jī)系統(tǒng)只是簡單的采用兩個(gè)徑向電磁軸承和一個(gè)軸向電磁軸 承取代機(jī)械軸承來控制電機(jī)的五個(gè)自由度懸浮，占有相當(dāng)?shù)妮S向空間，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性和安全性不高。2000年以來國際上眾多學(xué)者提出了多種形式的三自由度 永磁偏置軸向/徑向混合磁軸承，這類磁軸承部分解決了磁軸承軸向空間利用率 低的問題，但其設(shè)計(jì)、安裝相對比較復(fù)雜，尤其對軸向安裝要求較高。 三、發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，安裝方便、低功耗的五自由 度懸浮的永磁偏置磁軸承系統(tǒng)。一種低功耗五自由度永磁偏置磁懸浮軸承系統(tǒng)，其特征在于，包括一臺高速 電機(jī)、 一個(gè)低功耗永磁偏置軸向徑向磁軸承和一個(gè)低功耗永磁偏置徑向磁軸承， 所述低功耗永磁偏置軸向徑向磁軸承是三自由度永磁偏置磁懸浮軸承，包括三自 由度徑向定子、三自由度徑向控制繞組、軸向控制繞組、三自由度轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn) 子、三自由度環(huán)形永磁體，其中三自由度徑向控制繞組套裝在三自由度徑向定子 的徑向外表面上，軸向控制繞組為單繞組貼裝在三自由度徑向定子的軸向內(nèi)表面 上，三自由度轉(zhuǎn)子鐵心置于三自由度徑向定子的內(nèi)倆圓內(nèi)，三自由度轉(zhuǎn)子鐵心相 對應(yīng)地安裝在轉(zhuǎn)子左端，三自由度環(huán)形永磁體貼裝在三自由度徑向定子的外側(cè)圓 周表面上；所述低功耗永磁偏置徑向磁軸承是兩自由度永磁偏置磁懸浮軸承，與所述的三自由度永磁偏置磁懸浮軸承共用一個(gè)轉(zhuǎn)子，其它還包括兩自由度徑向定 子，兩自由度徑向控制繞組、兩自由度轉(zhuǎn)子鐵心，兩自由度環(huán)形永磁體，其中兩 自由度徑向控制繞組套裝在兩自由度徑向定子的徑向外表面上，兩自由度轉(zhuǎn)子鐵 心置于兩自由度徑向定子的內(nèi)側(cè)圓內(nèi)，兩自由度轉(zhuǎn)子鐵心相對應(yīng)地安裝在轉(zhuǎn)子右 端，兩自由度環(huán)形永磁體貼裝在兩自由度徑向定子的外倒圓周表面上；所述的髙 速電機(jī)置于三自由度永磁偏置磁懸浮軸承與兩自由度永磁偏置磁懸浮軸承之間， 其中高速電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心套裝在轉(zhuǎn)子的中間位置，所述的外部鐵心置于髙速電機(jī)定 子的外側(cè)周圍表面，并同時(shí)貼裝在三自由度環(huán)形永磁體的外表面和兩自由度環(huán)形 永磁體的外表面上。本發(fā)明的基本工作原理是 一端三自由度永磁偏置磁軸承， 其徑向定子比轉(zhuǎn)子鐵心寬，徑向充磁的環(huán)狀永磁體產(chǎn)生的永磁偏置磁通在經(jīng)過徑 向定子、徑向氣隙到達(dá)轉(zhuǎn)子鐵心時(shí)，產(chǎn)生了具有軸向分量的偏置磁通，當(dāng)轉(zhuǎn)子位 于軸向平衡位置時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，在轉(zhuǎn)子鐵心軸向端面的右面氣隙和左面 氣隙處的磁通是相等的，此時(shí)左右吸力相等。如果在此時(shí)轉(zhuǎn)子受到一個(gè)向左的外 擾力，轉(zhuǎn)子就會偏離平衡位置向左運(yùn)動(dòng)，造成環(huán)狀永磁體產(chǎn)生的左右的磁通變化， 即右面的氣隙增大，磁通減小，即軸向磁通分量減??；左面的氣隙減小，磁通增 大，即軸向磁通分量增大。由于磁場吸力與磁通的平方成正比，因此右邊的吸力 小于左邊的吸力，在加入控制磁通前，轉(zhuǎn)子將無法回到平衡位置。此時(shí)位移傳感 器檢測出轉(zhuǎn)子偏離其參考位置的位移量，控制器將這一位移信號變換成控制信 號，功率放大器又將此控制信號變換成控制電流，這個(gè)電流流經(jīng)貼裝在徑向定子 下的軸向控制繞組，在氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)電磁磁通，這個(gè)電磁磁通與氣隙中的永磁 磁通軸向分量疊加，使轉(zhuǎn)子右面氣隙中的磁通增加，左面氣隙中的磁通減小，產(chǎn) 生一個(gè)向右的吸力，將轉(zhuǎn)子拉回平衡位置。同理，轉(zhuǎn)子受到軸向向左的外擾動(dòng)， 基于上述原理同樣能使轉(zhuǎn)子回復(fù)到平衡位置。四自由度徑向磁懸浮的工作原理 (以垂直方向?yàn)槔?是徑向定子鐵心上繞有三相控制繞組即徑向三相繞組，采 用三相逆變器提供控制電流，當(dāng)轉(zhuǎn)子受到一個(gè)向下的擾動(dòng)力偏離平衡位置，位移 傳感器檢測出轉(zhuǎn)子偏離其參考位置的位移量,控制器將這一位移信號變換成控制 信號，三相逆變器又將此控制信號變換成控制電流，在三相電磁線圈中產(chǎn)生控制 磁通與徑向氣隙中的偏置磁通疊加，基于交流電機(jī)的三/二坐標(biāo)變換原理產(chǎn)生合 成向上的單極磁通，使轉(zhuǎn)子回復(fù)到平衡位置，同理，無論轉(zhuǎn)子受到向上、向右或 向左的擾動(dòng)力，帶位置負(fù)反饋的永磁偏置軸向徑向磁軸承通過控制器控制勵(lì)磁繞 組中的電流，調(diào)節(jié)氣隙磁通的大小，始終能保持轉(zhuǎn)子在平衡位置。同理，另一端的兩自由度永磁偏置徑向磁軸承徑向懸浮機(jī)理與上述相同，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子四自由度 的徑向懸浮。本發(fā)明的低功耗五自由度永磁偏置磁懸浮軸承系統(tǒng)，將髙速電機(jī)和永磁偏置 磁軸承技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，其利用兩個(gè)徑向充磁的環(huán)狀永磁體來建立靜態(tài)偏置 磁場，通過外部鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子和徑向定子來形成閉合磁路，只需要兩個(gè) 三磁極的徑向定子磁極、一個(gè)貼裝在一端寬徑向定子下的軸向控制繞組和六個(gè)徑 向控制繞組，相對于傳統(tǒng)的五自由度磁軸承系統(tǒng)，減少了兩個(gè)軸向定子鐵心、一 個(gè)軸向控制繞組、兩個(gè)徑向定子磁極和兩個(gè)徑向控制繞組，大為簡化了結(jié)構(gòu)，縮 小了體積和重量，減少了兩個(gè)磁軸承開關(guān)功放，降低了軸承功耗，降低了系統(tǒng)的 軸向安裝難度，并且具有較短的軸向空間，在汽車/摩托車工業(yè)、模具加工、紡 織和化工機(jī)械等高速應(yīng)用場合具有廣闊的應(yīng)用前景，將其利用于航空航天和艦艇 等國防領(lǐng)域則更具有重要意義。四

圖1是低功耗五自由度磁懸浮軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)平面示意圖。 圖l中標(biāo)號名稱1、三自由度徑向定子，2、三自由度徑向控制繞組，3、 軸向控制繞組，4、三自由度轉(zhuǎn)子鐵心，5、轉(zhuǎn)子，6、髙速電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心，7、高 速電機(jī)定子，8、三自由度環(huán)形永磁體，9、外部鐵心，10、兩自由度徑向定子， 11、兩自由度徑向控制繞組，12、兩自由度環(huán)形永磁體，4'、兩自由度轉(zhuǎn)子鐵 心。圖2是低功耗五自由度磁懸浮軸承系統(tǒng)五自由度懸浮原理圖。 圖2中標(biāo)號名稱實(shí)線表示永磁偏置磁通，單虛線表示徑向控制繞組產(chǎn)生的 控制磁通，雙虛線表示軸向控制繞組產(chǎn)生的控制磁通。五具體實(shí)施方式
圖1是本發(fā)明的五自由度磁懸浮軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其主要由高速電機(jī)、 三自由度永磁偏置磁軸承和兩自由度永磁偏置混合磁軸承組成。圖1中的三自由 度徑向定子磁極1為硅鋼片疊壓制成，為三磁極結(jié)構(gòu)，三自由度環(huán)形永磁體8 貼裝在三自由度徑向定子1的外部的位置，在三個(gè)定子磁極上套有三自由度徑向 控制繞組2，但該定子比轉(zhuǎn)子鐵心4寬，用以產(chǎn)生具有軸向分量的偏置磁通，軸 向控制繞組3貼裝在三自由度徑向定子1的內(nèi)表面，兩自由度徑向定子10也為 硅鋼片疊壓而成，為三磁極結(jié)構(gòu)，兩自由度環(huán)形永磁體12貼裝在兩自由度徑向 定子10的外部的位置，在三個(gè)定子磁極上套有兩自由度徑向控制繞組ll。為了 減小對高速電機(jī)的影響，加裝一用以流以偏置磁通的外部鐵心9，用電工純鐵制 成，其內(nèi)端面與兩個(gè)環(huán)狀永磁體8和12外端相連，置于電機(jī)定子7的外部。磁路圖如圖2的原理圖所示。環(huán)狀永磁體產(chǎn)生的偏置磁通依次經(jīng)過三自由度永磁偏 置磁軸承徑向磁極、徑向氣隙、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子、兩自由度永磁偏置磁軸承轉(zhuǎn)子 鐵心、徑向氣隙和兩自由度永磁偏置磁軸承徑向定子構(gòu)成回路，如圖2中的實(shí)線 所示。軸向控制繞組產(chǎn)生的控制磁通經(jīng)過徑向定子和軸向氣隙，如圖2中的雙虛 線所示。徑向控制繞組產(chǎn)生的控制磁通只經(jīng)過徑向氣隙和徑向定子，不經(jīng)過軸向 氣隙，如圖2中的單虛線所示。軸向控制磁通和徑向控制磁通彼此解耦，互不干 擾。
權(quán)利要求
1、一種低功耗五自由度永磁偏置磁懸浮軸承系統(tǒng)，其特征在于，包括一臺高速電機(jī)、一個(gè)低功耗永磁偏置軸向徑向磁軸承和一個(gè)低功耗永磁偏置徑向磁軸承，所述低功耗永磁偏置軸向徑向磁軸承是三自由度永磁偏置磁懸浮軸承，包括三自由度徑向定子(1)、三自由度徑向控制繞組(2)、軸向控制繞組(3)、三自由度轉(zhuǎn)子鐵心(4)、轉(zhuǎn)子(5)、三自由度環(huán)形永磁體(8)，其中三自由度徑向控制繞組(2)套裝在三自由度徑向定子(1)的徑向外表面上，軸向控制繞組(3)為單繞組貼裝在三自由度徑向定子(1)的軸向內(nèi)表面上，三自由度轉(zhuǎn)子鐵心(4)置于三自由度徑向定子(1)的內(nèi)側(cè)圓內(nèi)，三自由度轉(zhuǎn)子鐵心(4)相對應(yīng)地安裝在轉(zhuǎn)子(5)左端，三自由度環(huán)形永磁體(8)貼裝在三自由度徑向定子(1)的外側(cè)圓周表面上；所述低功耗永磁偏置徑向磁軸承是兩自由度永磁偏置磁懸浮軸承，與所述的三自由度永磁偏置磁懸浮軸承共用一個(gè)轉(zhuǎn)子(5)，其它還包括兩自由度徑向定子(10)，兩自由度徑向控制繞組(11)、兩自由度轉(zhuǎn)子鐵心(4′)，兩自由度環(huán)形永磁體(12)，其中兩自由度徑向控制繞組(11)套裝在兩自由度徑向定子(10)的徑向外表面上，兩自由度轉(zhuǎn)子鐵心(4′)置于兩自由度徑向定子(10)的內(nèi)側(cè)圓內(nèi)，兩自由度轉(zhuǎn)子鐵心(4′)相對應(yīng)地安裝在轉(zhuǎn)子(5)右端，兩自由度環(huán)形永磁體(12)貼裝在兩自由度徑向定子(10)的外側(cè)圓周表面上；所述的高速電機(jī)置于三自由度永磁偏置磁懸浮軸承與兩自由度永磁偏置磁懸浮軸承之間，其中高速電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心(6)套裝在轉(zhuǎn)子(5)的中間位置，所述的外部鐵心(9)置于高速電機(jī)定子(7)的外側(cè)周圍表面，并同時(shí)貼裝在三自由度環(huán)形永磁體(8)的外表面和兩自由度環(huán)形永磁體(12)的外表面上。
全文摘要
一種低功耗五自由度永磁偏置磁懸浮軸承系統(tǒng)，屬磁懸浮軸承。該磁懸浮軸承包括一臺高速電機(jī)、一個(gè)低功耗永磁偏置軸向徑向磁軸承和一個(gè)低功耗永磁偏置徑向磁軸承。五自由度懸浮是利用兩個(gè)徑向充磁的環(huán)形永磁體來建立靜態(tài)偏置磁場，依次經(jīng)過三自由度磁軸承徑向磁極、徑向氣隙、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子和兩自由度永磁偏置磁軸承徑向定子構(gòu)成閉合磁路，軸向繞組產(chǎn)生控制磁通與偏置磁通疊加控制軸向懸浮，左右兩端三磁極的徑向控制繞組產(chǎn)生控制磁通與偏置磁通疊加，利用交流電機(jī)的三/二變換原理實(shí)現(xiàn)徑向四自由度懸浮，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，臨界轉(zhuǎn)速高，功耗低，在航空航天、汽車摩托車、模具加工、紡織和化工機(jī)械等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號F16C32/04GK101251149SQ20081001981
公開日2008年8月27日 申請日期2008年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月17日
發(fā)明者劍 李, 江光靈, 沈國良, 趙旭升 申請人:南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院