一種用于水平軸風(fēng)力發(fā)電的三自由度混合磁軸承的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種非接觸磁懸浮軸承，特別應(yīng)用于水平軸風(fēng)力發(fā)電帶較大負(fù)載的情況，同時也可作為電機(jī)、或其他機(jī)械設(shè)備的旋轉(zhuǎn)部件的無接觸的支撐。
【背景技術(shù)】
[0002]由于磁軸承能夠?qū)崿F(xiàn)無機(jī)械接觸和電子控制，且具有無摩擦損耗、無需潤滑及密封、耐環(huán)境性強(qiáng)、發(fā)熱少、功耗低、圓周速度高等優(yōu)點，使得磁軸承在高速、高精度及高清潔等領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價值。對于水平放置的磁懸浮裝置，磁軸承往往要求具有較大支撐轉(zhuǎn)子重力的能力，如水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)、磁懸浮儲能飛輪設(shè)備等。目前國內(nèi)外研究的磁軸承主要采用軸向單自由度和徑向二自由度的結(jié)構(gòu)，徑向重力方向僅采用一套懸浮繞組控制轉(zhuǎn)子的徑向懸浮，若磁軸承支撐的轉(zhuǎn)子負(fù)載較大，重力方向一套懸浮繞組很難實現(xiàn)重力方向的穩(wěn)定懸浮。同時為了保證軸向方向的穩(wěn)定懸浮，現(xiàn)階段磁軸承中都采用帶推力盤的轉(zhuǎn)子，由于軸向推力盤卡在磁軸承定子的中間，所以軸向安裝或拆卸推力盤都是比較麻煩。
[0003]因此，研究人員對上述兩方面進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。國內(nèi)外現(xiàn)有的相關(guān)專利申請情況檢索有:(I)一種大承載能力徑向磁軸承(專利公開號:CN102072249A); (2)磁懸浮電機(jī)軸承結(jié)構(gòu)(專利公開號:CN101158376A);(3)—種具有容錯功能的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承(CN101881303A); (4)三自由度雙薄片三相交流混合磁軸承(CN101074700A)等。
[0004]上述專利(I)中提出的大承載力徑向磁軸承，承重側(cè)定子鐵心包含重力方向上一個面積較大的磁極及一個面積較小的磁極，利用兩個定子鐵心磁極極弧長度不一致，永磁此路分別在大、小兩端磁極的氣隙處產(chǎn)生不同大小的永磁拉力，兩力合成后對轉(zhuǎn)子的單邊磁拉力用以克服轉(zhuǎn)子重力，但是專利(I)采用的是被動控制來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子的大承載力，主動控制性能可以進(jìn)一步提升。專利(2)利用磁阻最小原理，通過E型磁芯與環(huán)形接合部相對應(yīng)的方式，限定了引出軸的軸向為止，從而省去了止推軸承的設(shè)置，專利2中在軸向采用E型結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的止推盤軸向結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜。專利(3)提出一種具有容錯功能的磁軸承，相對于在一個磁軸承中有兩個完全一樣的磁軸承結(jié)構(gòu)，雖然在重力方向有兩套控制線圈，但是一套僅僅是用于備用，不是用于支撐大的負(fù)載。專利(4)采用的是三極結(jié)構(gòu)同一套三相交流勵磁繞組，實現(xiàn)三自由度的懸浮，在軸向上利用軸承的自協(xié)調(diào)能力，也就是在軸向上屬于被動懸浮，軸向懸浮性能可能會略有遜色。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有磁力軸承在支撐較大轉(zhuǎn)子或負(fù)載過大、且在軸向和徑向都存在大的擾動或負(fù)載的情況，同時在軸向上省略了止推盤，從而減小了電主軸或各種需要懸浮支撐旋轉(zhuǎn)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，實現(xiàn)了一種體積小，功耗低的大承載力的磁軸承。使得此類磁軸承能在超高速超精密數(shù)控機(jī)床、磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)、飛輪儲能系統(tǒng)等懸浮支撐系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:用于水平軸風(fēng)力發(fā)電的三自由度混合磁軸承，包括外定子、內(nèi)定子、圓柱形轉(zhuǎn)子;所述圓柱形轉(zhuǎn)子由內(nèi)圈向外圈依次套有圓柱形的內(nèi)定子和外定子，所述內(nèi)定子采用齒槽結(jié)構(gòu)，內(nèi)定子內(nèi)部沿著圓周均布有多個內(nèi)定子齒，內(nèi)定子在水平方向相對地設(shè)置有兩個內(nèi)定子齒;重力方向上相對地設(shè)置有兩對內(nèi)定子齒，該重力方向兩對內(nèi)定子齒分別為承重側(cè)內(nèi)定子齒和y方向徑向懸浮側(cè)內(nèi)定子齒;水平方向相對設(shè)置的兩個內(nèi)定子齒分別繞有X方向徑向懸浮控制繞組，承重側(cè)內(nèi)定子齒上繞有承重側(cè)支撐控制繞組，y方向徑向懸浮側(cè)內(nèi)定子齒上繞有y方向徑向懸浮控制繞組;為此能夠?qū)崿F(xiàn)磁軸承徑向兩個自由度方向上的懸浮;所述外定子、內(nèi)定子之間在徑向方向上設(shè)有環(huán)形永磁體，永磁體沿著徑向充磁;所述外定子、內(nèi)定子之間在軸向方向上分別設(shè)有一對隔磁鋁盤，分別為徑向懸浮控制側(cè)隔磁鋁盤、承重側(cè)隔磁鋁盤;所述外定子和徑向懸浮控制側(cè)隔磁鋁盤之間、外定子和承重側(cè)隔磁鋁盤之間在軸向方向均設(shè)置有軸向懸浮控制繞組，所述軸向懸浮控制繞組非接觸的圍繞圓柱形轉(zhuǎn)子的圓周布置，實現(xiàn)磁軸承軸向一個自由度方向上的懸浮。
[0007]進(jìn)一步，所述轉(zhuǎn)子在軸向方向的長度要小于外定子軸向方向的長度，且轉(zhuǎn)子的左右兩端端面的位置位于外定子軸向左右端部厚度之間。
[0008]進(jìn)一步，所述承重側(cè)支撐控制繞組為兩套，采用差動連接，共用一套控制器;所述y方向徑向懸浮控制繞組為兩套，采用差動連接，共用一套控制器。
[0009]進(jìn)一步，所述徑向懸浮控制側(cè)隔磁鋁盤、承重側(cè)隔磁鋁盤均為大小相同、中心開有通孔的圓盤。
[0010]進(jìn)一步，所述永磁體提供軸向和徑向的偏置磁通，永磁體材料選用稀土材料釹鐵硼。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:
[0012]I)本發(fā)明針對帶有大負(fù)載或者是轉(zhuǎn)子過重、過大時，將磁軸承徑向y方向分為承重側(cè)和懸浮控制側(cè)，承重側(cè)根據(jù)負(fù)載情況及時調(diào)整控制線圈中電流的大小，懸浮控制側(cè)繞組用來控制轉(zhuǎn)子徑向y方向的懸浮，徑向y方向懸浮控制側(cè)繞組和承重側(cè)支撐繞組共同控制轉(zhuǎn)子在重力y方向徑向的懸浮，在X方向有一套X方向懸浮控制繞組來單獨控制X軸方向的懸浮，因此該結(jié)構(gòu)使得磁軸承在徑向方向的懸浮更加穩(wěn)定。在軸向z方向采用軸向控制繞組來控制軸向的懸浮，同時采用圓柱形轉(zhuǎn)子代替帶有止推盤的轉(zhuǎn)子，使得轉(zhuǎn)子安裝和拆卸更加方便。
[0013]2)兩個隔磁鋁盤分別位于磁軸承的兩邊軸向端部，其目的為減小徑向懸浮繞組和軸向懸浮繞組之間的耦合;軸向懸浮繞組放置在于隔磁鋁盤與外定子軸向端蓋之間；為了簡化磁軸承在軸向方向安裝或拆卸的難度，但是為了保證在軸向方向的穩(wěn)定懸浮，圓柱形轉(zhuǎn)子在軸向z方向的長度要稍小于外定子軸向的長度，且圓柱形轉(zhuǎn)子的左右端面的位置必須位于外定子軸向左右端部厚度之間。永磁體為徑向圓環(huán)，并沿徑向方向充磁。環(huán)形永磁體為磁軸承偏置磁通，環(huán)形永磁體位于外定子和內(nèi)定子之間。
[0014]3)內(nèi)定子在徑向X方向只有兩個X方向內(nèi)定子齒，且這兩個內(nèi)定子齒以轉(zhuǎn)軸為中心對稱放置，在這兩個X方向內(nèi)定子齒上分別繞置X方向的徑向懸浮繞組，且這兩套X方向的徑向懸浮繞組采用差動控制，共用一套控制器，用以控制轉(zhuǎn)子在徑向X方向的穩(wěn)定懸浮。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的yz方向的剖視圖；
[0016]圖2為本發(fā)明的軸向磁路分布圖；
[0017]圖3為本發(fā)明的內(nèi)定子三維立體圖；
[0018]圖4為本發(fā)明的永磁環(huán)xy方向剖視圖；
[0019]圖5為本方明的隔磁鋁盤在xy方向的剖視圖。
[0020]圖中:1.外定子、2.永磁體、3.內(nèi)定子、4.承重側(cè)隔磁鋁盤、5.軸向懸浮控制繞組、
6.轉(zhuǎn)子、7.y方向徑向懸浮控制繞組、8.承重側(cè)支撐控制繞組、9.徑向懸浮控制側(cè)隔磁鋁盤、1.X方向徑向懸浮控制繞組、11.承重側(cè)內(nèi)定子齒、12.y方向徑向懸浮側(cè)內(nèi)定子齒；其中Φ ZEM為軸向懸浮控制繞組所產(chǎn)生的磁通；Φ PM為徑向磁化的永磁體環(huán)產(chǎn)生的偏置磁通。
【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明現(xiàn)構(gòu)建一種用于水平軸風(fēng)力發(fā)電具有大承載力的三自由度磁軸承，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)計參數(shù)指標(biāo)對磁軸承的結(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)計出性能優(yōu)良且滿足實際應(yīng)用要求的磁軸承。依據(jù)此結(jié)構(gòu)參數(shù)使用有限元分析軟件magnet對磁軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，并驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計原理及磁通分布的正確性。最后，依據(jù)數(shù)學(xué)模型和各實際參數(shù)，設(shè)計控制器電路。
[0022]本發(fā)明包括外定子1、永磁體2、內(nèi)定子3、承重側(cè)隔磁鋁盤4、軸向懸浮控制繞組5、圓柱形轉(zhuǎn)子6、7方向徑向懸浮控制繞組7、承重側(cè)支撐控制繞組8、徑向懸浮控制側(cè)隔磁鋁盤
9、x方向徑向懸浮控制繞組10。
[0023]所述圓柱形轉(zhuǎn)子6由內(nèi)圈向外圈依次套有圓柱形的內(nèi)定子3和外定子I，所述內(nèi)定子3采用齒槽結(jié)構(gòu)，內(nèi)定子3內(nèi)部沿著圓周均布有多個內(nèi)定子齒，內(nèi)定子3在水平方向相對的設(shè)置有兩個內(nèi)定子齒;重力方向上相對的設(shè)置有兩對內(nèi)定子齒，該兩對內(nèi)定子齒分別為承重側(cè)內(nèi)定子齒11和y方向徑向懸浮側(cè)內(nèi)定子齒12;水平方向相對設(shè)置的兩個內(nèi)定子齒分別繞有X方向徑向懸浮控制繞組1，承重側(cè)內(nèi)