專利名稱：三自由度交流混合磁軸承的制作方法
技術領域：
本發明屬于電氣傳動(機械傳動)設備領域，特指一種新型的三自由度交流混合磁軸承，適用與各類旋轉機械的三自由度懸浮支承，屬于電力傳動控制設備的技術領域。
背景技術：
目前，磁懸浮軸承(簡稱磁軸承)按照磁力提供方式，分為主動磁軸承、被動型磁軸承和混合型磁軸承(永磁偏置)三種。混合磁軸承用永久磁鐵產生的磁場取代主動磁軸承中電磁鐵產生的靜態偏置磁場，能大大降低功率放大器的功耗，使電磁鐵的安匝數減少，縮小磁軸承體積，提高軸承承載能力。傳統直流偏置型徑向磁軸承機械結構簡單，但功率損耗大；傳統永磁偏置型徑向磁軸承雖功耗有所降低，但結構又較復雜。
目前國內、國外研究的三極徑向混合磁軸承綜合了傳統永磁偏置型徑向磁軸承與直流偏置型徑向磁軸承的優點，采用永磁體代替偏置直流來提供偏置磁通以提供靜態懸浮力，減小了功率損耗，大大縮小了電磁鐵體積及繞線空間；采用三相逆變器對三極控制線圈進行勵磁以產生控制磁通來克服瞬態負載及擾動，簡化了控制算法，減小了磁軸承的功放體積與成本。但是軸向和徑向都需要同時控制，由于勵磁控制中還存在直流勵磁，因而控制較復雜，控制性能很難提高，損耗也比較大。
為了從結構上來減小磁軸承的生產成本，提高磁軸承的工作性能，擴大磁軸承的應用領域，需采用一些新的生產成本，提高磁軸承的工作性能，擴大磁軸承的應用領域，需采用一些新的機械結構和磁路結構。
發明內容
本發明的目的是提出結構簡單緊湊，控制簡單，控制成本低，從而減小需要磁軸承支承旋轉主軸的軸向尺寸，以使得系統的臨界轉速得到進一步提高，并大大減小功率放大器的體積與成本，提高磁軸承的控制性能，使得此類磁軸承能在微風型風力發電機、磁懸浮無軸承電機、飛輪儲能系統及人造衛星等懸浮支撐系統中得到廣泛應用。
本發明的方案是采取一個環形永磁體同時提供軸向和徑向靜態偏置磁通，由轉軸、轉子外側鋁片、轉子內側鋁片、軸向定子外側鋁片、軸向定子內側鋁片、環形永磁體、薄片狀的軸向定子、徑向定子、徑向繞組、一端為薄片狀的轉子構成三自由度交流混合磁軸承；其轉子一端為薄片結構用作軸向磁軸承的轉子，使用轉子外側鋁片和轉子內側鋁片來增加強度和進一步減小長徑比，基于薄片電機原理實現被動控制，提高被動懸浮能力；徑向采用三極結構交流勵磁，徑向采用三相逆變器提供控制電流，軸向無需勵磁因而損耗小和耦合也較小，其軸向被動懸浮力較主動控制小，適合軸向不是主要負載方向的場合，考慮到目前大多數負載是在徑向的，因而具有更大的適用性。
采用DSP數字控制器同時對徑向位移進行實時控制；由高分辨率的電渦流傳感器或霍爾傳感器對轉子徑向位置進行檢測，傳感器輸出位移信號至DSP系統，線性閉環控制器對其參考位置信號進行比較，模糊PID位置控制器進行控制，輸出控制信號，實現三自由度交流混合磁軸承閉環控制。
本發明的優點是采用永磁體同時對軸向和徑向提供偏置磁通，軸向采用薄片結構，使用鋁片增加強度和進一步減小長徑比，基于薄片電機原理實現被動懸浮，提高了被動懸浮能力；無需勵磁繞組，徑向采用三極結構，交流勵磁，從而大大減小了磁軸承軸向占用的空間尺寸；同時采用三相逆變器對徑向磁軸承提供控制控制電流，減少了功率放大器地數量，控制簡單，降低了制造與運行成本。
圖1是三自由度交流混合磁軸承三維截面圖。
圖1中標號名稱1、轉軸。21、轉子外側鋁片。22、轉子內側鋁片。23、定子外側鋁片。24、定子內側鋁片。3、環形永磁體。41、軸向定子。42、徑向定子。5、三極徑向繞組。6、轉子。
圖2是三自由度交流混合磁軸承原理2(a)和圖2(b)是三自由度交流混合磁軸承的三極徑向和薄片軸向結構示意圖。圖2(a)為三極徑向磁軸承，圖中Φa、Φb和Φc分別為A、B和C軸繞組產生的磁通，Φx和Φy分別是Φa、Φb和Φc到x和y軸的等效磁通。ia、ib和ic分別為A、B和C軸繞組電流，ix和iy為x和y軸等效繞組電流。Fx、Fy分別為x、y軸方向上所受徑向力。圖2(b)為被動軸向磁軸承結構示意圖，Φz是軸向z方向上磁通，Fz為z方向上的被動懸浮力。
具體實施例方式
圖1是本發明的三自由交流混合磁軸承三維結構示意圖，圖中的定子分為軸向和徑向兩個部分，由硅鋼片疊壓而成，徑向為三極結構，帶有三個勵磁繞組，轉子薄片端和軸向定子部分分別加了內外兩塊鋁片來提高薄片軸向定子的機械強度，有效的減小漏磁；轉子軸向部分為薄片結構同樣內外有兩片鋁片來提高軸向轉子薄片部分的機械強度，減小漏磁，同時進一步減小薄片部分的長徑比，提高被動懸浮能力。
其工作原理，如圖2所示。在圖2(a)中，轉子在磁通Φa、Φb和Φc作用下，處于平衡位置，若轉子受外擾力作用偏向x正方向，則減小磁通Φx即可讓轉子回到平衡位置。ia、ib和ic分別為A、B和C軸繞組電流，ix和iy為x和y軸等效繞組電流。分析可知，改變x、y軸繞組電流ix、iy大小和方向，即可改變Fx、Fy的大小和方向，讓轉子回到平衡位置。
圖2(b)中，軸向的被動懸浮利用了薄片電機轉子的軸向長度較直徑小得多的結構特點和磁阻力總是有使磁路磁阻最小的趨勢的性質。當轉子發生軸向偏移的時，磁拉力總會將轉子拉向磁阻最小的方向拉。當電機的直徑與軸向長度之比滿足一定的標準時，轉子一旦有沿z軸方向的偏移，根據電磁學基本理論，都會受到一個與其偏移方向相反的電磁吸力Fz的作用，使其有往平衡位置返回的趨勢，所以轉子在沿z方向上是被動穩定的。圖2(b)中，轉子薄片端兩側采用鋁塊增強機械強度，提高了電機的直徑與軸向長度之間的比例，提高了軸向被動位移剛度，提高被動穩定能力。
權利要求
1.三自由度交流混合磁軸承，其特征在該磁軸承由轉軸(1)、轉子外側鋁片(21)、轉子內側鋁片(22)、軸向定子外側鋁片(23)、軸向定子內側鋁片(24)、環形永磁體(3)、薄片狀的軸向定子(41)、徑向定子(42)、徑向繞組(5)、一端為薄片狀的轉子(6)組成；其中轉子(6)薄片端和轉子外側鋁片(21)、轉子內側鋁片(22)緊密結合在一起，薄片狀的軸向定子(41)和軸向定子外側鋁片(23)、軸向定子內側鋁片(24)緊密結合在一起。
2.根據權利要求1所述的三自由度交流混合磁軸承，其特征在于軸向采用徑向三極結構，勵磁控制電流采用交流。
全文摘要
本發明屬于電氣傳動設備領域，特指一種新型的三自由度交流混合磁軸承。其采取一個環形永磁體同時提供軸向和徑向靜態偏置磁通，由轉軸、轉子外側鋁片、轉子內側鋁片、軸向定子外側鋁片、軸向定子內側鋁片、環形永磁體、薄片狀的軸向定子、徑向定子、徑向繞組、一端為薄片狀的轉子構成三自由度交流混合磁軸承；其轉子一端為薄片結構用作軸向磁軸承的轉子，使用轉子外側鋁片和轉子內側鋁片來增加強度和進一步減小長徑比；徑向采用三極結構交流勵磁，徑向采用三相逆變器提供控制電流。本發明使用鋁片增加強度和進一步減小長徑比，基于薄片電機原理實現被動懸浮，提高了被動懸浮能力；無需勵磁繞組，從而大大減小了磁軸承軸向占用的空間尺寸。
文檔編號F16C32/04GK101038011SQ20071002141
公開日2007年9月19日 申請日期2007年4月11日 優先權日2007年4月11日
發明者費德成, 孫玉坤, 朱熀秋, 全力 申請人:江蘇大學