[发明专利]一种三自由度混合偏置磁轴承

说明书

本发明公布了一种三自由度混合偏置磁轴承。通过8个环形充磁的轭永磁体和4个径向充磁的齿永磁体共同产生永磁偏置磁通，一套偏置绕组产生电磁偏置磁通，在径向和轴向上实现永磁和电磁两种偏置磁通的混合励磁，进而与两个径向和一个轴向悬浮控制磁通作用，产生三个悬浮力，各方向承载能力均显著增强，在大功率应用场合具有独特优势。本发明具备三自由度悬浮能力，结构紧凑，集成度高，偏置磁通调节范围宽，固有刚度大，临界转速和功率密度高；电磁偏置磁通调节方便，磁轴承负载工况适应性强，多变负载工况下悬浮功率变换器设计难度低，悬浮控制简单且悬浮精度高。

技术领域

本发明涉及一种三自由度混合偏置磁轴承，属于磁悬浮轴承技术领域。

背景技术

磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损、无需密封润滑、高速度、精度高、寿命长及维护成本低等优良特性，有效解决高速电机的轴承支撑问题。主动型磁轴承通过控制定、转子间电磁力以实现转轴的悬浮，在高速电机领域应用广泛。根据偏置磁场建立方式，主动型磁轴承分为电磁型与混合型。混合型磁轴承的偏置磁通由永磁体产生，承载能力大，刚度可调，控制灵活，且功率密度高，在高速、高功率密度场合应用广泛。但是由于传统混合型磁轴承仅采用永磁体作为偏置磁场，导致其偏置磁通不可调节，固有刚度不高，临界转速和功率密度有待进一步提升；另外，永磁磁通不可调节，制造完毕后，磁轴承的最大悬浮承载力固定不变，故混合型磁轴承的悬浮容量受限于永磁体磁能，过载能力弱。

在磁悬浮列车应用领域中，悬浮承载力要求高，负载变化大，需要磁轴承的偏置磁通调节范围更为宽广，以适应列车大容量负载及多变工况，进而提升磁悬浮轴承输出功率和悬浮控制精度。为此，在功率密度高、体积重量小的混合型磁轴承中增加一个调节范围宽、承载能力适应性强的电磁偏置磁通，实现磁轴承的偏置磁通的混合励磁，进一步提升其输出功率、固有刚度、功率密度和临界转速，是大容量磁轴承研究的热点。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提出了一种三自由度混合偏置磁轴承，采用偏置绕组和永磁体共同产生偏置磁通，在径向和轴向均实现了永磁和电磁的混合励磁，输出功率和各方向载荷能力明显提升，在磁悬浮列车、磁悬浮飞轮等大容量负载应用领域具有独特优势；同时，还是进一步提升磁轴承偏置磁通调节范围、固有刚度、临界转速和功率密度。

本发明在磁轴承的轴向和两个径向磁路均存在电磁偏置和永磁偏置磁通，分别与三个方向悬浮绕组控制磁通相互作用，产生一个轴向悬浮力和两个径向悬浮力，进而实现三自由度悬浮运行。由于设计制造完毕，永磁体固定，永磁偏置磁通不可调节，若需进一步提升输出功率和悬浮容量，通过增加偏置绕组励磁电流，提高电磁偏置磁通幅值，进而增大磁悬浮承载力。为此，负载工况变化时，通过改变偏置绕组电流，以动态调节磁轴承的总偏置磁通，进而满足不同负载工作状态下对输出悬浮力的要求，并降低悬浮功率变换器设计和悬浮控制难度，进一步提升磁轴承适应性和悬浮控制精度。

本发明具有轴向和两个径向共三个悬浮能力，集成度高，结构紧凑，三个方向上均实现了永磁和电磁偏置磁通的混合励磁，承载力显著增强，在容量大和功率密度要求高的应用领域具有独特优势。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种三自由度混合偏置磁轴承，包括径向力定子、齿永磁体、轭永磁体、导磁轭、轴向力定子Ⅰ、轴向力定子Ⅱ、转子、转轴、偏置线圈、径向悬浮线圈、轴向悬浮线圈Ⅰ和轴向悬浮线圈Ⅱ；

所述轴向力定子Ⅰ、径向力定子和轴向力定子Ⅱ串联布置在导磁轭内，且径向力定子布置在轴向力定子Ⅰ和轴向力定子Ⅱ之间；所述轴向力定子Ⅰ与径向力定子存在间隙Ⅰ，所述轴向力定子Ⅱ与径向力定子存在间隙Ⅱ，所述间隙Ⅰ和间隙Ⅱ相等；所述转子为圆柱结构，且布置在所述径向力定子内，所述转子套在转轴上；