[发明专利]六极三自由度锥形定转子交直流主动磁轴承

说明书

本发明公开一种六极三自由度锥形定转子交直流主动磁轴承，沿轴向有间隔布置有两个定子，两个定子的间隔之间固定连接一个环形永磁体，一个圆锥形转子的外侧沿径向正对着一个定子，每个定子轭的内侧面中间位置上沿圆周方向均匀设置六个分隔式锥形磁极，分隔式锥形磁极上绕有径向控制线圈，在每个分隔式锥形磁极的正中间，沿径向由内向外开有一个矩形槽形成磁极间隙，磁极间隙外端向外延伸出定子空腔，相邻两个定子空腔之间绕有轴向控制线圈；在每个圆锥形转子的外侧表面正中间，沿径向由外向内开有一个环形槽形成环形转子间隙；圆锥形转子受到的磁吸引力在轴向、径向均有分量，实现利用同一工作气隙同时控制轴向、径向三个自由度的悬浮。

技术领域

本发明属于电气机械传动设备技术领域，是一种没有任何机械接触的新型高性能轴承，特指集轴向一体化设计的新型六极交直流混合磁轴承，适用于高速高精运转系统及机械加工系统中转轴的悬浮支承系统。

背景技术

磁轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间中，实现转子与定子间没有任何机械接触的一种新型高性能轴承，解决了传统轴承主轴热变形、寿命短、抗震性不足等问题。一个典型的磁悬浮系统需要同时在五个自由度上进行控制，五个自由度通常由一个轴向单自由度磁轴承和两个径向二自由度磁轴承组成。这种结构的磁轴承系统体积较大，轴向的直流功率放大器体积庞大，功耗大，成本高，限制了磁轴承在航空航天、高速高精机床等高尖端技术领域的应用。

轴径向的一体化设计可以使得磁轴承体积进一步减小，结构更加紧凑。在高速运动系统中，轴向长度的减少可以使得转子超高速运转。有几种轴径向一体化设计的磁轴承结构曾被提出，但均有一定的缺陷。理想的轴径向磁轴承结构应具有以下特点：径向电流和轴向电流分别单独输入与控制；控制磁通间互不影响，且磁通不经过永磁体以减少阻抗损耗；采用同极结构以减少转动损耗，尽量减少各自由度位移量之间的耦合；参数设计独立可靠，可以实现期望的径向力、轴向力和功率比。

采用逆变器驱动的磁轴承通常为三极磁轴承，传统磁轴承采用直流开关功率放大器供电驱动，而交流磁轴承三个磁极上的线圈仅需一个三相逆变器供电即可实现径向的稳定悬浮，与采用直流功率放大器相比缩小了系统体积。然而不对称的定子结构导致磁轴承系统的控制电流与悬浮力之间存在非线性关系，径向磁路之间存在耦合关系，降低了系统控制精度。采用六极式对称定子结构能够有效降低控制电流和悬浮力的非线性关系，减小径向磁路间的耦合，提高最大承载力，增加系统控制精度。

中国专利公开号为CN112815005B，专利名称为“一种六极混合磁轴承”所提出的磁轴承为控制线圈采用三相交流逆变器驱动，但其定子为条状结构，需要同时驱动径向与轴向的控制线圈才能实现磁轴承转子的稳定悬浮。中国专利公开号为CN102305242A，专利名称为：“一种径向-轴向三自由度交直流混合磁轴承”所提出的交流磁轴承采用三极结构，导致悬浮力与控制电流之间存在非线性关系，径向磁路之间存在耦合。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有磁轴承存在的上述问题，提出一种结构利用率高，体积小，磁轴承铁耗小，能同时控制轴向-径向三自由度的六极锥形定转子交直流混合磁轴承。

本发明六极三自由度锥形定转子交直流主动磁轴承采用以下技术方案：

其沿轴向有间隔布置有两个定子，两个定子的间隔之间固定连接一个环形永磁体，一个定子的内侧同轴心套有一个圆锥形转子，一个圆锥形转子的外侧沿径向正对着一个定子；每个圆锥形转子的外侧表面在轴向截面上均呈尖端朝外的锥形，每个定子都由定子轭和分隔式锥形磁极，每个定子的定子轭的内侧面中间位置上沿圆周方向均匀设置六个分隔式锥形磁极，每个分隔式锥形磁极上绕有径向控制线圈，径向相对的两个径向控制线圈相串联；每个分隔式锥形磁极的内侧表面在轴向截面上均呈尖端朝外的锥形，在每个分隔式锥形磁极的正中间，沿径向由内向外开有一个矩形槽，形成磁极间隙，磁极间隙的外端向外延伸出方形的定子空腔，相邻两个定子空腔之间绕有轴向控制线圈；圆锥形转子的外侧表面与锥形磁极的内侧面之间留有径向气隙；在每个圆锥形转子的外侧表面正中间，沿径向由外向内开有一个环形槽，形成环形转子间隙，环形转子间隙在径向上与磁极间隙正对。