CN116658520B - 一种外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承及参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承及参数设计方法，包括“T”形内定子和“H”形外转子，“T”形内定子包括轴向、径向铁心、“H”形隔磁铝环、梯形永磁体、轴向、径向悬浮绕组。隔磁铝环内开有插入梯形永磁体的6个梯形槽，并将轴向铁心和径向铁心形成整体定子，轴向铁心上绕制轴向悬浮绕组，径向铁心的6个极上绕制径向悬浮绕组。根据径向轴向最大悬浮力需求设计磁极面积，分析磁路，根据磁路叠加定理，计算一个梯形永磁体形成的偏置磁通，轴向和径向气隙偏置磁通达到0.5B_s，设计出梯形永磁参数，最后设计出轴向和径向悬浮绕组匝数。与现有技术相比，本发明降低混合磁轴承成本，提高材料的利用率，且便于安装，漏磁小。

Description

一种外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承及参数设计 方法

技术领域

本发明涉及一种三自由度磁悬浮轴承，特指一种安装方便、低成本的新结构外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承及参数设计方法，可作为传动轴的无接触悬浮轴承。

背景技术

采用磁悬浮轴承支承传动轴具有无摩擦磨损的优点，更容易实现更大功率和更高转速运行，因此，采用磁轴长支承高速电机转子具有广泛的应用价值。

三自由度交直流磁轴承集成了轴向磁轴承和交流径向磁轴承功能于一体，在一个单元内实现了转子轴向单自由度和径向两自由度悬浮，采用三自由度交直流混合磁轴承替代一个轴向磁轴承和一个径向磁轴承支承电机转子，会有效提高电机临界转速、悬浮力密度和转矩密度，因此三自由度磁轴承受到国内外产业界的广泛重视，国内外研究出多种结构的三自由度交直流混合磁轴承，这些三自由度混合磁轴承均采用轴向或者径向磁化的薄永磁环提供偏置磁通，薄永磁环加工充磁困难，价格高，安装困难，对于大功率磁悬浮电机所需的大悬浮力磁悬浮轴承其永磁环的内径更大，制造这种大内径的薄永磁环从技术上难以实现，或者价格高，导致磁悬浮电机成本高。

发明内容

发明目的：针对背景技术中指出的问题，本发明提供一种外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承及参数设计方法，用开有6个沿隔磁铝环内圆周均匀分布的插有梯形永磁体的梯形槽结构代替以往的轴向磁化永磁环结构，只需要在梯形槽中插入梯形永磁体，可以解决永磁体安装困难的问题，使得永磁体加工容易，价格便宜，安装方便，降低磁轴承的成本，提高材料的利用率。

技术方案：本发明公开一种外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承，包括“H”形外转子与“T”形内定子；

所述“T”形内定子包括轴向铁心、径向铁心、隔磁铝环、梯形永磁体、径向悬浮绕组和轴向悬浮绕组；所述隔磁铝环为“H”形，内开有6个梯形槽，梯形槽中插入梯形永磁体，所述隔磁铝环设置于轴向铁心和径向铁心之间，且轴向铁心和径向铁心插入隔磁铝环形成定子整体，所述轴向铁心上绕制轴向悬浮绕组，所述径向铁心内圆周均布6个极，极上绕制径向悬浮绕组；

所述转轴贯穿所述“H”形外转子，与径向铁心之间形成径向气隙；所述轴向铁心与“H”形外转子之间形成左、右轴向气隙。

进一步地，所述“H”形外转子、“T”形内定子、轴向铁心、径向铁心、梯形永磁体、转轴、径向气隙、左、右轴向气隙构成完整的轴向偏置磁通回路，所述梯形永磁体、径向铁心、径向气隙、转轴构成径向偏置磁通回路；

所述“H”形外转子、轴向铁心、左、右轴向气隙和转轴构成完整的轴向控制磁通回路，所述径向铁心、径向气隙和转轴构成完整的径向控制磁通回路。

进一步地，与梯形永磁体内外侧相对应的轴向铁心内侧和径向铁心外侧为平面，其余部分为圆弧面。

进一步地，所述梯形永磁体同侧极性相同。

进一步地，所述隔磁铝环轴向截面为“H”形，方便梯形永磁体的放置安装，便于固定轴向铁心和径向铁心。

进一步地，所述梯形永磁体充磁方向厚度为h_m，磁化面积为S_m1和S_m2，轴向磁极面积S_z与径向磁极面积S_r满足S_z＝3S_r，S_m1与S_r的垂直投影面积相等。

本发明还公开一种上述外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承的参数设计方法，基于磁路叠加定理进行计算，包括如下步骤：

步骤1：选择永磁材料、铁心材料，根据最大悬浮力需求F_zmax和气隙饱和磁感应强度B_s，确定轴向磁极面积S_z：

步骤2：设定偏置磁通在轴向和径向气隙中产生的气隙磁密相等，均为0.5B_s，求出径向磁极面积与径向最大悬浮力分别为：

步骤3：轴向、径向偏置磁通回路由梯形永磁体、径向和轴向气隙、轴向铁心、径向铁心与转子铁心组成，其等效磁路为：六个径向气隙磁阻并联，六个梯形永磁体磁阻并联，两个轴向气隙磁阻并联，最后将三者串联；

步骤4：采用磁路叠加定理将磁路中的单个梯形永磁体的磁动势F_m、单个梯形永磁体磁阻R_m、单个轴向气隙磁阻R_z、每个径向磁极下的气隙磁阻R_r，单个梯形永磁体总磁动势F_c表示为：

步骤5：根据选择的稀土永磁材料，确定永磁体的矫顽力H_c与h_m关系为：

步骤6：假设轴向铁心和径向铁心的轴向长度为L，由S_r求出径向铁心内半径R₁为：

其中，η为极弧系数；

步骤7：求径向磁极弧角θ₁：θ₁＝η×60°；

步骤8：求S_m1与永磁体下侧长度L_m1：

步骤9：选择隔磁铝环内径R₂，计算梯形两腰之间的夹角的一半θ₂：

步骤10：确定隔磁铝环外径R₃和永磁体上侧长度L_m2：R₃＝R₂+h_m/cosθ₂，L_m2＝L_m1+2h_mtanθ₂；

步骤11：计算每侧轴向悬浮绕组匝数和每个极上径向悬浮绕组安匝数：

步骤12：算出

有益效果：

本发明通过用6块沿内圆周均匀分布的梯形永磁体代替薄永磁环结构，只需要在梯形槽中插入6块梯形永磁体，相比于采用一个永磁环的三自由度混合磁轴承，便于安装，加工容易，价格便宜，降低磁轴承成本，提升材料利用率，漏磁小。

附图说明

图1为一种外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承径向剖分与径向控制磁路线图；

图2为一种外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承径向剖分与径向偏置磁通方向图；

图3为一种外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承轴向剖分，轴向偏置磁路线与轴向控制磁路线图；

图4为一种外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承的轴向偏置磁场等效磁路图；

图5为一种外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承的永磁体几何关系图。

其中，1-“H”形外转子，2-“T”形内定子，3-轴向铁心，4-径向铁心，5-隔磁铝环，6-梯形永磁体，7-径向悬浮绕组，8-轴向悬浮绕组，9-转轴，10-径向气隙，11-轴向偏置磁通回路，12-轴向控制磁通回路，13-左轴向气隙，14-右轴向气隙，15-径向控制磁通回路，16-径向偏置磁通回路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明。图1为外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承径向剖分与径向控制磁路线图；图2为外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承径向剖分与径向偏置磁通方向图；图3为外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承轴向剖分，轴向偏置磁路线与轴向控制磁路图。

图4为外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承的轴向偏置磁场等效磁路图。

图5为外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承的永磁体几何关系图。

本发明公开的一种外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承，其结构包括“H”形外转子1与“T”形内定子2，“H”形的外转子1方便“T”形的内定子的安装。“T”形内定子2包括轴向铁心3、径向铁心4、隔磁铝环5、梯形永磁体6、径向悬浮绕组7和轴向悬浮绕组8；隔磁铝环5为“H”形，内开有6个梯形槽，槽中插入梯形永磁体6，隔磁铝环5设置于轴向铁心3和径向铁心4之间，且轴向铁心3和径向铁心4插入隔磁铝环5形成定子整体，轴向铁心3上绕制轴向悬浮绕组8，径向铁心4内圆周均布6个极，极上绕制径向悬浮绕组7。

转轴9贯穿“H”形外转子1，与径向铁心4之间形成径向气隙10。轴向铁心3与“H”形外转子1之间形成左、右轴向气隙13、14。

“H”形外转子1、“T”形内定子2、轴向铁心3、径向铁心4、梯形永磁体6、转轴9、径向气隙10、左、右轴向气隙13，14构成完整的轴向偏置磁通回路11，所述梯形永磁体6、径向铁心4、径向气隙10、转轴9构成径向偏置磁通回路16。

“H”形外转子1、轴向铁心3、左、右轴向气隙13，14和转轴9构成完整的轴向控制磁通回路12，所述径向铁心4、径向气隙10和转轴9构成完整的径向控制磁通回路15。

与梯形永磁体6内外侧相对应的轴向铁心3内侧和径向铁心4外侧为平面，其余部分为圆弧面。梯形永磁体6同侧极性相同。

隔磁铝环5轴向截面为“H”形，方便梯形永磁体6的放置安装，便于固定轴向铁心3和径向铁心4，梯形永磁体6充磁方向厚度为h_m，磁化面积为S_m1和S_m2。

轴向磁极面积S_z与径向磁极面积S_r满足S_z＝3S_r，S_m1与S_r的垂直投影面积相等。

上述外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承的参数设计方法具体步骤如下：

步骤1：选择永磁材料、铁心材料，根据最大悬浮力需求F_zmax和气隙饱和磁感应强度B_s，确定轴向磁极面积S_z：

步骤2：为充分利用材料，偏置磁通在轴向和径向气隙中产生的气隙磁密相等，均为0.5B_s，可求出径向磁极面积与径向最大悬浮力分别为：

步骤3：轴向、径向偏置磁通回路由梯形永磁体、径向和轴向气隙、轴向铁心、径向铁心与转子铁心组成，其等效磁路为：六个径向气隙磁阻并联，六个梯形永磁体磁阻并联，两个轴向气隙磁阻并联，最后将上述三者相串联，如图4所示。

步骤4：采用磁路叠加定理将磁路中的单个梯形永磁体的磁动势F_m、单个梯形永磁体磁阻R_m、单个轴向气隙磁阻R_z、每个径向磁极下的气隙磁阻R_r，单个永磁体总磁动势F_c表示为：

步骤5：根据选择的稀土永磁材料，确定永磁体的矫顽力H_c与h_m关系为：

步骤6：假设轴向铁心和径向铁心的轴向长度为L，由S_r可求出径向铁心内半径R₁为：

其中，η为极弧系数，一般取0.9～0.95。

步骤7：求径向磁极弧角θ₁：θ₁＝η×60°。

步骤8：参见图5，求S_m1与梯形永磁体下侧长度L_m1：

步骤9：选择合适的隔磁铝环内径R₂，计算梯形两腰之间的夹角的一半θ₂：

步骤10：确定隔磁铝环外径R₃和梯形永磁体上侧长度L_m2：R₃＝R₂+h_m/cosθ₂，L_m2＝L_m1+2h_m tanθ₂。

步骤11：计算每侧轴向悬浮绕组匝数和每个极上径向悬浮绕组安匝数：

步骤12：可算出上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承，其特征在于，包括“H”形外转子(1)与“T”形内定子(2)；

所述“T”形内定子(2)包括轴向铁心(3)、径向铁心(4)、隔磁铝环(5)、梯形永磁体(6)、径向悬浮绕组(7)和轴向悬浮绕组(8)；所述隔磁铝环(5)为“H”形，内开有6个梯形槽，梯形槽中插入梯形永磁体(6)，所述隔磁铝环(5)设置于轴向铁心(3)和径向铁心(4)之间，且轴向铁心(3)和径向铁心(4)插入隔磁铝环(5)形成定子整体，所述轴向铁心(3)上绕制轴向悬浮绕组(8)，所述径向铁心(4)内圆周均布6个极，极上绕制径向悬浮绕组(7)；

转轴(9)贯穿所述“H”形外转子(1)，与径向铁心(4)之间形成径向气隙(10)；所述轴向铁心(3)与“H”形外转子(1)之间形成左轴向气隙(13)、右轴向气隙(14)。

2.根据权利要求1所述的外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承，其特征在于，所述“H”形外转子(1)、“T”形内定子(2)、轴向铁心(3)、径向铁心(4)、梯形永磁体(6)、转轴(9)、径向气隙(10)、左、右轴向气隙(13，14)构成完整的轴向偏置磁通回路(11)，所述梯形永磁体(6)、径向铁心(4)、径向气隙(10)、转轴(9)构成径向偏置磁通回路(16)；

所述“H”形外转子(1)、轴向铁心(3)、左轴向气隙(13)、右轴向气隙(14)和转轴(9)构成完整的轴向控制磁通回路(12)，所述径向铁心(4)、径向气隙(10)和转轴(9)构成完整的径向控制磁通回路(15)。

3.根据权利要求1所述的外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承，其特征在于：与梯形永磁体(6)内外侧相对应的轴向铁心(3)内侧和径向铁心(4)外侧为平面，其余部分为圆弧面。

4.根据权利要求1所述的外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承，其特征在于：所述梯形永磁体(6)同侧极性相同。

5.根据权利要求1所述的外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承，其特征在于：所述隔磁铝环(5)轴向截面为“H”形，方便梯形永磁体(6)的放置安装，便于固定轴向铁心(3)和径向铁心(4)。

6.根据权利要求5所述的外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承，其特征在于：所述梯形永磁体(6)充磁方向厚度为h_m，磁化面积为S_m1和S_m2，轴向磁极面积S_z与径向磁极面积S_r满足S_z＝3S_r，S_m1与S_r的垂直投影面积相等。

7.一种基于权利要求6所述的外转子径向六极三自由度交直流混合磁轴承的参数设计方法，其特征在于，基于磁路叠加定理进行计算，包括如下步骤：

步骤1：选择永磁材料、铁心材料，根据最大悬浮力需求F_zmax和气隙饱和磁感应强度B_s，确定轴向磁极面积S_z：

步骤2：设定偏置磁通在轴向和径向气隙中产生的气隙磁密相等，均为0.5B_s，求出径向磁极面积与径向最大悬浮力分别为：

步骤3：轴向、径向偏置磁通回路由梯形永磁体、径向和轴向气隙、轴向铁心、径向铁心与转子铁心组成，其等效磁路为：六个径向气隙磁阻并联，六个梯形永磁体磁阻并联，两个轴向气隙磁阻并联，最后将三者串联；

步骤4：采用磁路叠加定理将磁路中的单个梯形永磁体的磁动势F_m、单个梯形永磁体磁阻R_m、单个轴向气隙磁阻R_z、每个径向磁极下的气隙磁阻R_r，单个梯形永磁体总磁动势F_c表示为：

步骤5：根据选择的稀土永磁材料，确定永磁体的矫顽力H_c与h_m关系为：

F_c＝H_c×h_m，

步骤6：假设轴向铁心和径向铁心的轴向长度为L，由S_r求出径向铁心内半径R₁为：

其中，η为极弧系数；

步骤7：求径向磁极弧角θ₁：θ₁＝η×60°；

步骤8：求S_m1与永磁体下侧长度L_m1：

步骤9：选择隔磁铝环内径R₂，计算梯形两腰之间的夹角的一半θ₂：

步骤10：确定隔磁铝环外径R₃和永磁体上侧长度L_m2：R₃＝R₂+h_m/cosθ₂，L_m2＝L_m1+2h_m tanθ₂；

步骤11：计算每侧轴向悬浮绕组匝数和每个极上径向悬浮绕组安匝数：

步骤12：算出