專(zhuān)利名稱(chēng)：三自由度交直流徑向－軸向混合磁軸承及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電氣傳動(dòng)(機(jī)械傳動(dòng))設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域，特指一種新型的三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承及其控制方法，適用于各類(lèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的三自由度懸浮支承。
背景技術(shù)：
自二十世紀(jì)七十年代磁軸承技術(shù)迅速發(fā)展以來(lái)，研究方向主要集中于采用直流信號(hào)同時(shí)提供靜態(tài)偏磁磁通與控制磁通的主動(dòng)型磁軸承，并集中于軸向單自由度與徑向二自由度磁軸承的研究。而任一穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)均需要在其五自由度上施加約束。故通常均是采用兩個(gè)二自由度徑向磁軸承和一個(gè)軸向單自由度磁軸承來(lái)構(gòu)成五自由度懸浮支承系統(tǒng)。一方面，徑向二自由度磁軸承及軸向單自由度磁軸承均要占用較大的軸向空間，導(dǎo)致磁軸承支承的電機(jī)主軸軸向長(zhǎng)度較長(zhǎng)，體積較大；同時(shí)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)或各類(lèi)旋轉(zhuǎn)主軸向更高轉(zhuǎn)速和功率發(fā)展受到限制；另一方面，采用直流控制，直流功率放大器價(jià)格高，體積大，一個(gè)徑向磁軸承通常需要四路功率放大電路，從而直接導(dǎo)致了功率放大器體積大，成本高，大大限制了磁軸承的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在航空航天及軍事應(yīng)用領(lǐng)域。
在2000年第七屆國(guó)際磁軸承會(huì)議上，瑞士蘇黎士聯(lián)邦工學(xué)院(ETHZ)的Redemann.C發(fā)表了關(guān)于30kW無(wú)軸承密封泵應(yīng)用測(cè)試報(bào)告，研究了二自由度的交流混合磁軸承，該磁軸承直接采用工業(yè)上通用的三相逆變器提供控制電流，并采用永磁體提供靜態(tài)偏磁磁場(chǎng)，大大減小了其功率放大器體積、降低了損耗和生產(chǎn)成本，但還是要與一個(gè)軸向主動(dòng)磁軸承才能實(shí)現(xiàn)三自由度的懸浮支承，依然沒(méi)能在整體系統(tǒng)軸向結(jié)構(gòu)緊湊方面及轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速提高方面取得進(jìn)步。
為了從結(jié)構(gòu)上來(lái)減小磁軸承軸向和徑向尺寸，真正減小功率放大器體積、降低功率損耗，從而降低磁軸承的生產(chǎn)成本，提高磁軸承的工作性能，擴(kuò)大磁軸承的應(yīng)用領(lǐng)域，需采用一些新的機(jī)械結(jié)構(gòu)和磁路結(jié)構(gòu)，新的驅(qū)動(dòng)和控制方法。如研制集徑向-軸向控制于一體的結(jié)構(gòu)更加緊湊，控制及功率放大器更加精簡(jiǎn)的三自由度混合磁軸承。
國(guó)內(nèi)外沒(méi)有相關(guān)的專(zhuān)利和文獻(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出結(jié)構(gòu)緊湊，功率放大電路體積小、效率高、軸承承載力大，同時(shí)控制徑向-軸向三自由度的永磁偏磁交直流混合磁軸承及其控制方法，從而減小電主軸或各種需要懸浮支承旋轉(zhuǎn)主軸的軸向尺寸，以使得系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速得到進(jìn)一步提高，并大大減小功率放大器的體積與成本，使得此類(lèi)磁軸承能在超高速超精密數(shù)控機(jī)床、磁懸浮無(wú)軸承電機(jī)、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)及人造衛(wèi)星等懸浮支承系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。
本發(fā)明的方案是首先構(gòu)建全新的三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承結(jié)構(gòu)與磁路，根據(jù)等效磁路法構(gòu)建三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承的數(shù)學(xué)模型。再由此數(shù)學(xué)模型對(duì)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(jì)出一系列的滿足實(shí)際應(yīng)用要求的磁軸承。最后，依據(jù)數(shù)學(xué)模型，依據(jù)各實(shí)際參數(shù)，采用不完全微分和積分分離的PID控制方法或模糊PID控制策略，構(gòu)建出雙閉環(huán)控制系統(tǒng)與功率放大電路。
具體方案是采取由一個(gè)環(huán)形永磁體同時(shí)提供軸向和徑向靜態(tài)偏磁磁通，由轉(zhuǎn)子、軸向定子、三個(gè)磁極對(duì)稱(chēng)布置的徑向定子、環(huán)形永磁體及線圈構(gòu)成三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承；其軸向采用直流功放提供控制電流；徑向采用三相逆變器提供控制電流；采用DSP數(shù)字控制器同時(shí)對(duì)軸向與徑向位移進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；由高分辨率的電渦流傳感器對(duì)轉(zhuǎn)子軸向和徑向位置進(jìn)行檢測(cè)，傳感器輸出位移信號(hào)至DSP系統(tǒng)，線性閉環(huán)控制器對(duì)其與參考平衡位置信號(hào)進(jìn)行比較，并采用不完全微分和積分分離的PID或模糊PID位置控制器進(jìn)行控制，輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承閉環(huán)控制。
其中線性閉環(huán)控制器、2/3變換、線性功放、CRPWM電流跟蹤型逆變器、位移傳感器、三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承組成閉環(huán)控制系統(tǒng)；三路電渦流傳感器將磁軸承三個(gè)自由度x，y，z方向的位移信號(hào)反饋至線性閉環(huán)控制器，經(jīng)過(guò)位移控制器，輸出軸向控制信號(hào)，軸向控制信號(hào)經(jīng)線性功放將軸向控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成軸向控制電流，控制電流在軸向執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生磁力，從而使轉(zhuǎn)子軸向維持其懸浮的中間位置不變；經(jīng)過(guò)位移控制器輸出的徑向控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)2/3變換后，提供給CRPWM電流跟蹤型逆變器控制電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)CRPWM電流跟蹤型逆變器轉(zhuǎn)換成三相控制電流，三相控制電流在徑向執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生磁力，從而使轉(zhuǎn)子徑向維持其懸浮的中間位置不變；DSP控制器通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)電渦流傳感器信號(hào)的采集、線性閉環(huán)控制器或2/3變換的運(yùn)算處理，并輸出相應(yīng)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承閉環(huán)控制。
其中上述轉(zhuǎn)子由圓形硅鋼片疊壓套在轉(zhuǎn)軸上，軸向定子由兩個(gè)圓盤(pán)加一個(gè)圓環(huán)體聯(lián)接而成，軸向定子與轉(zhuǎn)子的之間氣隙構(gòu)成軸向氣隙；徑向定子處于軸向定子中間，徑向定子有周向均勻分布的三個(gè)磁極，徑向充磁永磁體環(huán)套在徑向定子上，三個(gè)徑向磁極與轉(zhuǎn)子表面之間氣隙構(gòu)成三個(gè)徑向氣隙，軸向控制線圈緊挨軸向定子盤(pán)，置于內(nèi)側(cè)；三個(gè)徑向控制線圈固定在徑向定子三個(gè)磁極上，徑向和軸向磁路分別經(jīng)過(guò)相應(yīng)定子、氣隙和轉(zhuǎn)子構(gòu)成了完整的磁通回路。
也可以采取軸向控制磁路與徑向控制磁路各居一側(cè)，轉(zhuǎn)子的形狀為帶軸向吸力盤(pán)的回轉(zhuǎn)體，兩片軸向定子安裝于軸向吸力盤(pán)兩側(cè)，與軸向吸力盤(pán)兩個(gè)側(cè)面之間的間隙構(gòu)成軸向氣隙；徑向定子與環(huán)形永久磁鐵及軸向定子緊密連接，固定在磁軸承的外殼內(nèi)，其三個(gè)徑向磁極與轉(zhuǎn)子表面之間的間隙構(gòu)成三個(gè)徑向氣隙。軸向充磁永磁體置于徑向定子與軸向定子之間，軸向控制線圈(帶繞線架)置于兩片軸向定子之間。三個(gè)徑向控制線圈固定在徑向定子三磁極上。
本發(fā)明的原理是通過(guò)構(gòu)造一種全新的磁路與機(jī)械結(jié)構(gòu)，使磁軸承徑向與軸向可以毫無(wú)耦合地共用永磁體提供的靜態(tài)偏磁磁通，從而集成了軸向自由度與徑向自由度的聯(lián)合控制，縮短了轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度和磁軸承的體積，相比于二自由度磁軸承與單自由度磁軸承的組合大大減小了磁軸承軸向占用的空間尺寸；同時(shí)采用三相逆變器對(duì)徑向磁軸承提供控制電流，減少了功率放大器的數(shù)量，控制簡(jiǎn)單，降低了制造與運(yùn)行成本。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1.巧妙地實(shí)現(xiàn)了徑向-軸向三自由度聯(lián)合控制。相比于二自由度徑向磁軸承與單自由度軸向磁軸承的給合，在相同功率或支承力下，大大縮小了軸向的長(zhǎng)度；或使得相同體積下系統(tǒng)功率可以做得更高，懸浮力可以做得更大。
2.徑向二自由度只采用一個(gè)三相功率逆變器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，相比于常規(guī)的徑向二自由度磁軸承需4路功率放大電路，大大減小了體積，降低了成本，降低了功率損耗，并且控制更加簡(jiǎn)化，三相逆變器采用DSP處理器進(jìn)行控制，使得只需通過(guò)軟件的編程與移植就可輕松地將工業(yè)上通用變頻器用于磁軸承功率放大器。
3.軸向與徑向共用一個(gè)DSP控制器。因?yàn)镈SP具有極高的運(yùn)算能力與豐富的接口資源，TMS320LF2407單條指令執(zhí)行周期只需33ns，故足夠同時(shí)對(duì)軸向與徑向進(jìn)行控制。
4.采用軟件與硬件相結(jié)合組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。DSP只需依據(jù)位置偏移量提供控制電流信號(hào)而進(jìn)行位移閉環(huán)控制，由硬件滯環(huán)比較器與三相逆變器構(gòu)成電流跟蹤型逆變器，進(jìn)行電流閉環(huán)控制。


圖1是實(shí)施例1的三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承機(jī)械結(jié)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)示意圖，由轉(zhuǎn)子(11)，軸向定子(12)、帶三個(gè)磁極的徑向定子(13)，徑向控制線圈(14)，軸向控制線圈(15)，徑向充磁永磁體(16)，轉(zhuǎn)軸(3)等構(gòu)成。
圖2和圖3是實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是圖3中D-D剖面的左視圖。圖2和圖3中帶箭頭的實(shí)線表示永磁體產(chǎn)生的靜態(tài)偏磁磁場(chǎng)，它從永磁體(16)的N極出發(fā)，經(jīng)過(guò)軸向定子(12)、軸向氣隙、轉(zhuǎn)子(11)、徑向氣隙、徑向定子(13)、最后回到永磁體(16)的S極；帶箭頭(控制磁通箭頭方向由控制電流方向按右手定則確定)的虛線表示的是控制磁通，軸向控制磁通在軸向定子(12)、軸向氣隙與轉(zhuǎn)子(11)內(nèi)構(gòu)成回路；徑向控制磁通在徑向定子(13)、徑向氣隙與轉(zhuǎn)子(11)間形成回路。
圖4和圖5是實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是圖5中E-E剖面的左視圖。圖中帶箭頭的實(shí)線表示永磁體產(chǎn)生的靜態(tài)偏磁磁場(chǎng)，它從永磁體(26)的N極出發(fā)，經(jīng)過(guò)軸向定子(22)、軸向氣隙、轉(zhuǎn)子(21)、徑向氣隙、徑向定子(23)、最后回到永磁體(26)的S極；帶箭頭(控制磁通箭頭方向由控制電流方向按右手定則確定)的虛線表示的是控制磁通，軸向控制磁通在軸向定子(22)、軸向氣隙與轉(zhuǎn)子(21)內(nèi)構(gòu)成回路；徑向控制磁通在徑向定子(23)、徑向氣隙與轉(zhuǎn)子(21)間形成回路。相對(duì)于例1的結(jié)構(gòu)不同點(diǎn)在于將軸向磁通與徑向磁通各居一端，雖然軸向尺寸有所加長(zhǎng)，但徑向控制線圈(24)不受軸向結(jié)構(gòu)約束，可滿足徑向大懸浮力要求。
圖6是三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承控制系統(tǒng)框圖。主要由磁軸承(9)，位移傳感器(5)，線性閉環(huán)控制器(4)，軸向線性功放(6)，2/3變換(7)，徑向CRPWM電流跟蹤型逆變器(8)構(gòu)成。由位移傳感器(5)對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測(cè)，與給定的參考位置信號(hào)進(jìn)行比較并在DSP內(nèi)部通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)PID控制。
圖7是采用DSP作為三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承的控制器CPU的本發(fā)明裝置控制系統(tǒng)硬件組成示意圖。其中有DSP控制器10。DSP控制器(10)通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)電渦流傳感器(51、52、53)信號(hào)的采集、線性閉環(huán)控制器(4)或2/3變換變換(7)的運(yùn)算處理，并輸出相應(yīng)控制信號(hào)。
圖8是采用DSP控制器10的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)軟件框圖。軟件由主程序和子程序構(gòu)成，采用定時(shí)中斷服務(wù)對(duì)位移傳感器信號(hào)(51、52、53)檢測(cè)、位置控制器(41、42、43)運(yùn)算、2/3變換(7)和運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明具體實(shí)施分以下5步1.機(jī)械結(jié)構(gòu)。三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承磁路由一塊永磁體同時(shí)提供軸向與徑向偏磁磁通，永磁材料采用高性能稀土材料釹鐵硼，分割成6塊，便于永磁體的加工，再拼接成一整圓環(huán)形永磁體；軸向控制磁通由軸向控制線圈通以軸向控制直流電來(lái)產(chǎn)生，線圈安匝數(shù)要根據(jù)實(shí)際要求承受的負(fù)載能力來(lái)進(jìn)行確定；徑向控制磁通由徑向三相線圈通以三相交流電來(lái)產(chǎn)生。根據(jù)磁回路要求，構(gòu)造總體的機(jī)械結(jié)構(gòu)與零部件結(jié)構(gòu)。磁路部件要求導(dǎo)磁性能好，盡量考慮降低渦流損耗與磁滯損耗，由此確定出轉(zhuǎn)子與徑向定子采用硅鋼片疊壓而成，而軸向定子則采用電工純鐵加工而成。徑向定子三個(gè)磁極要沿圓周位置均勻布置。
如圖2和圖3所示，實(shí)施例1的轉(zhuǎn)子(11)由圓形硅鋼片疊壓套在轉(zhuǎn)軸(3)上，軸向定子(12)由兩個(gè)圓盤(pán)加一個(gè)圓環(huán)體聯(lián)接而成，軸向定子(12)與轉(zhuǎn)子(11)之間間隙構(gòu)成軸向氣隙；徑向定子(13)有周向均勻分布的三個(gè)磁極，徑向充磁永磁體(16)環(huán)套在徑向定子(13)上，三個(gè)徑向磁極與轉(zhuǎn)子(11)表面之間間隙構(gòu)成三個(gè)徑向氣隙。軸向控制線圈(15)(帶繞線架)緊挨軸向定子盤(pán)，由左右兩個(gè)線圈串聯(lián)，置于內(nèi)側(cè)；三個(gè)徑向控制線圈(14)固定在徑向定子三個(gè)磁極上，最終組成三自由度磁軸承裝配圖(圖3)。徑向和軸向磁路分別經(jīng)過(guò)相應(yīng)定子、氣隙和轉(zhuǎn)子(11)構(gòu)成了完整的磁通回路。在軸向氣隙與徑向氣隙處永磁偏磁磁通與控制磁通的合成磁通變化能改變徑向或軸向的懸浮力大小。徑向定子(13)處于軸向定子(12)中間，充分利用了軸向定子(12)的內(nèi)部空間來(lái)放置徑向控制線圈(14)和軸向控制線圈(15)，使得磁軸承軸向體積非常緊湊。
如圖4和圖5所示，實(shí)施例2的轉(zhuǎn)子(21)的形狀為帶軸向吸力盤(pán)的回轉(zhuǎn)體，兩片軸向定子(22)安裝于軸向吸力盤(pán)兩側(cè)，與軸向吸力盤(pán)兩個(gè)側(cè)面之間氣隙構(gòu)成軸向氣隙；徑向定子(23)與環(huán)形永久磁鐵(26)及軸向定子(22)緊密連接，固定在磁軸承的外殼內(nèi)，其三個(gè)徑向磁極與轉(zhuǎn)子(21)表面之間氣隙構(gòu)成三個(gè)徑向氣隙。軸向充磁永磁體(26)置于徑向定子(23)與軸向定子(22)之間，同時(shí)提供軸向偏磁磁通及徑向偏磁磁通。軸向控制線圈(帶繞線架)(25)置于兩片軸向定子(22)之間。三個(gè)徑向控制線圈(24)固定在徑向定子(23)三磁極上。最終構(gòu)成三自由度交直流徑向-軸向磁軸承裝配圖(圖5)。徑向和軸向磁路分別經(jīng)過(guò)相應(yīng)定子、氣隙和轉(zhuǎn)子(21)構(gòu)成了完整的磁通回路。在軸向氣隙與徑向氣隙處永磁偏磁磁通與控制磁通的合成磁通變化能改變徑向或軸向的懸浮力大小。軸向控制磁路與徑向控制磁路各居一端，可減小徑向-軸向的相互干擾，并使得徑向線圈不受空間限制，可根據(jù)實(shí)際需要增大徑向可控懸浮力。
2.位移檢測(cè)。采用電渦流傳感器對(duì)軸向與徑向位移進(jìn)行檢測(cè)。軸向采用一個(gè)電渦流傳感器，而徑向采用四個(gè)電渦流傳感器在x方向與y方向分別進(jìn)行差動(dòng)式檢測(cè)，以獲得精準(zhǔn)的位置信號(hào)，并經(jīng)線性變換后使其在DSP的A/D輸入信號(hào)范圍之內(nèi)，由DSP內(nèi)置采樣/保持電路對(duì)其進(jìn)行信號(hào)采集處理。
3.軸向功放。采用傳統(tǒng)的模擬線性功放，具有響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。由DSP輸出的控制信號(hào)直接作為線性功率放大器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)放大產(chǎn)生控制電流，控制電流在執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生主動(dòng)磁懸浮力來(lái)使轉(zhuǎn)子保持在軸向平衡位置。
4.徑向功放。采用CRPWM電流跟蹤型逆變器，其中主電路采用智能功率模塊IPM。電渦流傳感器將徑向二個(gè)自由度x，y方向的位移信號(hào)反饋至線性閉環(huán)控制器，經(jīng)過(guò)PID位移控制器運(yùn)算和處理，經(jīng)過(guò)2/3變換后，輸出徑向控制信號(hào)，提供給CRPWM電流跟蹤型逆變器控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)CRPWM電流跟蹤型逆變器轉(zhuǎn)換成三相控制電流，三相控制電流在徑向執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生磁力，從而使轉(zhuǎn)子徑向維持其懸浮的中間位置不變。
5.構(gòu)建控制系統(tǒng)。線性閉環(huán)控制器、線性功放、CRPWM電流跟蹤型逆變器、位移傳感器、2/3變換、三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。三路電渦流傳感器將磁軸承三個(gè)自由度x，y，z方向的位移信號(hào)反饋至線性閉環(huán)控制器，經(jīng)過(guò)位移控制器運(yùn)算和處理，輸出軸向控制信號(hào)，軸向控制信號(hào)經(jīng)線性功放將軸向控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成軸向控制電流，控制電流在軸向執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生磁力，從而使轉(zhuǎn)子軸向維持其懸浮的中間位置不變；經(jīng)過(guò)位移控制器運(yùn)算和處理，經(jīng)過(guò)2/3變換后，輸出的徑向控制信號(hào)，提供給CRPWM電流跟蹤型逆變器控制電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)CRPWM電流跟蹤型逆變器轉(zhuǎn)換成三相控制電流，三相控制電流在徑向執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生磁力，從而使轉(zhuǎn)子徑向維持其懸浮的中間位置不變。采用TI公司的TMSLF2407DSP數(shù)字信號(hào)處理器作為DSP控制器的CPU。該款CPU具有運(yùn)算速度快，單條指令只需33ns時(shí)間，自帶有內(nèi)置采樣/保持電路的10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，PWM信號(hào)事件管理模塊，能滿足磁軸承控制要求。DSP控制器通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)電渦流傳感器信號(hào)的采集、線性閉環(huán)控制器和2/3變換的運(yùn)算處理，并輸出相應(yīng)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承的閉環(huán)控制。位置控制器采用不完全微分和積分分離的PID控制算法或模糊PID控制算法等，本發(fā)明中PID傳遞函數(shù)Gc(s)=Kp(1+TdS)(1+ϵTdS)(1+1TiS)|e|≤cKp(1+TdS)(1+ϵTdS)|e|>c]]>式中Kp——比例放大系數(shù)；Ti——積分時(shí)間常數(shù)；Td——微分時(shí)間常數(shù)；ε——微分增益；e——輸入靜差；c——設(shè)定閥值。
PID位置控制器參數(shù)范圍在Kp＝100，Ti＝0.02s，ε＝0.01，C＝0.65，Td＝0.00045s的附近，通過(guò)調(diào)整DSP控制器中位置控制器PID的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)磁軸承的三自由度穩(wěn)定懸浮，獲得優(yōu)良的靜態(tài)懸浮與動(dòng)態(tài)懸浮性能指標(biāo)。
根據(jù)以上所述，便可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承，其特征在于轉(zhuǎn)子(11)由圓形硅鋼片疊壓套在轉(zhuǎn)軸(3)上，軸向定子(12)由兩個(gè)圓盤(pán)加一個(gè)圓環(huán)體聯(lián)接而成，軸向定子(12)與轉(zhuǎn)子(11)的之間氣隙構(gòu)成軸向氣隙；徑向定子(13)處于軸向定子(12)中間，徑向定子(13)有周向均勻分布的三個(gè)磁極，徑向充磁永磁體(16)環(huán)套在徑向定子(13)上，三個(gè)徑向磁極與轉(zhuǎn)子(11)表面之間的氣隙構(gòu)成三個(gè)徑向氣隙，軸向控制線圈(15)緊挨軸向定子盤(pán)，置于內(nèi)側(cè)；三個(gè)徑向控制線圈(14)固定在徑向定子三個(gè)磁極上，徑向和軸向磁路分別經(jīng)過(guò)相應(yīng)定子、氣隙和轉(zhuǎn)子(11)構(gòu)成了完整的磁通回路。
2.三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承，其特征在于軸向控制磁路與徑向控制磁路各居一側(cè)，轉(zhuǎn)子(21)的形狀為帶軸向吸力盤(pán)的回轉(zhuǎn)體，兩片軸向定子(22)安裝于軸向吸力盤(pán)兩側(cè)，與軸向吸力盤(pán)兩個(gè)側(cè)面之間的間隙構(gòu)成軸向氣隙；徑向定子(23)與環(huán)形永久磁鐵(26)及軸向定子(22)緊密連接，固定在磁軸承的外殼內(nèi)，其三個(gè)徑向磁極與轉(zhuǎn)子(21)表面之間的氣隙構(gòu)成三個(gè)徑向氣隙。軸向充磁永磁體(26)置于徑向定子(23)與軸向定子(22)之間，軸向控制線圈(帶繞線架)(25)置于兩片軸向定子(22)之間。三個(gè)徑向控制線圈(24)固定在徑向定子(23)三個(gè)磁極上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承的控制方法，其特征在于采取由一個(gè)環(huán)形永磁體同時(shí)提供軸向和徑向靜態(tài)偏磁磁通，由轉(zhuǎn)子，軸向定子，三個(gè)磁極對(duì)稱(chēng)分布的徑向定子、環(huán)形永磁體及線圈等構(gòu)成三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承；其軸向采用直流功放提供控制電流；徑向采用三相逆變器提供控制電流；采用DSP數(shù)字控制器同時(shí)對(duì)軸向與徑向位移進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；由高分辨率的電渦流傳感器對(duì)轉(zhuǎn)子軸向和徑向位置進(jìn)行檢測(cè)，傳感器輸出位移信號(hào)至DSP系統(tǒng)，線性閉環(huán)控制器對(duì)其與參考平衡位置信號(hào)進(jìn)行比較，并采用不完全微分和積分分離的PID或模糊PID位置控制器進(jìn)行控制，輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承閉環(huán)控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承的控制方法，其特征在于線性閉環(huán)控制器(4)、2/3變換(7)、線性功放(6)、CRPWM電流跟蹤型逆變器(8)、三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承(9)、位移傳感器(5)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)；三路電渦流傳感器(51，52，53)將磁軸承三個(gè)自由度x，y，z方向的位移信號(hào)反饋至線性閉環(huán)控制器(4)，經(jīng)過(guò)位移控制器(41)，輸出軸向控制信號(hào)iz*，軸向控制信號(hào)iz*，經(jīng)線性功放(6)將軸向控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成軸向控制電流iz，控制電流iz在軸向執(zhí)行電磁鐵中產(chǎn)生磁力，從而使轉(zhuǎn)子軸向維持其懸浮的中間位置不變；經(jīng)過(guò)位移控制器(42，43)輸出的徑向控制信號(hào)fy*和fx*，經(jīng)過(guò)2/3變換(7)后，提供給CRPWM電流跟蹤型逆變器(8)控制電流信號(hào)iu*、iv*和iw*，iv*、iv*和iw*經(jīng)過(guò)CRPWM電流跟蹤型逆變器(8)轉(zhuǎn)換成三相控制電流iu、iy和iw，三相控制電流在徑向執(zhí)行電磁鐵中產(chǎn)生磁力，從而使轉(zhuǎn)子徑向位置維持其懸浮的中間位置不變；DSP控制器(10)通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)電渦流傳感器(51、52、53)信號(hào)的采集、線性閉環(huán)控制器(4)和2/3變換(7)的運(yùn)算處理，并輸出相應(yīng)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承閉環(huán)控制。
全文摘要
三自由度交直流徑向－軸向混合磁軸承，適合于需要懸浮支撐的電主軸及旋轉(zhuǎn)主軸系統(tǒng)。其特征是由永磁體同時(shí)提供徑向－軸向靜態(tài)偏磁磁通來(lái)產(chǎn)生靜態(tài)承載力，由徑向控制線圈與軸向控制線圈提供控制磁通來(lái)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)懸浮力，克服外界擾動(dòng)力或負(fù)載力，使轉(zhuǎn)子在徑向－軸向三自由度懸浮于平衡位置。由軸向線性功放，徑向CRPWM電流跟蹤型逆變器構(gòu)成功率放大電路，采用電渦流位移傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子三自由度位移反饋至DSP控制器，由DSP進(jìn)行PID運(yùn)算和處理(徑向需2/3變換)、給功率放大電路提供控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器在磁軸承線圈中產(chǎn)生控制電流，控制電流在執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生磁力，實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)子的軸向與徑向的穩(wěn)定懸浮和實(shí)時(shí)控制。
文檔編號(hào)H02N15/00GK1737388SQ20051004006
公開(kāi)日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月18日
發(fā)明者朱熀秋, 謝志意 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)