CN116255395A - 一种恒流源励磁六极主动电磁轴承及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种恒流源励磁六极主动电磁轴承及设计方法，磁轴承包括定子、转子、恒流源绕组和控制绕组。定子上均匀分布间隔60°的六个悬浮极，各悬浮极与转子间的气隙长度相等。每个极上绕制控制绕组，在Y方向四个极上绕制匝数相同的恒流源绕组，恒流源绕组串联并由直流恒流源供电。X方向上的两个极面积是Y方向上四个极面积的2倍，六个极上的控制绕组匝数相同，相对悬浮极的控制绕组串联为三相绕组，在Y方向四个极上的两相控制绕组串联补偿电阻与补偿电感，并采用三相逆变器供电。本发明与传统恒流源励磁六极主动磁轴承相比，提高材料利用率，提高两自由度悬浮力对称性，减小悬浮力耦合性，控制简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种恒流源励磁主动磁轴承设计方法，具体涉及一种各极偏置磁通相等的恒流源励磁六极主动磁轴承的设计方法。
背景技术
磁轴承是一种利用电磁力实现定、转子稳定悬浮的装置，具有无机械磨损、转速快、维护简单、机械寿命长等优点。特别是混合磁轴承采用永磁体提供偏置磁通，功耗低，悬浮力密度大，但是由于永磁体在振动或温升较高时会导致热退磁，最终导致悬浮失败，而恒流源励磁磁轴承，其由输入电流保持不变的恒流源功放代替混合磁轴承中的永磁体来提供偏置磁场，同时具备混合磁轴承和主动磁轴承优点，在机械加工、真空技术、航空航天、生命科学等领域有广泛的应用前景。
现有的六极恒流源励磁磁轴承各极磁极面积相等，而Y方向两个极下的气隙偏置磁通密度仅为X方向两个极下的气隙偏置磁通密度的一半，气隙磁通偏低，导致悬浮力密度较小，材料利用率低，且X方向与Y方向的最大悬浮力差距较大，悬浮力耦合性严重，控制复杂。
发明内容
发明目的：本发明要解决的技术问题是提供一种各悬浮极下偏置磁通相等的恒流源励磁六极主动电磁轴承及其设计方法，本发明有效提高材料利用率，提高最大悬浮力与减小X和Y方向最大悬浮力差距，耦合性小，控制更加简单。
技术方案：本发明通过以下技术实现：
本发明涉及一种恒流源励磁六极主动电磁轴承的设计方法，特指一种各悬浮极下偏置磁通相等的恒流源励磁六极主动电磁轴承的设计方法。本发明基于如下结构进行设计。其结构如图1所示，处于稳定悬浮状态时偏置磁通如图2所示。磁轴承包括定子、转子、恒流源绕组和控制绕组。其中，定子和转子均由硅钢片叠压而成，定子上均匀分布间隔60°的六个悬浮极，分别记为悬浮极A、悬浮极B、悬浮极C、悬浮极D、悬浮极E、悬浮极F，各悬浮极与转子间的气隙长度相等。绕组线圈均由铜漆包线绕制而成，在Y方向四个极上绕制匝数相同的线圈，然后串联为恒流源绕组并由一个恒流源供电。相对悬浮极上的控制线圈串联为三相绕组A，B，C，在B，C两相控制绕组上串联补偿绕组和补偿电感，并采用三相逆变器供电。
步骤1：计算各悬浮极面积
S1.1根据所选材料确定各悬浮极下偏置磁通密度为B p 。
S1.2根据偏置磁路，得出X方向悬浮极与Y方向悬浮极偏置磁通关系为：B p S 1=2B p S 2，其中，S 1为X方向悬浮极面积，S 2为Y方向悬浮极面积，进一步得到两个悬浮极面积关系为：S 1=2S 2。
S1.3假设定子内径为R，定子铁心轴长长度为l，确定极面弧长为
，其中η/>
为6个极弧占圆周的比率，一般取0.9。
S1.4其他尺寸诸如极高、轭高等参数，可按惯例设计。
步骤2：计算恒流源绕组匝数
S2.1假设恒流源绕组匝数为N，励磁电流为I，气隙长度为g，空气磁导率为μ 0，根据偏置磁路，得到：
，进一步求得恒流源绕组匝数：
。
步骤3：计算控制绕组参数
S2.2在分别产生X和Y方向最大悬浮力情况下，控制绕组通电，产生与偏置磁密相同的控制磁密：
可推导出：
S2.3假设B、C相的绕组电感为L y ，电阻为R y ，A相的绕组电感为L x ，电阻为R x ，要保证三相绕组对称，B、C相控制绕组上串联补偿电感L和补偿电阻R为
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：
一、本发明与现有的六极恒流源励磁磁轴承相比，各悬浮极下偏置磁通相等，材料利用率高。
二、本发明与现有的六极恒流源励磁磁轴承相比，X、Y方向的最大悬浮力大。
三、本发明与现有的六极恒流源励磁主动磁轴承相比，X方向最大悬浮力与Y方向最大悬浮力差距更小，悬浮力耦合性小，更容易控制。
附图说明
图1为本发明正视图
图2为本发明偏置绕组布线图
图3为本发明控制绕组布线图
图4为本发明稳定悬浮时的偏置磁密图
图5为本发明各悬浮极下偏置磁密图
图6为本发明产生Y方向最大力时的磁密图
图7为本发明产生Y方向最大力时各悬浮极下气隙磁密图
图8为本发明产生X方向最大力时的磁密图
图9为本发明产生X方向最大力时各悬浮极下气隙磁密图。
具体实施方式
本发明基于的原理是：
本发明涉及一种恒流源励磁六极主动电磁轴承的设计方法，特指一种各悬浮极下偏置磁通相等的恒流源励磁六极主动电磁轴承的设计方法。本发明基于如下结构进行设计。其结构如图1所示，处于稳定悬浮状态时偏置磁通如图2所示。磁轴承包括定子1、转子2、恒流源绕组和控制绕组。其中，定子和转子均由硅钢片叠压而成，定子上均匀分布间隔60°的六个悬浮极，分别记为悬浮极A、悬浮极B、悬浮极C、悬浮极D、悬浮极E、悬浮极F，各悬浮极与转子间的气隙长度相等。绕组线圈均由铜漆包线绕制而成，在Y方向四个极上绕制匝数相同的线圈，然后串联为恒流源绕组并由一个恒流源供电。相对悬浮极上的控制线圈串联为A,B,C三相绕组，在B，C两相控制绕组上串联补偿绕组和补偿电感，并采用三相逆变器供电。
步骤1：计算各悬浮极面积
S1.1根据所选材料确定各悬浮极下偏置磁通密度为B p 。
S1.2根据偏置磁路，得出X方向悬浮极与Y方向悬浮极偏置磁通关系为：B p S 1=2B p S 2，其中，S 1为X方向悬浮极面积，S 2为Y方向悬浮极面积，进一步得到两个悬浮极面积关系为：S 1=2S 2。
S1.3假设定子内径为R，定子铁心轴长长度为l，确定极面弧长为
，其中η
为6个极弧占圆周的比率，一般取0.9。
S1.4其他尺寸诸如极高、轭高等参数，可按惯例设计。
步骤2：计算恒流源绕组匝数
S2.1假设恒流源绕组匝数为N，励磁电流为I，气隙长度为g，空气磁导率为μ 0，根据偏置磁路，得到：
，进一步求得恒流源绕组匝数：
。
步骤3：计算控制绕组参数
S2.2在分别产生X和Y方向最大悬浮力情况下，控制绕组通电，产生与偏置磁密相同的控制磁密：
可推导出：
S2.3假设B、C相的绕组电感为L y ，电阻为R y ，A相的绕组电感为L x ，电阻为R x ，要保证三相绕组对称，B、C相控制绕组上串联补偿电感L和补偿电阻R为
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明保护范围。
Claims (5)
1.一种恒流源励磁六极主动电磁轴承包括定子（1）、转子（2）、恒流源绕组和控制绕组，其特征在于：定子和转子均由硅钢片叠压而成，定子上均匀分布间隔60°的六个悬浮极，分别标记为悬浮极A、悬浮极B、悬浮极C、悬浮极D、悬浮极E、悬浮极F，各悬浮极与转子间的气隙长度相等；绕组线圈均由铜漆包线绕制而成，每个极上绕制控制绕组，在Y方向四个极上绕制匝数相同的线圈（3，4，5，6），然后串联为恒流源绕组并由一个直流恒流源供电，相对悬浮极上的控制绕组（7，12）、（8，11）、（9，10）串联为A，B，C三相绕组，并在B，C两相绕组上分别串联补偿电感（13）与补偿电阻（14），并采用三相逆变器供电。
2.根据权利要求1所述的一种恒流源励磁六极主动电磁轴承，其特征在于：所述磁轴承各悬浮极面积不同，但是各悬浮极下的偏置磁通相等。
3.一种如权利要求1或2所述的一种恒流源励磁六极主动电磁轴承的设计方法，其特征在于：
步骤1：计算各悬浮极面积
S1.1根据所选材料确定各悬浮极下偏置磁通密度为B p ；
S1.2根据偏置磁路，得出X方向悬浮极与Y方向悬浮极偏置磁通关系为：B p S 1=2B p S 2，其中，S 1为X方向悬浮极面积，S 2为Y方向悬浮极面积，进一步得到两个悬浮极面积关系为：S 1=2S 2；
S1.3假设定子内径为R，定子铁心轴长长度为l，确定极面弧长为
，其中η
为6个极弧占圆周的比率，一般取0.9；
S1.4其他尺寸诸如极高、轭高等参数，可按惯例设计；
步骤2：计算恒流源绕组匝数
S2.1假设恒流源绕组匝数为N，励磁电流为I，气隙长度为g，空气磁导率为μ 0，根据偏置磁路，得到：
，进一步求得恒流源绕组匝数：/>
；
步骤3：计算控制绕组参数
S2.2在分别产生X和Y方向最大悬浮力情况下，控制绕组通电，产生与偏置磁密相同的控制磁密：
可推导出：
S2.3假设B、C相的绕组电感为L y ，电阻为R y ，A相的绕组电感为L x ，电阻为R x ，要保证三相绕组对称，B、C相控制绕组上串联补偿电感L和补偿电阻R为
4.根据权利要求3所述的一种恒流源励磁六极主动电磁轴承的设计方法，其特征在于：X、Y方向最大悬浮力分别为：
5.根据权利要求1所述的一种恒流源励磁六极主动电磁轴承，其特征在于：定、转子铁心均由硅钢片叠压而成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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