本發明涉及一種非接觸式磁懸浮軸承（簡稱磁軸承），特別是一種可以同時控制徑向兩自由度和軸向自由度的外轉子三自由度混合磁軸承，適用于航空航天、核能、風力發電、飛輪儲能以及其他工業領域中的各類外轉子旋轉機械的支承，屬于高速及超高速電氣傳動領域。

背景技術：

磁軸承利用電磁力將轉子懸浮于空中，使轉子與定子間沒有接觸，具有無摩擦、無磨損、無需潤滑油、可支承轉速高、轉子位移可動態調節、回轉精度高、壽命長等優點。磁軸承按照能控制的自由度數可以分為單自由度磁軸承（軸向磁軸承）、二自由度磁軸承（徑向磁軸承）和三自由度磁軸承（徑向-軸向磁軸承）。按照懸浮力產生的方式可以分為主動磁軸承（懸浮力由線圈電流產生）、被動磁軸承（懸浮力由永磁體產生）和混合磁軸承（懸浮力由永磁體和線圈電流共同產生）。其中混合磁軸承利用永磁體提供偏置磁通，可以減少線圈匝數、減小功率損耗、減小磁軸承體積及重量。通常徑向磁軸承都采用四極或八極結構，并且由兩個雙極性開關功放驅動，為了減少開關管數量，降低開關功耗和驅動電路成本，采用徑向三極結構并由一個三相逆變器驅動。中國專利申請號為200510040066.4的文獻中公開的“三自由度交直流徑向-軸向混合磁軸承及其控制方法”中，將徑向和軸向磁軸承結合成一個整體，采用一個永磁體同時提供徑向和軸向的偏置磁通，并且軸向控制磁路和徑向控制磁路之間沒有耦合，徑向采用三極結構，由一個三相功率逆變器驅動。但三極結構由于其空間不對稱性和三相逆變器三相電流和為零的條件，使徑向懸浮力在磁極方向和磁極反方向的最大懸浮力不等，在設計磁軸承時必須使懸浮力最小方向滿足承載力要求，這必然導致磁軸承體積的增大。另外，三極不對稱結構增加了磁軸承懸浮力與電流、位移之間的非線性，也增強了徑向兩個自由度之間的耦合性。

技術實現要素：

本發明為了解決現有三極結構的徑向-軸向混合磁軸承存在的問題，提出一種外轉子徑向六極的徑向-軸向混合磁軸承，以減小磁軸承體積，提高空間利用率，減少磁軸承的非線性和降低徑向兩個自由度間的耦合。

本發明采用的技術方案為：轉子內同軸心地套有一個徑向定子，徑向定子與轉子之間留有徑向氣隙，徑向定子由徑向磁極和圓環形的徑向定子軛構成，徑向定子軛的外圓表面沿圓周方向上均勻分布六個徑向磁極，每個徑向磁極上繞有一個徑向控制線圈，相互面對面的兩個徑向控制線圈串聯且纏繞方向一致；徑向定子軛兩端旁側各設置一個軸向控制線圈，兩個軸向控制線圈相串聯且纏繞方向相同；軸向定子由中間的軸向定子筒和兩端的軸向定子圓盤以及軸向磁極組成，軸向定子筒兩端各固定連接一個軸向定子圓盤，兩個軸向定子圓盤的外緣部位均向對面延伸一個圓環形的軸向磁極，兩個軸向磁極延伸至轉子的對應的兩端面的旁側且與轉子之間留有徑向氣隙，永磁體固定嵌套在所述軸向定子筒的外圓環表面和所述徑向定子的內圓環表面之間。

與現有技術比，本發明的優點在于：本發明徑向定子采用六極結構，形成三相繞組，采用三相全橋驅動，減少了開關管數量，減小功率損耗和驅動器成本。徑向六極結構使磁軸承的懸浮力-位移和懸浮力-電流特性趨于線性，并且提高了磁軸承的承載力，減小徑向兩個自由度間的耦合，使磁軸承的控制更簡單、精確。本發明由永磁體與線圈共同產生懸浮力，能減小系統功耗。

附圖說明

圖1是本發明外轉子徑向六極的徑向-軸向混合磁軸承的徑向結構示意圖；

圖2是圖1中a-a剖視圖；

圖3是圖1中軸向定子和軸向控制線圈的安裝結構示意圖；

圖4是本發明的軸向磁路示意圖；

圖5是本發明的徑向磁路示意圖；

圖中：1.轉子；2.軸向定子；3.徑向定子；4.徑向控制線圈；5.軸向控制線圈；6.永磁體；21.軸向定子筒；31.徑向定子軛；32.徑向磁極；51、52.軸向控制線圈；71、72.軸向氣隙；81.徑向氣隙；91.偏置磁通；92.軸向控制磁通；93.徑向控制磁通；221、222.軸向定子圓盤；231、232.軸向磁極。

具體實施方式

如圖1和圖2所示，本發明具有一個轉子1，轉子1呈圓環形，轉子1內同軸心地套有一個徑向定子3。徑向定子3與轉子1之間留有徑向氣隙81。

徑向定子3由徑向定子軛31和徑向磁極32結合為一體構成，徑向定子軛31呈圓環形，在徑向定子軛31的外圓表面沿圓周方向上均勻分布六個徑向磁極32，每個徑向磁極32上纏繞一個徑向控制線圈4，共有6個徑向控制線圈4，其中，在徑向上相互面對面的兩個徑向磁極32上的兩個徑向控制線圈4相串聯，且纏繞方向一致。6個徑向控制線圈4構成三相線圈，采用星型連接，并采用三相全橋電路驅動。

徑向定子3內同軸心地套有一個呈圓環形的永磁體6，永磁體6采用稀土汝鐵硼永磁材料，用于產生偏置磁通。永磁體6內同軸心地套有一個軸向定子2。永磁體6固定嵌套在徑向定子3和軸向定子2之間，與徑向定子3和軸向定子2之間不留氣隙。永磁體6沿徑向充磁，永磁體6的在徑向上的內端是s極，在徑向上的外端是n極。

在徑向定子3的徑向定子軛31的兩端旁側各設置一個軸向控制線圈5，軸向控制線圈5呈圓環形，和軸向定子2固定在一起。兩個軸向控制線圈5與徑向定子3隔開一定距離，兩者不接觸。

轉子1的軸向長度大于徑向定子3的軸向長度，徑向定子3的軸向長度大于永磁體6的軸向長度。

轉子1和徑向定子3由硅鋼片疊壓而成，徑向控制線圈4和軸向控制線圈5采用標稱直徑為0.67mm的帶絕緣漆銅線，軸向定子2采用鐵硅合金材料。

如圖2和圖3所示，軸向定子2由中間的軸向定子筒21和兩端的軸向定子圓盤以及軸向磁極組成，軸向定子筒21是圓筒形，在軸向定子筒21的兩端各固定連接一個軸向定子圓盤，分別是軸向定子圓盤221、222。軸向定子圓盤221、222的中心軸與軸向定子筒21共線。兩個軸向定子圓盤221、222的結構相同，且相互面對面地對稱布置。兩個軸向定子圓盤221、222的外緣部位均向對面延伸一個圓環形的軸向磁極，分別是軸向磁極231和軸向磁極232，軸向磁極231、232的外徑與定子圓盤221、222的外徑相同，兩個軸向磁極231、232與轉子1對應的兩端面對面，兩個軸向磁極231、232一直延伸至轉子1的對應的兩端面的旁側，與轉子1對應兩端面之間均留有徑向氣隙，分別是一端的徑向氣隙71和另一端的徑向氣隙72。轉子1的外徑大于兩個軸向磁極231、232的外徑，轉子1的內徑小于兩個軸向磁極231、232的內徑。

永磁體6固定嵌套在軸向定子筒21的外圓環表面和徑向定子3的內圓環表面之間。兩個軸向控制線圈5分別是一端的軸向控制線圈51和另一端的軸向控制線圈52。兩個軸向控制線圈5沿軸向定子筒21的外圓環表面纏繞，并且分別位于兩個軸向定子圓盤221、222的內側。兩個軸向控制線圈5相串聯且纏繞方向相同。徑向定子3的軸向兩端面與對應的兩個軸向定子圓盤221、222之間留有足夠的軸向空間距離，用于安裝兩個軸向控制線圈5，使軸向控制線圈5與徑向定子3不接觸。

如圖4所示，本發明工作時，永磁體6產生的偏置磁通91從永磁體6的外圓環面流出進入徑向定子軛31，從徑向定子軛31進入徑向磁極32后經過徑向氣隙81再進入轉子1，然后經過軸向氣隙71、72流入軸向磁極231、232和軸向定子圓盤221、222，最后從軸向定子圓盤221、222流入軸向定子筒21后回到永磁體6的內圓環面，從而形成閉合的偏置磁通91。當兩端的軸向控制線圈51、52通入正電流時，產生的軸向控制磁通92從一端的軸向定子圓盤221經過軸向氣隙71流入轉子1，再經過另一端的軸向氣隙72流入另一端的軸向定子圓盤222進入軸向定子筒21，再從軸向定子筒21回到一端的軸向定子圓盤221。由于偏置磁通91在一端的軸向氣隙71中方向和軸向控制磁通92在一端的軸向氣隙71中方向相反，因此，偏置磁通91和軸向控制磁通92在一端的軸向氣隙71中抵消；而偏置磁通91和軸向控制磁通92在另一端的軸向氣隙72中增強，從而產生向另一端的軸向懸浮力。當兩個軸向控制線圈51、52通入電流為負值時，一端的軸向氣隙71中偏置磁通91與軸向控制磁通92疊加，另一端的軸向氣隙72中偏置磁通92與軸向控制磁通92抵消，從而產生向一端的軸向懸浮力。因此，通過控制兩個軸向控制線圈51、52中電流的大小和正負就能控制軸向懸浮力的大小和方向。

如圖5所示，永磁體6產生的偏置磁通91從徑向定子軛31進入徑向磁極32，經過徑向氣隙81進入轉子1。當面對面的兩個徑向磁極32上的徑向控制線圈4通入正電流時，面對面的徑向氣隙81中產生的徑向控制磁通93方向一個與偏置磁通91的方向相同，另一個相反，從而產生徑向懸浮力，因此，通過控制六個徑向控制線圈4中的電流就可以產生各個方向大小不同的徑向懸浮力。