本发明涉及一种三自由度混合偏置磁轴承，属于磁悬浮轴承技术领域。
背景技术：
磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损、无需密封润滑、高速度、精度高、寿命长及维护成本低等优良特性，有效解决高速电机的轴承支撑问题。主动型磁轴承通过控制定、转子间电磁力以实现转轴的悬浮，在高速电机领域应用广泛。根据偏置磁场建立方式，主动型磁轴承分为电磁型与混合型。混合型磁轴承的偏置磁通由永磁体产生，承载能力大，刚度可调，控制灵活，且功率密度高，在高速、高功率密度场合应用广泛。但是由于传统混合型磁轴承仅采用永磁体作为偏置磁场，导致其偏置磁通不可调节，固有刚度不高，临界转速和功率密度有待进一步提升；另外，永磁磁通不可调节，制造完毕后，磁轴承的最大悬浮承载力固定不变，故混合型磁轴承的悬浮容量受限于永磁体磁能，过载能力弱。
在磁悬浮列车应用领域中，悬浮承载力要求高，负载变化大，需要磁轴承的偏置磁通调节范围更为宽广，以适应列车大容量负载及多变工况，进而提升磁悬浮轴承输出功率和悬浮控制精度。为此，在功率密度高、体积重量小的混合型磁轴承中增加一个调节范围宽、承载能力适应性强的电磁偏置磁通，实现磁轴承的偏置磁通的混合励磁，进一步提升其输出功率、固有刚度、功率密度和临界转速，是大容量磁轴承研究的热点。
技术实现要素：
本发明为了克服现有技术的不足，提出了一种三自由度混合偏置磁轴承，采用偏置绕组和永磁体共同产生偏置磁通，在径向和轴向均实现了永磁和电磁的混合励磁，输出功率和各方向载荷能力明显提升，在磁悬浮列车、磁悬浮飞轮等大容量负载应用领域具有独特优势；同时，还是进一步提升磁轴承偏置磁通调节范围、固有刚度、临界转速和功率密度。
本发明在磁轴承的轴向和两个径向磁路均存在电磁偏置和永磁偏置磁通，分别与三个方向悬浮绕组控制磁通相互作用，产生一个轴向悬浮力和两个径向悬浮力，进而实现三自由度悬浮运行。由于设计制造完毕，永磁体固定，永磁偏置磁通不可调节，若需进一步提升输出功率和悬浮容量，通过增加偏置绕组励磁电流，提高电磁偏置磁通幅值，进而增大磁悬浮承载力。为此，负载工况变化时，通过改变偏置绕组电流，以动态调节磁轴承的总偏置磁通，进而满足不同负载工作状态下对输出悬浮力的要求，并降低悬浮功率变换器设计和悬浮控制难度，进一步提升磁轴承适应性和悬浮控制精度。
本发明具有轴向和两个径向共三个悬浮能力，集成度高，结构紧凑，三个方向上均实现了永磁和电磁偏置磁通的混合励磁，承载力显著增强，在容量大和功率密度要求高的应用领域具有独特优势。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：
一种三自由度混合偏置磁轴承，包括径向力定子、齿永磁体、轭永磁体、导磁轭、轴向力定子ⅰ、轴向力定子ⅱ、转子、转轴、偏置线圈、径向悬浮线圈、轴向悬浮线圈ⅰ和轴向悬浮线圈ⅱ；
所述轴向力定子ⅰ、径向力定子和轴向力定子ⅱ串联布置在导磁轭内，且径向力定子布置在轴向力定子ⅰ和轴向力定子ⅱ之间；所述轴向力定子ⅰ与径向力定子存在间隙ⅰ，所述轴向力定子ⅱ与径向力定子存在间隙ⅱ，所述间隙ⅰ和间隙ⅱ相等；所述转子为圆柱结构，且布置在所述径向力定子内，所述转子套在转轴上；
所述径向力定子由圆周上均匀布置的8个t型定子构成，所述t型定子包括定子齿和定子轭两个部分；水平正方向布置有1个所述t型定子，且其定子齿中中心线与水平方向重合；竖直正方向布置有1个所述t型定子，且其定子齿中中心线与竖直方向重合；水平负方向布置有1个所述t型定子，且其定子齿中中心线与水平方向重合；竖直负方向布置有1个所述t型定子，且其定子齿中中心线与竖直方向重合；剩余4个t型定子分别布置在处于水平和竖直位置的相邻两t型定子之间；
所述齿永磁体为矩形结构，共4个；所述轭永磁体为矩形结构，共8个；相邻两个所述t型定子的定子轭之间紧密布置有1个轭永磁体，共8个，且8个所述轭永磁体均采用环向充磁方式；
处于水平和竖直位置的4个t型定子的每个齿上均绕有1个偏置线圈和1个径向悬浮线圈，共4个偏置线圈和4个径向悬浮线圈；剩余4个t型定子的每个齿上嵌有1个齿永磁体，共4个，且4个所述齿永磁体采用径向充磁方式；
所述导磁轭由圆周上均匀布置的8个扇形轭构成，扇形轭中心线与所述t型定子中心线重合；相邻两个扇形轭之间存在间隙，且间隙宽度与所述轭永磁体宽度相同；
所述轴向力定子ⅰ与轴向定力子ⅱ均为
所述径向部件包括8个空间上均匀分布的径向扇形齿；所述径向部件的每个径向扇形齿中心线与所述导磁轭的每个扇形轭中心线重合；相邻所述径向扇形齿间存在隔磁槽，且隔磁槽宽度与轭永磁体宽度相等；
所述轴向力定子ⅰ的环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈ⅰ，所述轴向力定子ⅱ的环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈ⅱ；
所述三自由度混合偏置磁轴承中的各线圈连接方式为：4个所述偏置线圈串联构成1个偏置绕组；水平方向上的2个径向悬浮线圈反向串联构成1个水平径向悬浮绕组；竖直方向上的2个径向悬浮线圈反向串联构成1个竖直径向悬浮绕组；1个轴向悬浮线圈ⅰ和1个轴向悬浮线圈ⅱ反向串联构成1个轴向悬浮绕组。
当偏置绕组电流为零时，所述磁轴承仅有永磁体产生偏置磁通，与轴向悬浮控制磁通和两个径向悬浮控制磁通相互作用，即产生三个悬浮力，进而实现转轴的三自由度悬浮运行，此种工作模式适合中低容量负载的应用场合。
当偏置绕组励磁导通时，磁轴承中增加一个电磁偏置磁通，实现永磁和电磁两种偏置磁通的混合励磁，总偏置磁通增加，在悬浮控制磁通不变的情况下，输出悬浮力也进一步提高，此种工作模式在大容量负载的应用场合具有独特优势。
本发明三自由度磁轴承在两个径向和一个轴向共三个方向上实现了电磁和永磁偏置磁通的混合励磁，各方向承载能力显著增强，功率密度有望大幅度提升，在磁悬浮列车和磁悬浮飞轮等大容量负载领域优势明显。另外，由于电磁偏置调节范围宽，磁轴承固有刚度和临界转速也显著提高，对磁轴承体积重量且功率密度要求高的航空航天、军事等领域也具有独特优势。
本发明的有益效果：本发明提出了一种三自由度混合偏置磁轴承，采用本发明的技术方案，能够达到如下技术效果：
(1)在两个径向和一个轴向等三个方向上同时实现了电磁和永磁偏置磁通的混合励磁，各方向承载能力均显著增强，在大功率应用场合具有独特优势；
(2)结构紧凑，具有三自由度悬浮能力，集成度高，偏置磁通调节范围宽，固有刚度大，临界转速和功率密度高；
(3)电磁偏置磁通调节方便，磁轴承负载工况适应性强，多变负载工况下悬浮功率变换器设计难度低，悬浮控制简单且悬浮精度高。
附图说明
图1是本发明三自由度混合偏置磁轴承的三维结构示意图。
图2是本发明径向力定子内的径向磁通分布图。
图3是本发明竖直方向剖视图内的轴向磁通分布图。
图4是本发明轴向力定子内的径向磁通分布图。
图5是本发明45°剖视图内的轴向磁通分布图。
附图标记说明：图1至图5中，1是径向力定子，2a是齿永磁体，2b是轭永磁体，3是偏置线圈，4是径向悬浮线圈，5是转子，6是转轴，7是导磁轭，8是轴向悬浮线圈ⅰ，9是轴向悬浮线圈ⅱ，10是轴向力定子ⅰ，11是轴向力定子ⅱ，12、13、14分别为x、y、z轴方向坐标轴的正方向，15是轭永磁体和齿永磁体共同产生的永磁偏置磁通，16是偏置线圈产生的电磁偏置磁通，17是竖直(y轴)径向悬浮绕组产生的径向悬浮控制磁通，18是轴向悬浮绕组产生的轴向悬浮控制磁通。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明一种三自由度混合偏置磁轴承的技术方案进行详细说明：
如图1所示，是本发明三自由度混合偏置磁轴承的三维结构示意图，其中，1是径向力定子，2a是齿永磁体，2b是轭永磁体，3是偏置线圈，4是径向悬浮线圈，5是转子，6是转轴，7是导磁轭，8是轴向悬浮线圈ⅰ，9是轴向悬浮线圈ⅱ，10是轴向力定子ⅰ，11是轴向力定子ⅱ，12、13、14分别为x、y、z轴方向坐标轴的正方向。
一种三自由度混合偏置磁轴承，包括径向力定子、齿永磁体、轭永磁体、导磁轭、轴向力定子ⅰ、轴向力定子ⅱ、转子、转轴、偏置线圈、径向悬浮线圈、轴向悬浮线圈ⅰ和轴向悬浮线圈ⅱ；
所述轴向力定子ⅰ、径向力定子和轴向力定子ⅱ串联布置在导磁轭内，且径向力定子布置在轴向力定子ⅰ和轴向力定子ⅱ之间；所述轴向力定子ⅰ与径向力定子存在间隙ⅰ，所述轴向力定子ⅱ与径向力定子存在间隙ⅱ，所述间隙ⅰ和间隙ⅱ相等；所述转子为圆柱结构，且布置在所述径向力定子内，所述转子套在转轴上；
所述径向力定子由圆周上均匀布置的8个t型定子构成，所述t型定子包括定子齿和定子轭两个部分；水平正方向布置有1个所述t型定子，且其定子齿中中心线与水平方向重合；竖直正方向布置有1个所述t型定子，且其定子齿中中心线与竖直方向重合；水平负方向布置有1个所述t型定子，且其定子齿中中心线与水平方向重合；竖直负方向布置有1个所述t型定子，且其定子齿中中心线与竖直方向重合；剩余4个t型定子分别布置在处于水平和竖直位置的相邻两t型定子之间；
所述齿永磁体为矩形结构，共4个；所述轭永磁体为矩形结构，共8个；相邻两个所述t型定子的定子轭之间紧密布置有1个轭永磁体，共8个，且8个所述轭永磁体均采用环向充磁方式；
处于水平和竖直位置的4个t型定子的每个齿上均绕有1个偏置线圈和1个径向悬浮线圈，共4个偏置线圈和4个径向悬浮线圈；剩余4个t型定子的每个齿上嵌有1个齿永磁体，共4个，且4个所述齿永磁体采用径向充磁方式；
所述导磁轭由圆周上均匀布置的8个扇形轭构成，扇形轭中心线与所述t型定子中心线重合；相邻两个扇形轭之间存在间隙，且间隙宽度与所述轭永磁体宽度相同；
所述轴向力定子ⅰ与轴向定力子ⅱ均为
所述径向部件包括8个空间上均匀分布的径向扇形齿；所述径向部件的每个径向扇形齿中心线与所述导磁轭的每个扇形轭中心线重合；相邻所述径向扇形齿间存在隔磁槽，且隔磁槽宽度与轭永磁体宽度相等；
所述轴向力定子ⅰ的环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈ⅰ，所述轴向力定子ⅱ的环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈ⅱ；
所述三自由度混合偏置磁轴承中的各线圈连接方式为：4个所述偏置线圈串联构成1个偏置绕组；水平方向上的2个径向悬浮线圈反向串联构成1个水平径向悬浮绕组；竖直方向上的2个径向悬浮线圈反向串联构成1个竖直径向悬浮绕组；1个轴向悬浮线圈ⅰ和1个轴向悬浮线圈ⅱ反向串联构成1个轴向悬浮绕组。
如图2、图3、图4和图5所示，分别是本发明一种三自由度混合偏置磁轴承中各个齿永磁体、轭永磁体和各绕组产生的磁通分布示意图。其中，线标号15是轭永磁体和齿永磁体共同产生的永磁偏置磁通，线标号16是偏置线圈产生的电磁偏置磁通，线标号17是竖直(即y轴)径向悬浮绕组产生的径向悬浮控制磁通，线标号18是轴向悬浮绕组产生的轴向悬浮控制磁通。
4个齿永磁体径向充磁，且磁场极性相同，故4个齿永磁体产生的永磁偏置磁通在四个定子齿上呈nnnn或ssss分布，图2中所示为nnnn分布的情况。8个轭部永磁环向充磁，所产生的永磁偏置磁通圆周上呈ns交替分布；另外，每个齿永磁体产生的永磁偏置磁通方向与其相邻的两个轭永磁体产生的永磁偏置磁通方向相反，使得这三个永磁体产生的永磁偏置磁通均指向齿永磁体所在定子齿根部，然后聚合一起穿过与齿永磁体所在定子紧密布置的导磁轭内，再一分为二沿两个轴向方向流入两个轴向力定子内(如图3所示)，其中永磁偏置磁通在轴向力定子径向部件内的分布如图4所示，接着永磁偏置磁通流入轴向力定子的环形齿内，再穿过轴向方向两个空气隙后，流入转子合二为一后，从径向穿过径向气隙后，再流入径向力定子的8个定子齿后，最后流入12个永磁体后形成闭合回路，是为永磁偏置磁通的导通磁路。
4个偏置线圈产生的电磁偏置磁通极性相同，且与齿永磁体产生的永磁偏置磁通方向相同。电磁偏置磁通经所在定子齿流入与偏置线圈所绕定子齿紧密布置的导磁轭内，一分为二后沿两个轴向流入轴向力定子内(如图3所示)，其中电磁偏置磁通在轴向力定子径向部件内的分布如图4所示，接着电磁偏置磁通流入轴向力定子的环形齿内，再穿过轴向方向的两个空气隙后，流入转子合二为一后，从径向穿过径向气隙后，最后流入径向力定子中绕有偏置线圈的4个定子齿后形成闭合回路，是为电磁偏置磁通的导通磁路。
水平(即x轴)径向悬浮绕组中两个径向悬浮线圈产生的径向悬浮控制磁通极性相反，产生一个两极对称分布的径向磁通。竖直(y轴)径向悬浮绕组中两个径向悬浮线圈产生的径向悬浮控制磁通极性相反(此处磁通极性相反是指两个径向悬浮线圈产生的径向磁通，一个沿径向指向电机外，另一个沿径向指向电机内)，同样产生一个两极对称分布的磁通。图2中标号为17是竖直(y轴)径向悬浮绕组励磁导通时产生的径向悬浮控制磁通，由竖直负方向经径向气隙、转子、竖直正方向气隙、竖直正方向定子齿后，再经导磁轭一分为二后，流入两个轴向力定子后，再竖直正方向径向部件和竖直负反向径向部件后(如图4所示)，流入导磁轭后二合为一，再经径向力定子的竖直负方向定子齿后形成闭合回路，是为竖直(y轴)径向悬浮控制磁通的导通磁路。同理，水平(x轴)径向悬浮控制磁通的导通磁路分布与竖直(y轴)径向悬浮控制磁通回路相似。
轴向悬浮绕组中两个轴向悬浮线圈产生的轴向悬浮控制磁通方向同时指向z轴正方向或z轴负方向，图5中两个轴向悬浮线圈产生的轴向悬浮磁通均指向z轴正方向，进而形成一个串联磁路。如图5所示，轴向悬浮控制磁通从z轴正方向轴向力定子的环形齿出发，穿过z轴正方向气隙、转子、z轴负方向气隙，z轴负方向轴向力定子的环形齿，z轴负方向轴向力定子的径向部件后，进入导磁轭后，再流入z轴正方向轴向力定子的径向部件和环形齿后，形成闭合回路，是为轴向悬浮控制磁通的导通回路。
本发明三自由度混合偏置磁轴承的径向悬浮力产生机理为：在y轴正方向，y轴方向径向悬浮绕组产生的磁通方向与电磁偏置磁通、永磁偏置磁通方向相同，气隙合成磁通增加；在y轴负方向，y轴方向径向悬浮绕组产生的磁通方向与电磁偏置磁通、永磁偏置磁通方向相反，气隙合成磁通减小，导致y轴正方向的气隙磁通大于y轴负方向，进而产生一个y轴正方向的径向悬浮力；当y轴方向径向悬浮绕组的电流方向反向时，将产生一个y轴负方向的径向悬浮力。同理，控制x轴方向径向悬浮绕组内电流的大小和方向，也产生一个大小和方向均可控的x轴方向悬浮力。从而，合理控制x、y轴方向径向悬浮绕组电流的大小和方向，产生大小和方向均可控的两个径向悬浮力，进而实现转子的径向稳定悬浮运行。
本发明三自由度混合偏置磁轴承的轴向悬浮力产生机理为：在z轴正方向，z轴方向轴向悬浮绕组产生的磁通方向与电磁偏置磁通、永磁偏置磁通方向相同，气隙合成磁通增加；在z轴负方向，z轴方向轴向悬浮绕组产生的磁通方向与电磁偏置磁通、永磁偏置磁通方向相反，气隙合成磁通减小，导致z轴正方向的气隙磁通大于z轴负方向，进而产生一个z轴正方向的轴向悬浮力；当z轴方向轴向悬浮绕组的电流方向反向时，将产生一个z轴负方向的轴向悬浮力。从而，合理控制z轴方向轴向悬浮绕组电流的大小和方向，即产生大小和方向均可控的一个轴向悬浮力，进而实现转子的轴向稳定悬浮运行。
因此，合理控制三自由度混合偏置磁轴承的x、y、z轴方向三个悬浮绕组电流，获得大小和方向均可控制的三个悬浮力。
需要指出的是，由于悬浮力的正负随悬浮绕组电流的正负变化而变化，因此三个悬浮绕组电流方向在控制时会发生变化，需采用可调电流方向的功率变换器；而偏置绕组电流方向不变，故采用具有单方向的功率变换器即可。
当偏置绕组电流为零时，所述磁轴承仅有永磁体产生偏置磁通，与轴向悬浮控制磁通和两个径向悬浮控制磁通相互作用，也可产生三个方向悬浮力，进而实现转轴的三自由度悬浮运行，此种工作模式适合中低容量负载的应用场合。
当偏置绕组励磁导通时，磁轴承中增加一个电磁偏置磁通，即可实现永磁和电磁两种偏置磁通的混合励磁，总偏置磁通增加，在悬浮控制磁通不变的情况下，输出悬浮力也可进一步提高，此种工作模式在大容量负载的应用场合具有独特优势。
综上所述，本发明三自由度混合偏置磁轴承，在两个径向和一个轴向等三个方向上同时实现了电磁和永磁偏置磁通的混合励磁，各方向承载能力均显著增强，在大功率应用场合具有独特优势；本磁轴承结构紧凑，具有三自由度悬浮能力，集成度高，偏置磁通调节范围宽，固有刚度大，临界转速和功率密度高；另外，由于电磁偏置磁通调节方便，磁轴承负载工况适应性强，多变负载工况下悬浮功率变换器设计难度低，悬浮控制简单且悬浮精度高。
对该技术领域的普通技术人员而言，根据以上实施类型可以很容易联想其他的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述具体实例，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员根据上述具体实例通过各种等同替换所得到的技术方案，均应包含在本发明的权利要求范围及其等同范围之内。
1.一种三自由度混合偏置磁轴承，包括径向力定子、齿永磁体、轭永磁体、导磁轭、轴向力定子ⅰ、轴向力定子ⅱ、转子、转轴、偏置线圈、径向悬浮线圈、轴向悬浮线圈ⅰ和轴向悬浮线圈ⅱ；
其特征在于，所述轴向力定子ⅰ、径向力定子和轴向力定子ⅱ串联布置在导磁轭内，且径向力定子布置在轴向力定子ⅰ和轴向力定子ⅱ之间；所述轴向力定子ⅰ与径向力定子存在间隙ⅰ，所述轴向力定子ⅱ与径向力定子存在间隙ⅱ，所述间隙ⅰ和间隙ⅱ相等；所述转子为圆柱结构，且布置在所述径向力定子内，所述转子套在转轴上；
所述径向力定子由圆周上均匀布置的8个t型定子构成，所述t型定子包括定子齿和定子轭两个部分；水平正方向布置有1个所述t型定子，且其定子齿中中心线与水平方向重合；竖直正方向布置有1个所述t型定子，且其定子齿中中心线与竖直方向重合；水平负方向布置有1个所述t型定子，且其定子齿中中心线与水平方向重合；竖直负方向布置有1个所述t型定子，且其定子齿中中心线与竖直方向重合；剩余4个t型定子分别布置在处于水平和竖直位置的相邻两t型定子之间；
所述齿永磁体为矩形结构，共4个；所述轭永磁体为矩形结构，共8个；相邻两个所述t型定子的定子轭之间紧密布置有1个轭永磁体，共8个，且8个所述轭永磁体均采用环向充磁方式；
处于水平和竖直位置的4个t型定子的每个齿上均绕有1个偏置线圈和1个径向悬浮线圈，共4个偏置线圈和4个径向悬浮线圈；剩余4个t型定子的每个齿上嵌有1个齿永磁体，共4个，且4个所述齿永磁体采用径向充磁方式；
所述导磁轭由圆周上均匀布置的8个扇形轭构成，扇形轭中心线与所述t型定子中心线重合；相邻两个扇形轭之间存在间隙，且间隙宽度与所述轭永磁体宽度相同；
所述轴向力定子ⅰ与轴向定力子ⅱ均为
所述径向部件包括8个空间上均匀分布的径向扇形齿；所述径向部件的每个径向扇形齿中心线与所述导磁轭的每个扇形轭中心线重合；相邻所述径向扇形齿间存在隔磁槽，且隔磁槽宽度与轭永磁体宽度相等；
所述轴向力定子ⅰ的环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈ⅰ，所述轴向力定子ⅱ的环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈ⅱ；
所述三自由度混合偏置磁轴承中的各线圈连接方式为：4个所述偏置线圈串联构成1个偏置绕组；水平方向上的2个径向悬浮线圈反向串联构成1个水平径向悬浮绕组；竖直方向上的2个径向悬浮线圈反向串联构成1个竖直径向悬浮绕组；1个轴向悬浮线圈ⅰ和1个轴向悬浮线圈ⅱ反向串联构成1个轴向悬浮绕组。
技术总结