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磁軸承具有無(wú)摩擦、無(wú)磨損，無(wú)需潤(rùn)滑及密封，高速度、高精度及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，從根本上改變了傳統(tǒng)的支承形式。按照控制電流類型可將磁軸承分為直流式與交流式。直流式磁軸承功率放大器價(jià)格高、體積大，一個(gè)徑向磁軸承至少需要二路雙極性功率放大器驅(qū)動(dòng)。而交流式磁軸承采用三相交流逆變器提供控制電流，一個(gè)三相交流逆變器即可完全控制徑向二自由度，且三相逆變器應(yīng)用技術(shù)成熟、價(jià)格便宜、易于和DSP (digital signal processor)一起對(duì)磁軸承進(jìn)行數(shù)字控制。轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，需要在5個(gè)自由度上施加控制力，目前通常采用兩個(gè)徑向主動(dòng)磁軸承和一個(gè)軸向主動(dòng)磁軸承來(lái)支承，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的磁軸承系統(tǒng)體積較大，對(duì)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的提高有一定限制。因此，這種磁軸承支承高速電機(jī)的結(jié)構(gòu)限制了其在工程中的實(shí)際應(yīng)用范圍，需要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的有限元分析研究。因此，基于三相交流逆變器驅(qū)動(dòng)的三自由度磁軸承成為目前磁軸承領(lǐng)域的研究方向之一。國(guó)內(nèi)外已研制出交流式二自由度主動(dòng)磁軸承，本研究在此基礎(chǔ)上為了縮小磁軸承機(jī)械結(jié)構(gòu)體積，進(jìn)一步提高磁軸承徑向承載力，設(shè)計(jì)基于三相交流逆變器驅(qū)動(dòng)控制的徑向一軸向共用偏磁電流的主動(dòng)磁軸承。徑向一軸向共用偏磁電流的主動(dòng)磁軸承軸向采用直流控制電流、徑向采用交流控制電流，軸向控制線圈中產(chǎn)生的偏磁電流為徑向和軸向同時(shí)提供靜態(tài)偏磁磁通，該磁軸承集成交流三相驅(qū)動(dòng)、徑向一軸向聯(lián)合控制等優(yōu)點(diǎn)，且大大地提高磁軸承的徑向承載力。
這種新穎的磁軸承結(jié)構(gòu)和工作原理，推導(dǎo)其懸浮力數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)試驗(yàn)樣機(jī)，并采用有限元軟件對(duì)磁軸承的磁場(chǎng)進(jìn)行分析，為設(shè)計(jì)出承載力大、控制性能好、具有實(shí)用價(jià)值的磁軸承系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。
由軸向定子、軸向控制線圈、帶三個(gè)磁極的徑向定子、徑向控制線圈、轉(zhuǎn)子等構(gòu)成。其中定子鐵芯采用硅鋼片疊壓而成，定子三個(gè)磁極沿圓周均勻分布，轉(zhuǎn)子是由兩段長(zhǎng)度一樣的硅鋼疊片和一個(gè)隔磁鋁環(huán)構(gòu)成。工作時(shí)軸向控制線圈除了對(duì)軸向自由度實(shí)現(xiàn)控制以外，還同時(shí)為徑向和軸向提供偏磁磁通。徑向沿圓周120均勻分布的A，B，C三個(gè)控制線圈通以三相交流電，產(chǎn)生可旋轉(zhuǎn)的合成磁通來(lái)控制徑向2個(gè)自由度。
帶箭頭的實(shí)線表示徑向控制磁通，在徑向定子、徑向氣隙與轉(zhuǎn)子之間形成回路。右圖中帶箭頭的虛線表示軸向控制磁通，在軸向定子、軸向氣隙、轉(zhuǎn)子、徑向氣隙以及徑向定子之間構(gòu)成回路。軸向控制磁通與徑向控制磁通互不干擾，不存在磁路耦合，徑向各磁極處氣隙磁通由偏磁磁通和對(duì)應(yīng)控制磁通兩部分合成。
徑向-軸向共用偏磁電流的主動(dòng)磁軸承在軸向自由度方向上采用雙極性開關(guān)功放驅(qū)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于軸向平衡位置時(shí)，由于偏磁電流i作用，軸向線圈在軸向兩端氣隙處產(chǎn)生的磁通是相等的。假設(shè)當(dāng)轉(zhuǎn)子受到外界擾動(dòng)力向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子偏離平衡位置的位移，通過(guò)控制作用使左側(cè)控制電流i增加，使右邊控制線圈中電流i減小，則轉(zhuǎn)子受到向左的懸浮力增加，轉(zhuǎn)子受到向右的懸浮力減小，其合力與擾動(dòng)力方向相反，從而使轉(zhuǎn)子回到平衡位置。如轉(zhuǎn)子受到向左的外力擾動(dòng)，可以得到類似結(jié)論。所以不論轉(zhuǎn)子受到向左或向右的擾動(dòng)，通過(guò)控制器調(diào)節(jié)控制電流，轉(zhuǎn)子始終能回到平衡位置。
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