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磁軸承具有無摩擦、無磨損，無需潤滑及密封，高速度、高精度及壽命長等優(yōu)點，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格高、體積大，一個徑向磁軸承至少需要二路雙極性功率放大器驅(qū)動。而交流式磁軸承采用三相交流逆變器提供控制電流，一個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、價格便宜、易于和DSP (digital signal processor)一起對磁軸承進(jìn)行數(shù)字控制。轉(zhuǎn)子實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，需要在5個自由度上施加控制力，目前通常采用兩個徑向主動磁軸承和一個軸向主動磁軸承來支承，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的磁軸承系統(tǒng)體積較大，對轉(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際應(yīng)用范圍，需要對其進(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。國內(nèi)外已研制出交流式二自由度主動磁軸承，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)計基于三相交流逆變器驅(qū)動控制的徑向一軸向共用偏磁電流的主動磁軸承。徑向一軸向共用偏磁電流的主動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提供靜態(tài)偏磁磁通，該磁軸承集成交流三相驅(qū)動、徑向一軸向聯(lián)合控制等優(yōu)點，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)計試驗樣機(jī)，并采用有限元軟件對磁軸承的磁場進(jìn)行分析，為設(shè)計出承載力大、控制性能好、具有實用價值的磁軸承系統(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，定子三個磁極沿圓周均勻分布，轉(zhuǎn)子是由兩段長度一樣的硅鋼疊片和一個隔磁鋁環(huán)構(gòu)成。工作時軸向控制線圈除了對軸向自由度實現(xiàn)控制以外，還同時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三個控制線圈通以三相交流電，產(chǎn)生可旋轉(zhuǎn)的合成磁通來控制徑向2個自由度。
帶箭頭的實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應(yīng)控制磁通兩部分合成。
徑向-軸向共用偏磁電流的主動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。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于軸向平衡位置時，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)子受到外界擾動力向右運(yùn)動時，傳感器檢測出轉(zhuǎn)子偏離平衡位置的位移，通過控制作用使左側(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，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，通過控制器調(diào)節(jié)控制電流，轉(zhuǎn)子始終能回到平衡位置。
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