一種由軸向混合磁軸承實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子五自由度懸浮結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁懸浮結(jié)構(gòu)，特別涉及一種由軸向電磁永磁混合磁軸承實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子五自由度懸浮結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]磁懸浮軸承又簡(jiǎn)稱(chēng)為磁軸承，是利用定子和轉(zhuǎn)子之間的磁力相互作用，支承轉(zhuǎn)子懸浮于空間的一種機(jī)電裝置。由于轉(zhuǎn)子與定子之間不存在機(jī)械接觸，所以磁懸浮軸承的轉(zhuǎn)子可達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速，并且具有無(wú)機(jī)械磨損、功耗低、噪音小、壽命長(zhǎng)、無(wú)需潤(rùn)滑等優(yōu)點(diǎn)，特別適合高速、真空、超潔凈和核電等特殊的應(yīng)用場(chǎng)合。
[0003]磁懸浮軸承系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子的無(wú)接觸支撐，需要對(duì)其在空間的五個(gè)自由度進(jìn)行控制。傳統(tǒng)的磁懸浮結(jié)構(gòu)利用兩組徑向電磁軸承和一組軸向電磁軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子空間的五自由度懸浮。每一組徑向磁懸浮軸承控制轉(zhuǎn)子徑向的兩個(gè)平動(dòng)自由度，軸向磁懸浮軸承控制轉(zhuǎn)子軸向的平動(dòng)自由度。這種磁懸浮結(jié)構(gòu)目前被廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械加工、航空航天、天然氣輸運(yùn)、核電等行業(yè)。該結(jié)構(gòu)有兩個(gè)缺點(diǎn)，一是因?yàn)槊拷M磁軸承都需要相應(yīng)傳感器、功率放大器、控制部分等，因此該種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗高。另外一個(gè)缺點(diǎn)是，由于徑向軸承與徑向電機(jī)并排放置，增加了轉(zhuǎn)子的軸向長(zhǎng)度，因而帶來(lái)的系統(tǒng)體積增大，同時(shí)轉(zhuǎn)子撓性增強(qiáng)，給系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制帶來(lái)了難度，因而在磁懸浮人工心臟泵等領(lǐng)域應(yīng)用受到限制。
[0004]現(xiàn)有的五自由度磁懸浮支撐技術(shù)是利用永磁軸承、電磁軸承或混合磁軸承在五個(gè)自由度上分別布置，分別控制轉(zhuǎn)子在五個(gè)自由度上的位置。其常見(jiàn)結(jié)構(gòu)如下:
[0005](I)徑向與軸向均使用電磁軸承(或混合磁軸承)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)中五個(gè)自由度均需要配置相應(yīng)的位移傳感器、功率放大器、控制器等硬件，除了增加空間和重量，還會(huì)增加系統(tǒng)的功耗使用永磁軸承會(huì)占用空間，增加重量。
[0006](2)徑向永磁軸承和軸向電磁軸承(或混合磁軸承)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)因?yàn)槭褂昧藦较蛴来泡S承，因此省去了徑向的位移傳感器和控制硬件，但是仍然需要徑向軸承支撐才能實(shí)現(xiàn)徑向懸浮。
[0007](3)徑向電磁軸承(或混合磁軸承)，省去了軸向磁軸承，但需要控制徑向4個(gè)平動(dòng)自由度，需要對(duì)應(yīng)的四套位移傳感器、功率放大器、控制器等硬件。以上結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是雖然將主動(dòng)自由度降低，但徑向結(jié)構(gòu)仍比較復(fù)雜，另外每個(gè)自由度的主動(dòng)磁軸承均對(duì)各自自由度進(jìn)行調(diào)控，不能夠?qū)崿F(xiàn)單一自由度磁軸承對(duì)多自由度懸浮進(jìn)行調(diào)控。
[0008]綜上所述，以上磁懸浮結(jié)構(gòu)都未將主動(dòng)控制自由度降為最低(I個(gè))，并采用電磁永磁混合磁軸承，從而在空間體積與系統(tǒng)功耗方面未做到最優(yōu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的就是為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供了一種由軸向混合磁軸承實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子五自由度懸浮結(jié)構(gòu)，利用軸向一個(gè)自由度布置的軸向電磁永磁混合磁軸承，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子在五個(gè)自由度上的懸浮，簡(jiǎn)化了五自由度磁懸浮結(jié)構(gòu)，節(jié)省了磁懸浮支撐結(jié)構(gòu)的體積、功耗，為微型化、低功耗特殊環(huán)境中磁懸浮的應(yīng)用提供了解決方案。
[0010]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0011]一種由軸向混合磁軸承實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子五自由度懸浮結(jié)構(gòu)，包括磁懸浮轉(zhuǎn)子，沿所述磁懸浮轉(zhuǎn)子的軸向兩端分別設(shè)置用于提供轉(zhuǎn)子軸向懸浮力與徑向懸浮力的軸向電磁永磁混合磁軸承，所述轉(zhuǎn)子軸向兩端的軸向電磁永磁混合磁軸承成對(duì)稱(chēng)分布；在所述轉(zhuǎn)子軸向或者徑向分別設(shè)置軸向位移傳感器，所述軸向位移傳感器與控制器連接，所述控制器分別通過(guò)功率放大器與磁懸浮轉(zhuǎn)子軸向兩端軸向電磁永磁混合磁軸承的線(xiàn)圈連接。
[0012]所述控制器通過(guò)功率放大器控制兩側(cè)軸向電磁永磁混合磁軸承中的電流，從而控制兩側(cè)軸向電磁永磁混合磁軸承與轉(zhuǎn)子之間氣隙處的磁通，產(chǎn)生軸向恢復(fù)力，使轉(zhuǎn)子在軸向保持主動(dòng)的穩(wěn)定懸??；
[0013]當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生某一徑向位移時(shí)，軸向電磁永磁混合磁軸承與轉(zhuǎn)子之間的電磁力將產(chǎn)生徑向分力，所述徑向分力方向與轉(zhuǎn)子徑向位移方向相反，指向軸心，所述徑向分力使轉(zhuǎn)子回到徑向平衡位置，從而保持轉(zhuǎn)子的徑向懸??；
[0014]當(dāng)轉(zhuǎn)子沿徑向軸發(fā)生微小角偏移時(shí)，所述兩側(cè)軸向電磁永磁混合磁軸承的徑向分力產(chǎn)生一個(gè)恢復(fù)力矩，使轉(zhuǎn)子回到平衡位置。
[0015]所述軸向磁軸承為軸向電磁永磁混合磁軸承，所述電磁軸承包括定子鐵心、電磁線(xiàn)圈和永磁體，定子鐵心內(nèi)側(cè)為圓柱形磁極，線(xiàn)圈繞制在內(nèi)外側(cè)磁極之間，永磁體在定子鐵心內(nèi)部磁極中間處，采用軸向充磁。
[0016]所述轉(zhuǎn)子包括:兩側(cè)磁極以及中間連接部件，其中兩側(cè)磁極內(nèi)側(cè)為圓柱形，外側(cè)為筒狀，與軸向電磁永磁混合磁軸承的磁極對(duì)應(yīng)，中間連接部件為非導(dǎo)磁材料，用于連接兩側(cè)磁極形成一體。
[0017]所述軸向位移傳感器設(shè)置在轉(zhuǎn)子徑向時(shí)，轉(zhuǎn)子上布置用于提供傳感器信號(hào)源的永磁環(huán)，永磁環(huán)采用軸向充磁，永磁環(huán)位置與傳感器處于同一軸向位置。
[0018]如果轉(zhuǎn)子徑向選擇被動(dòng)懸浮，則不需要安裝徑向位移傳感器；
[0019]如果轉(zhuǎn)子徑向需要主動(dòng)控制，則需要在轉(zhuǎn)子徑向安裝用于測(cè)量轉(zhuǎn)子徑向位移的徑向位移傳感器，徑向位移傳感器共有四個(gè)，布置在轉(zhuǎn)子外側(cè)，分為兩組，每組兩個(gè)傳感器成90度垂直安裝，對(duì)徑向位移進(jìn)行檢測(cè)，所述徑向位移傳感器分別與控制器連接。
[0020]本發(fā)明有益效果:
[0021]I)將磁懸浮系統(tǒng)主動(dòng)控制自由度降低到最低，省去了多余主動(dòng)自由度控制所需的控制器、功率放大器、電磁線(xiàn)圈等部件，簡(jiǎn)化了五自由度磁懸浮軸承支撐結(jié)構(gòu)。
[0022]2)利用軸向電磁永磁混合磁軸承的徑向力，作為轉(zhuǎn)子徑向懸浮力，從而省去了徑向磁軸承。
[0023]3)本發(fā)明的五自由度磁軸承系統(tǒng)，徑向可以不施加主動(dòng)控制，通過(guò)軸向電磁永磁混合磁軸承的徑向力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的徑向被動(dòng)懸浮。
[0024]4)本發(fā)明的五自由度磁軸承系統(tǒng)，可以在徑向添加徑向位移傳感器，通過(guò)改變軸向電磁永磁混合磁軸承中的電流，對(duì)轉(zhuǎn)子的徑向和軸向同時(shí)實(shí)施主動(dòng)控制。實(shí)現(xiàn)軸向與徑向的同時(shí)主動(dòng)控制。
[0025]5)本發(fā)明采用軸向電磁永磁混合磁軸承與電磁軸承相比，能夠減小偏置電流，降低系統(tǒng)功耗。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為軸向電磁永磁混合磁軸承實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子五自由度懸浮結(jié)構(gòu)圖；
[0027]圖2(a)為軸向電磁永磁混合磁軸承實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子五自由度懸浮系統(tǒng)軸向懸浮示意圖；
[0028]圖2(b)為軸向電磁永磁混合磁軸承實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子五自由度懸浮系統(tǒng)徑向懸浮示意圖；
[0029]圖2 (C)為軸向電磁永磁混合磁軸承實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子五自由度懸浮系統(tǒng)沿徑向軸轉(zhuǎn)動(dòng)懸浮不意圖；
[0030]圖3為本發(fā)明軸向電磁永磁混合磁軸承實(shí)現(xiàn)五自由度懸浮系統(tǒng)示意圖；
[0031]圖4為本發(fā)明軸向位移傳感器沿軸向布置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖5為本發(fā)明軸向位移傳感器沿徑向布置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖6為本發(fā)明徑向位移傳感器布置結(jié)構(gòu)徑向剖面示意圖；
[0034]圖7為本發(fā)明徑向位移傳感器布置結(jié)構(gòu)軸向剖面示意圖。
[0035]其中，1.定子鐵心，2.轉(zhuǎn)子鐵心，3.轉(zhuǎn)子，4.線(xiàn)圈，5.永磁體，6.軸向位移傳感器，7.徑向位移傳感器，8.控制器，9.功率放大器，10.永磁環(huán)。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0037]本發(fā)明軸向