一種基于力反饋控制的磁力軸承的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及軸承技術(shù)領(lǐng)域,具體的涉及一種基于力反饋控制的磁力軸承。
【背景技術(shù)】
[0002] 機構(gòu)的圓周旋轉(zhuǎn)運動極為普通,軸承得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用最為普遍的是機械接觸 式軸承,包括向心球軸承、角接觸軸承、滑動軸承等,此類軸承最大特點是有機械直接接觸, 接觸時相互間有徑向壓力,從而會有一定的摩擦力,因此會導(dǎo)致較大的發(fā)熱與機械磨損,需 經(jīng)常潤滑保養(yǎng)等。在高速運動場合,為了減少磨損,常常用到油膜軸承。油膜軸承是一種以 潤滑油作為介質(zhì)的徑向滑動軸承,其工作原理是:在旋轉(zhuǎn)過程中,旋轉(zhuǎn)的軸頸把有粘度的潤 滑油從發(fā)散區(qū)帶入收斂區(qū),形成一種油楔,使?jié)櫥蛢?nèi)產(chǎn)生壓力,使得油膜軸承與軸頸完全 被潤滑油隔開,形成全流體潤滑。油膜軸承技術(shù)復(fù)雜,易燒瓦損壞,需要復(fù)雜的油路系統(tǒng)和 保護系統(tǒng)。磁浮軸承是一種新式軸承,這種軸承的定轉(zhuǎn)子之間通過電磁力來傳力,因此,定 轉(zhuǎn)子之間沒有機械接觸,可以做到完全無磨損。
[0003] 電磁式主動控制軸承(簡稱電磁軸承)是一種重要的磁浮軸承。這種軸承的電磁力 是由電磁鐵產(chǎn)生的,該力的大小和穩(wěn)定性由懸浮控制器來控制。其工作原理是,懸浮控制器 不斷采集旋轉(zhuǎn)軸的徑向間隙數(shù)據(jù),根據(jù)徑向間隙,按照反饋控制原理,動態(tài)調(diào)整各方向的電 磁力大小,從而將轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定地懸浮在軸向圓周的中心位置。為了在非工作狀態(tài)下,實現(xiàn)對轉(zhuǎn) 子的支撐,同時也為了防止在使用過程中磁浮軸承失效,在這種軸承中通常還要安裝輔助 軸承。在工作狀態(tài)下,轉(zhuǎn)子與輔助軸承之間保有間隙而不接觸。在懸浮控制器的作用下,電 磁軸承的定轉(zhuǎn)子之間相當(dāng)于是通過無形的電磁彈簧來連接的,而電磁彈簧的剛度不能無限 提高,使得轉(zhuǎn)軸在其徑向有較大的活動自由度,在受到擾動時會出現(xiàn)較大的軸跳,這將引起 一系列問題,嚴(yán)重制約了電磁軸承的使用范圍。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于力反饋控制的磁力軸承,該發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù) 中磁浮軸承的轉(zhuǎn)子在徑向有較大的運動自由度,導(dǎo)致使用時易出現(xiàn)軸跳的技術(shù)問題。
[0005] 本發(fā)明提供一種基于力反饋控制的磁力軸承,包括依序套設(shè)于轉(zhuǎn)軸一端上的輔助 支承測力組件和電磁支承組件,輔助支承測力組件中容納設(shè)有輔助軸承和設(shè)置于輔助軸承 外周的多個測力傳感器;輔助軸承套設(shè)于轉(zhuǎn)軸上;輔助支承測力組件用于測量轉(zhuǎn)軸作用于 輔助軸承上的沿輔助軸承徑向的力,該力被輔助支承測力組件分解為正交的X向力和Y向 力;電磁支撐組件,用于產(chǎn)生作用于轉(zhuǎn)軸的電磁力;依據(jù)轉(zhuǎn)軸受力平衡原則,采用積分控制 得到的公式(6),以對X向力或Y向力進行控制:
[0006]
[0007]其中,F(xiàn)s為輔助軸承外圈對轉(zhuǎn)軸的支承力,F(xiàn)d為未知干擾力,S為拉普拉斯算子,
,y〇是真空中的磁導(dǎo)率,A是磁極面積,N是線圈0?數(shù),δ為電磁鐵磁極和吸力盤 之間的氣隙的長度,ic= = iu+id,iu為上電磁鐵電流,id為下電磁鐵電流,i。為一個保持不變的 常值;據(jù)公式(6)控制Κα,使電磁支承組件產(chǎn)生一個與Fs方向相反的力,作用于轉(zhuǎn)軸上,使X 向力或Y向力近似為0。
[0008] 進一步地,輔助支承測力組件還包括套設(shè)于輔助軸承外壁上的滑動傳力塊、用于 測量滑動傳力塊橫向力的X傳力框、外座和用于測量滑動傳力塊縱向力的Y傳力框,X傳力框 和Y傳力框容納于外座內(nèi),X傳力框和Y傳力框并排套設(shè)于滑動傳力塊的外壁上。
[0009] 進一步地,X傳力框的橫向上設(shè)置有多個與外座和X傳力框測力連接的測力傳感 器;Y傳力框的縱向上設(shè)置多個與外座和Y傳力框測力連接的測力傳感器。
[0010] 進一步地,X傳力框的內(nèi)壁與滑動傳力塊之間在其縱向上設(shè)有間隙;γ傳力框的內(nèi) 壁與滑動傳力塊之間在其橫向上設(shè)有間隙。
[0011] 進一步地,電磁支承組件包括套設(shè)于轉(zhuǎn)軸上的吸力盤、與吸力盤正對設(shè)置的電磁 鐵定子鐵芯和繞設(shè)于電磁鐵定子鐵芯外壁上的電磁線圈,吸力盤與電磁鐵定子鐵芯間隔設(shè) 置。
[0012] 進一步地,還包括用于驅(qū)動轉(zhuǎn)軸的電機組件,電機組件包括套設(shè)于轉(zhuǎn)軸上的電機 轉(zhuǎn)子和與電機轉(zhuǎn)子正對設(shè)置的電機定子組件,電機定子組件帶動電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。
[0013] 本發(fā)明的另一方面還提供了一種如上述基于力反饋控制的磁力軸承的輔助軸承 支撐力控制方法,包括以下步驟:
[0014] 步驟S100:測量磁力軸承的輔助軸承所受沿其徑向的力;
[0015] 步驟S200:依據(jù)轉(zhuǎn)軸受力平衡原則,將轉(zhuǎn)軸作用于輔助軸承上的沿輔助軸承徑向 的力正交分解為X向力和Y向力,采用積分控制得到的公式(6 ),對X向力或Y向力進行控制:
[0016]
[0017]其中,F(xiàn)s為輔助軸承外圈對轉(zhuǎn)軸的支承力,F(xiàn)d為未知干擾力,s為拉普拉斯算子,
I真空中的磁導(dǎo)率,A是磁極面積,N是線圈匝數(shù),δ為電磁鐵磁極和吸力盤 之間的氣隙的長度,ic^ = iu+id,iu為上電磁鐵電流,id下電磁鐵電流,i。為一個保持不變的常 值;
[0018] 步驟S300:據(jù)公式(6)控制KCI,使電磁支承組件產(chǎn)生一個與Fs方向相反的力,作用 于轉(zhuǎn)軸上,使X向力或Y向力近似為0。
[0019] 本發(fā)明的技術(shù)效果:
[0020] 本發(fā)明提供基于力反饋控制的磁力軸承通過具有壓力檢測功能的輔助支撐測力 組件檢測出轉(zhuǎn)軸對輔助軸承施加的徑向壓力值,根據(jù)該壓力值的方向和大小,控制電磁結(jié) 構(gòu)對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生反向力,從而使得輔助軸承與轉(zhuǎn)軸之間沒有徑向壓力,從而減少了磁力軸承 使用過程中的軸跳問題。
[0021] 具體請參考根據(jù)本發(fā)明的基于力反饋控制的磁力軸承提出的各種實施例的如下 描述,將使得本發(fā)明的上述和其他方面顯而易見。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明提供的基于力反饋控制的磁力軸承主視剖視示意圖;
[0023] 圖2是本發(fā)明提供的輔助支承測力組件的分解爆炸示意圖;
[0024] 圖3是本發(fā)明提供的輔助支承測力組件的X向傳感器組裝立體示意圖;
[0025] 圖4是本發(fā)明提供的輔助支承測力組件的X向傳感器示意圖;
[0026]圖5是本發(fā)明提供的輔助支承測力組件的X向傳力示意圖;
[0027] 圖6是本發(fā)明提供的輔助支承測力組件的Y向傳感器組裝立體示意圖;
[0028] 圖7是本發(fā)明提供的輔助支承測力組件的Y向傳感器示意圖;
[0029]圖8是本發(fā)明提供的輔助支承測力組件的Y向傳力示意圖;
[0030] 圖9是本發(fā)明提供的電磁支承組件的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖;
[0031] 圖10是由運算放大器構(gòu)成的積分器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖例說明:
[0033] 1、輔助支承測力組件;11、輔助軸承;12、滑動傳力塊;13、X傳力框;131、第一 X向力 傳感器;132、第二X向力傳感器;133、第三X向力傳感器;134、第四X向力傳感器;14、Y傳力 框;141、第一 Υ向力傳感器;142、第二Υ向力傳感器;143、第三Υ向力傳感器;144、第四Υ向力 傳感器;15、外座;2、電磁支承組件;21、吸力盤;22、電磁鐵定子鐵芯;23、電磁線圈;24、電磁 控制器;3、轉(zhuǎn)軸;4、電機組件;41、電機轉(zhuǎn)子;42、電機定子組件。
【具體實施方式】
[0034]構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解,本發(fā)明的示意性實 施例及其說明用于解釋本發(fā)明,并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。
[0035]參見圖1,本發(fā)明提供的基于力反饋控制的磁力軸承套設(shè)于轉(zhuǎn)軸3上,包括用于支 撐轉(zhuǎn)軸3并測量轉(zhuǎn)軸3所受力的輔助支承測力組件1、電磁支承組件2和用于驅(qū)動轉(zhuǎn)軸3的電 機組件4。轉(zhuǎn)軸3的兩相對端分別對稱地設(shè)置了兩組輔助支承測力組件1和兩組電磁支承組 件2。從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)軸3平衡地測力。當(dāng)然如果需要對轉(zhuǎn)軸3進行軸向力檢測和平衡時,僅需 在轉(zhuǎn)軸3的兩相對端面上設(shè)置相應(yīng)的輔助支承測力組件1和電磁支承組件2即可。以下描述 為簡便,僅以徑向測力結(jié)構(gòu)的一側(cè)裝置進行說明。電機組件4包括套設(shè)于轉(zhuǎn)軸3上的電機轉(zhuǎn) 子41和與電機轉(zhuǎn)子41正對設(shè)置的電機定子組件42。該結(jié)構(gòu)可以為常規(guī)結(jié)構(gòu)。
[0036]參見圖2,輔助支承測力組件1包括套設(shè)于轉(zhuǎn)軸3外壁上的輔助軸承11、套設(shè)于輔助 軸承11外壁上的滑動傳力塊12、依序套設(shè)于滑動傳力外壁上的X傳力框13以及Υ傳力框14、Χ 傳力框13以及Υ傳力框14容