CN101398032A

CN101398032A - 一种轴向电磁推力轴承

Info

Publication number: CN101398032A
Application number: CNA2008102019825A
Authority: CN
Inventors: 汪希平; 雷永锋; 夏翠艳; 江鹏; 钟德华; 朱礼进
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2009-04-01

Abstract

本发明涉及一种轴向电磁推力轴承，它包括一个外壳与两个端盖连接构成的轴承腔中，安装一个与转轴固定套装的推力盘，并在推力盘两侧各安装一个有电磁铁铁芯上绕制电磁铁线圈构成的电磁铁组件。本发明的轴承，实现磁轴承智能化，为主动磁轴承的产品化、系列化和标准化提供了相应的技术基础。

Description

一种轴向电磁推力轴承

技术领域

本发明涉及一种轴向电磁推力轴承。这是一种可以适应未来机械设备自动化要求的、以电子学、电磁学、控制学、传感器学以及计算机学等多学科知识为理论和技术背景的、适用于一般或特殊要求的机械装备中转子轴向力支承部件。

背景技术

目前，电磁轴承是世界上公认的高端支承部件之一。它具有传统机械支承技术所难以到达的技术指标和独具特色的支承性能。电磁轴承在国外已经成功地应用于诸如机械加工、核能、化工、航空航天以及食品药品等工业领域中的多种旋转和往复运动机械。目前采用的主动电磁轴承(active magnetic bearing，简称AMB)设计工作大多是根据其应用的条件，由专业设计人员在特定的条件下完成的，这样做使得在应用中对转子条件的互换性受到了限制。为了能够使得AMB的设计在一定条件下适应各种转子的特性，如：转子几何尺寸在一定范围内变化、转子工作条件及工况条件的局限差异等，就必须使AMB自身能够完成相关的技术设计。这个构思称之为“在线设计”(online design)。在线设计的实现，可以使得AMB的设计实现系列化，进而促进产品化。在这个构思中，关键的技术是AMB自身设计参数的传递、AMB与转子的识别及控制参数的自动设计过程，这是已有技术尚未得到解决的问题。本发明仅涉及为实现上述构思所体现之AMB及其内部的智能化结构，而控制器的设计、相关程序的编制以及AMB与控制器之间的连接技术并未在此表述。在此基础上，设计人员可以根据AMB系列化的各项具体要求对AMB的结构、达到的控制目标以及控制参数等进行预设计，这种设计仅对AMB的基本要求进行，而AMB转子系统及控制系统的专业设计工作将留待AMB被使用时由其自动完成。这里的特点是，专业设计人员在构建AMB时就已经将自身的设计思想“融入”AMB及控制器中。这样，工程设计人员在使用AMB构建转子系统时，就无需对每个具体的转子进行具体的控制参数、位置传感器和动力学方面的专业设计，他们所要做的仅仅是象使用滚动轴承那样，按照AMB的系列参数选用即可。而且，由于AMB的总体设计精度远低于其他传统的轴承，故可以大幅度降低AMB应用中的专业性要求，提高设计工作的效率，减轻劳动强度，减少设计费用，乃至减少以后使用中的维护费用，及提高设备的使用寿命。本发明可以解决长期AMB设计中专业知识要求偏高的瓶颈问题。

磁轴承的系列化和标准化一直是本研究领域开发工作的最终目标，上述发明的实现不仅具有工程意义，还可以为磁轴承的产品化、系列化和标准化提供相应的技术基础。

发明内容

针对上述问题本发明提供的一种轴向推力主动磁力轴承，实现磁推力轴承智能化，为主动磁轴承的产品化、系列化和标准化提供相应的技术基础，本轴承结构能够很好地利用能源，缩小整体体积，并使用极其简单的水冷却方法散发掉电磁铁部件所产生的热量，使整个设备能在恒温下工作。另外，推力盘的外接开裂结构可以有效地减轻其内部涡流及对系统稳定产生的影响。同时，通过系统的在线设计功能可以在轴向实现转子系统的稳定悬浮。

为了实现上述目的，本发明的构思是：本轴向推力主动磁力轴承它包括电磁铁部件、带V型环形槽的推力轴承部件、智能部件和转子保护部件四部分。所述电磁铁部件包括：圆环状的2个对称分布于推力盘两侧的定子磁铁铁芯、以同心圆形式绕制后镶嵌于磁铁铁芯内部推力盘一侧的线圈、环绕于磁铁铁芯外圆侧的用于隔离磁铁铁芯内部磁场的外环套；所述带V型槽的推力轴承部件是一个圆环状的，且在其中部以圆环状形式加工出一个或数个V型槽的推力盘。这个推力盘在使用中将与转轴组装而成为转轴的一个不可分割体；所述智能部件是指镶嵌于上述电磁铁部件中磁铁铁心非推力盘一侧的圆盘形电路板，其上面包括有：转子轴向位移传感器的信号转换电路部分；系统信息接口、能量接口和控制接口所需要的电子线路装置；以及对上述接口进行初步控制的USB接口电路控制器部分；智能部件还包括主动轴向电磁轴承所需要之位移信号传感器；所述转子保护部件是指镶嵌于上述电磁铁铁心推力盘一侧、2个圆环状的固态滑动轴承。电磁铁部件还包括在隔离套圆环外侧的轴承壳体。在隔离环与轴承壳体之间加工有冷却轴承作用之冷却水槽。在推力盘两侧的电磁铁铁心由一个圆环状的隔离环分隔并进行位置限制，该圆环状的隔离环与推力盘处于同心位置，但不存在机械接触。V型环形槽结构的推力盘、轴承外壳、端盖及电磁铁铁心采用导磁的工程结构钢或不锈钢材料；电磁铁线圈采用高强度漆包线制作；外环套、隔离环采用青铜或非导磁不锈钢材料；保护轴承部件采用碳碳复合材料或其他滑动轴承材料；轴向位移传感器采用集成式的专用电感式位移传感器电路；智能部件上采用的固有参数存储控制电路、带有PnP功能的USB接口控制器、及Flash存储控制器；其中，Flash盘存储有轴承的固有参数，包括：S₀(磁极的截面积)、N₀(单个线圈匝数)、I₀(偏磁电流)和δ₀(平衡情况下的单边气隙长度)。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种轴向推力主动轴承。它包括一个外壳与两个端盖连接构成的轴承腔中，安装一个与转轴固定套装的推力盘，并在推力盘两侧各安装一个有电磁铁铁芯上绕制电磁铁线圈构成的电磁铁组件。

上述的智能部件是一个圆盘形电路板，其上有差动式位移传感器集成电路模块和智能存储控制电路模块，并有电源线端口、信号线端口和控制线端口通过导线内连推力盘传感器和外接控制器。

上述的推力盘两侧的电磁铁组件与外壳之间各有一个与壳体固定连接的外套环，对着推力盘的外套环端面上装有保护支承环。

上述的推力盘外缘具有V型环形槽。

上述的推力盘两侧的电磁铁铁芯之间有一个隔离环。

上述的隔离环与外壳之间有冷却水槽。

本发明采取上述技术方案，具有下述优点：

1.电磁铁部件由于采用了冷却水槽，可以利用一定压力的冷却水装置冷却由于电磁铁长时间工作产生的热量。随着热量的增加，电磁轴承的温度将会逐步升高，这将会使其内部的相关控制器件产生一定的误差，从而对控制作用不利。而冷却水槽可以带走热量，防止温升；

2.推力盘采用中部开V型槽的结构，以避免铁心内部的涡流效应引起的发热问题。降低能源损耗，同时这种结构也可以使推力盘保持一定的机械强度，满足工程的需要。这种设计方法与采用特殊材料的高温磁轴承相比制造的费用大大降低，应用范围更广。

3.轴承铁心及隔离环由于采用青铜或非导磁不锈钢等其他材料制作，可以有效防止漏磁现象，提高能源的利用效率。

4.采用碳碳复合材料的保护轴承部件由于其独特的机械特性、良好的摩擦学特性及超高的耐温效果，可以达到简单有效地保护电磁轴承的目的。

5.智能部件中可以使用传统的电涡流位移传感器，也可以使用集成式专用差动电感式位移传感器。无论使用何种传感器，本发明之结构均可消除由于传感器的安装结构带来的转子中心位置误差，提高信号的灵敏度和准确度，并可使轴承的结构紧凑、体积大大缩小；其内置的轴承信息存取芯片可以保证在该主动轴向电磁轴承被使用时与系统的电子控制器之间实现即插即用(PnP)的目的。

6.智能部件内的固有参数的存储控制电路及相关接口，可以解决现有AMB系统只针对特定转子特定工况参数下而进行的开发研究问题，使其具有一定的普适性；可以大幅度减轻这类轴承转子系统设计人员的工作强度和降低对AMB专业知识的要求；简化了AMB应用设计的过程；极易在各工业领域中推广应用。

附图说明

图1 轴向推力主动磁力轴承结构示意图；

图2 轴向推力主动磁力轴承零件分解图；

图3 图1中智能部件主要器件立体图；

包括集成位移传感器部分和固有参数存储控制器部分。

图4 智能部件结构框图；

图5 AD598信号处理电路；

图6 智能部件的信号接口板图。

附图各部件为：轴向推力盘上的V型环形槽1，保护支承环2，电磁铁线圈3，推力盘4，端盖5，转轴6，智能部件7，推力盘传感器8，外环套9，隔离环10，电磁铁铁心11，差动式位移传感器集成电路模块12，智能存储控制电路模块13，信号线端口14，控制线端口15，电源线端口16，外壳17

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：

参见图1、图2、图3和图6，轴向推力主动磁力轴承，由电磁铁铁心11、线圈3、外环套9、隔离环10、带V型环形槽1推力盘4、端盖5、转轴6、智能部件7、保护支承环2、推力盘传感器8(其中8a集成式位移传感器，为8b为传统电涡流位移传感器预留位)和外壳17等部分组成。其中，件11、3、9、5、2和8均为成对出现。当在电磁铁线圈3中通以适当的电流，并给予合理的控制，两侧电磁铁产生的电磁场可以实施于推力盘8以轴向力，并实现稳定悬浮。这时，受控制的是与转轴6相连的V型环形槽推力盘4。在智能部件7的电路板上设置的集成差动式位移传感器集成电路模块12和智能存储控制电路模块13，通过信号接口板端口14与磁轴承数字控制器实现信号的传递，从而实现系统的稳定控制。转子保护支承环2嵌入于电磁轴承的外环套9与外壳17之间，可实现对转轴在发生故障时的保护作用。

参见图4和图5，本装置安装完成后，轴向磁轴承通过位移传感器的实时检测推力盘的工作位置，通过信号线端口14把位移信号传递给数字控制器实现精确的控制和稳定的悬浮。其工作原理是：系统一上电，磁轴承的智能部件7上的智能存储控制电路模块13中的USB控制器(即8051MCU)把存储在Flash盘内的各种标准化的参数，通过USB控制芯片SL811HS的USB接口传递给数字控制器系统，从而设定当前系统的相关控制参数的数据取值范围；另一方面，当磁轴承的数值控制器实现了对系统的稳定悬浮后，也可以把这些控制参数保存在Flash存储器上。同时，集成差动位移传感器的两个探头实时检测推力盘的位移，通过AD598芯片构成的集成差动位移传感器电路把两路位移信号转换成差动位移电信号(其大小正比于推力盘的偏心距)，经过信号调理电路，把电信号通过智能部件的信号线端口14传递给磁轴承的数值控制器，输出相应的控制电流，从而调节电磁铁的电磁力，保证推力盘8(转轴6)于平衡状态，实现轴向此轴承系统的稳定悬浮。

同时，在外环套9与外壳17之间的水槽内通入适量的水流，可使电磁铁的定子铁芯维持在设定的温度范围内。

Claims

1.一种轴向电磁推力轴承，它包括一个外壳(17)与两个端盖(5)连接构成的轴承腔中，安装一个与转轴(6)固定套装的推力盘(4)，并在推力盘(4)两侧各安装一个有电磁铁铁心(11)上绕制电磁铁线圈(3)构成的电磁铁组件。其特征在于所述的推理盘(4)的两侧的电磁铁铁芯(11)上各安装一个推理盘传感器(8a，8b)，而一侧的电磁铁铁芯(11)上嵌装一个智能部件(7).

2.根据权利要求1所述的轴向电磁推力轴承，其特征在于所述的智能部件(7)是一个圆盘形电路板，其上有差动式位移传感器集成电路模块(12)和智能存储控制电路模块(13)，并有电源线端口(16)、信号线端口(14)和控制线端口(15)通过导线内连推力盘传感器(8a，8b)和外接控制器。

3.根据权利要求1所述的轴向电磁推力轴承，其特征在于所述的推力盘(4)两侧的电磁铁组件与外壳(17)之间各有一个与壳体(17)固定连接的外环套(9)，对着推力盘(4)的外环套(9)端面上装有保护支承环(2)。

4.根据权利要求1所述的轴向电磁推力轴承，其特征在于所述的推力盘(4)外缘具有V型环形槽(1)。

5.根据权利要求1所述的轴向电磁推力轴承，其特征在于所述的推力盘(4)两侧的电磁铁铁芯(11)之间有一个隔离环(10)。

6.根据权利要求1所述的轴向电磁推力轴承，其特征在于所述的隔离环(10)与外壳(17)之间有冷却水槽。