CN102297202B - 一种单轴控制式五自由度微型磁轴承 - Google Patents
一种单轴控制式五自由度微型磁轴承 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102297202B CN102297202B CN 201110232891 CN201110232891A CN102297202B CN 102297202 B CN102297202 B CN 102297202B CN 201110232891 CN201110232891 CN 201110232891 CN 201110232891 A CN201110232891 A CN 201110232891A CN 102297202 B CN102297202 B CN 102297202B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- rotor
- axial
- permanent magnet
- flange plate
- magnetic bearing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 25
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000002146 bilateral effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 229910000976 Electrical steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000004323 axial length Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- QJVKUMXDEUEQLH-UHFFFAOYSA-N [B].[Fe].[Nd] Chemical compound [B].[Fe].[Nd] QJVKUMXDEUEQLH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 235000000396 iron Nutrition 0.000 description 1
- 238000005339 levitation Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910001172 neodymium magnet Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Abstract
本发明公开一种单轴控制式五自由度微型磁轴承，用于有空间限制要求的工作场合，转轴上空套左右布置的2个相同的法兰盘，2个法兰盘间设有1个转子、2个环形的定子磁轭、轴向充磁的1个环形永磁体和2个轴向控制线圈；法兰盘的内侧面与转子的两个端面之间具有轴向气隙；定子磁轭固定设置于永磁体的轴向两侧；2个轴向控制线圈设置于2个定子磁轭与2个法兰盘构成的空腔内且相对于转子左右对称；转轴的轴向一侧设有传感器；永磁体产生闭环静态偏磁磁通，轴向控制线圈产生闭环轴向控制磁通；采用被动磁轴承和主动磁轴承相结合，将现有的大尺寸磁轴承微型化，具有结构简单、功耗低、控制简单等优点，提高承载力和工作性能、扩大了应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种非机械接触的五自由度磁轴承，特指一种五自由度微型磁轴承，可作为诸如磁悬浮微型电机、商业硬盘驱动器、微型涡轮机、人工心脏轴流泵、航天器用磁悬浮储能飞轮系统之类要求高速、洁净无污染、长寿命的机械设备、医疗设备及卫星、航天器中微型旋转部件等工作场合的无接触悬浮支承。
背景技术
微型磁轴承是一种利用定子与转子之间的磁力作用将转子悬浮于空间的机电一体化精密产品，适用于具有空间限制的高速、超洁净和真空等特殊场合，为使转子能够实现稳定的悬浮，需要在五自由度上都要进行约束。
磁轴承的结构一般都包括定子和转子，在定子上缠绕控制线圈，对控制线圈进行通电产生磁通，利用定子与转子之间的磁力作用将转子悬浮于空间，实现对转子的主动控制。因此，需要多个定子和线圈，以及相应的多个传感器才能实现各自由度的主动控制，导致磁轴承的结构尺寸较大，各自由度悬浮力之间需要复杂的解耦控制，且磁轴承功耗高、成本高，因此不适用于有空间限制要求的工作场合。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术中磁轴承的结构尺寸较大，不能应用于有空间限制要求场合的不足，提出一种单轴控制式五自由度微型磁轴承，从结构上减小磁轴承的体积、降低磁轴承功耗。
本发明为实现上述目的采用的技术方案是：转子同轴固接转轴，转子上空套永磁体，转轴上空套有左右布置的2个相同的法兰盘， 2个法兰盘间设有1个转子、2个环形的定子磁轭、轴向充磁的1个环形永磁体和2个轴向控制线圈；法兰盘的内侧面与转子的两个端面之间具有轴向气隙；定子磁轭固定设置于永磁体的轴向两侧；2个法兰盘、2个定子磁轭以及永磁体的外径均相等；2个轴向控制线圈设置于2个定子磁轭与2个法兰盘构成的空腔内且相对于转子左右对称；转轴的轴向一侧设有传感器；永磁体产生静态偏磁磁通，静态偏磁磁通是从永磁体N极流出、依次经一侧的定子磁轭、法兰盘、轴向气隙后进入转子，再进入另一侧的轴向气隙、法兰盘、定子磁轭，回到永磁体S极的闭环磁回路；轴向控制线圈通以控制电流产生轴向控制磁通，轴向控制磁通是依次经定子磁轭、法兰盘、轴向气隙、转子、回到定子磁轭的闭环磁回路。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
1、本发明将现有的大尺寸的磁轴承微型化，微型的过程中考虑简单控制，精简结构，降低成本等因素，因此，本发明减少主动控制的自由度数目，提出了被动悬浮控制，无需采用定子上通过缠绕控制线圈进行通电来实现主动控制。
2、区别于传统磁轴承或无轴承电机，本发明采用被动磁轴承和主动磁轴承相结合的办法，只在一个自由度（绕轴向Z轴平动）采用主动控制，而其它自由度（绕径向X、Y轴平动及绕X、Y轴扭转）采用被动控制，使转子实现五自由度悬浮。相比于全部采用主动控制的五自由度磁轴承，本发明大大减少了系统所需的电磁铁及各个自由度采取闭环控制方法所采用的传感器的数目，且针对微型磁轴承的悬浮力较小的特点，只在轴向单自由度采取主动控制，而其它四自由度采取的被动控制，无需进行各个自由度之间的悬浮力解耦控制，因此本发明简化了磁轴承的控制方案，降低了磁轴承的控制成本，减少了磁轴承的功率损耗，提高了磁轴承的整体效率。
3、本发明可达到很高的运转转速，并且具有结构简单、体积小、功耗低、成本低、控制简单、机械磨损小、寿命长、无污染等优点，提高了磁轴承的承载力和工作性能、扩大了磁轴承的应用领域。
附图说明
图1为本发明单轴控制式五自由度微型磁轴承轴向截面图及轴向控制原理图；
图2为图1中的A-A剖视图；
图3为图1所示的本发明微型磁轴承被动悬浮径向恢复力的结构原理图；
图4为图1所示的本发明微型磁轴承被动悬浮径向恢复力矩的结构原理图；
图5为图1所示的本发明微型磁轴承轴向主动悬浮的结构原理图；
图中：1.永磁体；2.定子磁轭；3.法兰盘；4.轴向控制线圈；5.转子；6.转轴；7.传感器；8.静态偏磁磁通；9.轴向控制磁通；10.轴向气隙。
具体实施方式
如图1及图2所示，本发明由1个永磁体1、2个相同的定子磁轭2、2个相同的法兰盘3、2个相同的轴向控制线圈4、1个转子5、1个转轴6和1个传感器7构成。2个相同的法兰盘3均空套在转轴6上且左右布置，法兰盘3为常用的阶梯状结构，在2个相同的法兰盘3之间设置转子5、2个相同的定子磁轭2、1个永磁体1和2个相同的轴向控制线圈4，其中，转子5同轴固定在转轴6上，由圆形硅钢片叠压在转轴6上，并且在2个相同的法兰盘3的内侧面与转子5的两个端面之间留有轴向气隙10。转子5上空套1个永磁体1，永磁体1为轴向充磁的环形永磁体，一端是N极，另一端是S极。在轴向上，位于永磁体1的轴向两侧，与2个相同的法兰盘3内壁之间的空间各固定设置1个环形的定子磁轭2，即本发明的法兰盘3内侧联接定子磁轭2，永磁体1被叠压在具有对称结构的2个相同的定子磁轭2之间。2个法兰盘3、2个定子磁轭2以及永磁体1的外径均相等，2个定子磁轭2与永磁体1的内径相等。在2个定子磁轭2与2个法兰盘3构成的空腔内设置2个相同的轴向控制线圈4，2个相同的轴向控制线圈4相对于转子5左右对称。在转轴6的轴向一侧安置传感器7，用于检测转子5的轴向位移。
根据磁回路要求，磁路部件需导磁性能良好，磁滞低，并尽量降低涡流损耗与磁滞损耗，由此确定转子5采用硅钢片叠压而成，而定子磁轭2、法兰盘3采用电工纯铁加工而成，永磁体1采用高性能稀土材料钕铁硼。
本发明由永磁体1产生静态偏磁磁通8（参见图1中带箭头的虚线磁路），静态偏磁磁通8从永磁体1的N极流出，依次经过一侧的定子磁轭2、法兰盘3、轴向气隙10后进入转子5，然后进入另一侧的轴向气隙10、法兰盘3、定子磁轭2、最后回到永磁体1的S极，形成闭环磁回路结构。轴向控制线圈4通以控制电流产生轴向控制磁通9（参见图1中带箭头的实线磁路），轴向控制磁通9依次经过定子磁轭2、法兰盘3、轴向气隙10后进入转子5，然后回到定子磁轭2，形成闭环磁回路结构。
如图3所示，当转子5在径向二自由度方向（X、Y）受到干扰而偏离平衡位置时，根据磁阻力特性可知，永磁体1提供的静态偏磁磁通8产生恢复力F，其方向为X轴正方向。使转子5回到平衡位置。
如图4所示，当转子5在径向扭转二自由度方向（ 
、
分别为绕X、Y轴的扭转角度），受到干扰而偏离平衡位置位置时，利用转子5的外径相对于转子5的轴向长度较短的结构特点和磁阻力总是有使磁路磁阻最小的性质，永磁体1提供的静态偏磁磁通8产生恢复扭转力矩M，其方向为绕Y轴正方向扭转方向，使转子5回到平衡位置。
如图5所示，当转子5在轴向单自由度方向（Z）受到干扰偏离平衡位置时，通过传感器7反馈微型磁轴承的位移情况，调节左右轴向控制线圈4的电流，从而调节轴向气隙10中的轴向控制磁通9，图5所示的是调节了左侧的轴向气隙10使其增大，使右侧的轴向气隙10减小，始终使转子保持在轴向平衡位置。
因此，本发明将被动悬浮控制（针对径向四自由度）和主动悬浮控制（针对轴向单自由度）相结合，在径向二自由度和扭转方向的二自由度采用被动控制，轴向通过控制线圈4通直流电提供轴向控制磁通实现转子5的轴向悬浮力的闭环控制，最终实现转子5的稳定悬浮。只利用轴向一个自由度控制微型磁轴承五自由度稳定悬浮，径向四自由度依靠转子5自身磁阻力实现被动悬浮；轴向一个自由度通过调节轴向控制线圈4中电流的大小来改变轴向左右气隙10处磁通的大小，进而改变转子5轴向左右两侧受力的大小，使转子处于平衡位置，实现主动悬浮。当转子5处于平衡位置时，左右两侧轴向气隙10中静态偏置磁通8和轴向控制磁通9两部分叠加合成磁通密度相等；利用转子5外径相对于转子5的轴向长度较短的结构特点和磁阻力总是使磁路磁阻最小的原理，当转子5有径向位移或倾斜，磁阻力都会作用使其回到平衡位置。
根据以上所述，便可以实现本发明。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。
Claims (1)
1.一种单轴控制式五自由度微型磁轴承，转子（5）同轴固接转轴（6），转子（5）上空套环形永磁体（1），其特征是：转轴（6）上空套有左右布置的2个相同的法兰盘（3）， 2个法兰盘（3）之间设有1个转子（5）、2个环形的定子磁轭（2）、轴向充磁的1个所述环形永磁体（1）和2个轴向控制线圈（4）；法兰盘（3）的内侧面与转子（5）的两个端面之间具有轴向气隙（10）；定子磁轭（2）固定设置于永磁体（1）的轴向两侧；2个法兰盘（3）、2个定子磁轭（2）以及永磁体（1）的外径均相等；2个轴向控制线圈（4）设置于2个定子磁轭（2）与2个法兰盘（3）构成的空腔内且相对于转子（5）左右对称；转轴（6）的轴向一侧设有传感器（7）；永磁体（1）产生静态偏磁磁通（8），静态偏磁磁通（8）是从永磁体（1）的N极流出、依次经一侧的定子磁轭（2）、法兰盘（3）、轴向气隙（10）后进入转子（5），再进入另一侧的轴向气隙（10）、法兰盘（3）、定子磁轭（2）、回到永磁体（1）的S极的闭环磁回路；轴向控制线圈（4）通电流产生轴向控制磁通（9），轴向控制磁通（9）是依次经定子磁轭（2）、法兰盘（3）、轴向气隙（10）、转子（5）、回到定子磁轭（2）的闭环磁回路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201110232891 CN102297202B (zh) | 2011-08-15 | 2011-08-15 | 一种单轴控制式五自由度微型磁轴承 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201110232891 CN102297202B (zh) | 2011-08-15 | 2011-08-15 | 一种单轴控制式五自由度微型磁轴承 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102297202A CN102297202A (zh) | 2011-12-28 |
| CN102297202B true CN102297202B (zh) | 2013-01-23 |
Family
ID=45357814
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 201110232891 Expired - Fee Related CN102297202B (zh) | 2011-08-15 | 2011-08-15 | 一种单轴控制式五自由度微型磁轴承 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102297202B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104533945B (zh) * | 2015-01-05 | 2017-10-31 | 山东大学 | 一种由轴向混合磁轴承实现转子五自由度悬浮结构 |
| CN112968559B (zh) * | 2021-02-20 | 2023-06-09 | 上海隐冠半导体技术有限公司 | 一种磁浮旋转装置 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5315197A (en) * | 1992-04-30 | 1994-05-24 | Avcon - Advance Controls Technology, Inc. | Electromagnetic thrust bearing using passive and active magnets, for coupling a rotatable member to a stationary member |
| CN101025198A (zh) * | 2007-03-28 | 2007-08-29 | 江苏大学 | 一种永磁偏磁轴向混合磁轴承 |
| CN100591935C (zh) * | 2007-11-28 | 2010-02-24 | 江苏大学 | 三自由度锥形定转子交直流混合磁轴承 |
| US8102088B2 (en) * | 2008-01-25 | 2012-01-24 | Calnetix Technologies, L.L.C. | Generating electromagnetic forces with flux feedback control |
-
2011
- 2011-08-15 CN CN 201110232891 patent/CN102297202B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102297202A (zh) | 2011-12-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108591257B (zh) | 具有径向被动悬浮力的永磁偏置轴向磁悬浮轴承 | |
| CN101235848B (zh) | 低损耗永磁偏置轴向径向磁轴承 | |
| CN101149077B (zh) | 永磁偏置轴向径向磁轴承 | |
| US7557480B2 (en) | Communicating magnetic flux across a gap with a rotating body | |
| CN107134881B (zh) | 一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机 | |
| CN102322481B (zh) | 一种三自由度径向解耦锥形磁轴承 | |
| CN101737425B (zh) | 一种低功耗单稳态零重力作用径向磁轴承 | |
| CN105782242A (zh) | 一种飞轮储能系统及其五自由度磁悬浮支承结构 | |
| CN104832538A (zh) | 磁路解耦的永磁偏置主动与被动混合型轴径向磁悬浮轴承 | |
| CN106015331B (zh) | 一种低功耗永磁偏置五自由度集成化磁轴承 | |
| CN106812797B (zh) | 一种双层定子永磁偏置径向磁轴承 | |
| CN101893038A (zh) | 永磁偏置轴向磁轴承 | |
| CN103047283B (zh) | 一种大气隙五自由度微型磁轴承及工作方法 | |
| CN101526107B (zh) | 永磁体位于转子上的混合型轴向磁轴承 | |
| CN101413539A (zh) | 一种异极性永磁偏置轴向径向磁轴承 | |
| CN103939465B (zh) | 一种单自由度磁轴承 | |
| CN103925291A (zh) | 一种永磁偏置混合轴向磁轴承 | |
| CN209892624U (zh) | 一种e型结构电磁型径向磁轴承 | |
| CN209892623U (zh) | 一种轴向径向电磁型磁轴承 | |
| CN104154119A (zh) | 一种永磁偏置轴向径向磁轴承 | |
| CN103368326A (zh) | 一种低功耗磁悬浮飞轮储能装置 | |
| CN101832335B (zh) | 永磁偏置轴向径向磁轴承 | |
| CN101539167A (zh) | 一种永磁偏置轴向径向磁轴承 | |
| Rubio et al. | Design and analysis of a bearingless motor with passive axial suspension through null-flux coils | |
| CN102297202B (zh) | 一种单轴控制式五自由度微型磁轴承 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210326 Address after: No. 159, Chengjiang Middle Road, Jiangyin City, Wuxi City, Jiangsu Province Patentee after: Jiangyin Intellectual Property Operation Co.,Ltd. Address before: Zhenjiang City, Jiangsu Province, 212013 Jingkou District Road No. 301 Patentee before: JIANGSU University |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130123 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |