CN103047283B - 一种大气隙五自由度微型磁轴承及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大气隙五自由度微型磁轴承及工作方法，定子由相同的1个上部定子和1个下部定子组成，转子的轴向上表面与下表面上均贴有四片相同的永磁体，四片永磁体以N、S极首尾相接交替排列成环形，上部定子与下部定子以镜面对称的方式位于转子轴向两侧，下部定子磁极与转子下表面上的永磁体之间、上部定子磁极与转子上表面上的永磁体之间均具有1.2mm的气隙；在每个上部定子磁极以及每个下部定子磁极上均缠绕有轴向布置的轴向、径向控制线圈，本发明既可以增加主动控制自由度数目，实现控制精确性，又具备被动控制，实现低功耗。

Description

一种大气隙五自由度微型磁轴承及工作方法

技术领域

本发明涉及一种非机械接触的微型磁轴承，可作为诸如磁悬浮微型电机、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，由于定子、转子之间不存在机械上的接触，所以磁悬浮转子可达到很高的运转转速，并且具有机械磨损小、能耗低、寿命长、无污染等优点，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。

存在相对较大气隙的微型磁轴承在一些应用场合具有明显的优势，所谓大气隙是相对于不同尺寸及用途的微型磁轴承具体而言，譬如一些用于涡轮分子泵、手机用飞轮储能装置及植入式血液泵中的极其微小的微型磁轴承，其外径尺寸均在1μm-1cm之间，其常规的气隙在0.05μm-0.05mm之间，气隙如果在超出常规气隙范围就称之为大气隙。还有一类譬如磁悬浮心脏辅助装置、航天器用磁悬浮储能飞轮及磁悬浮微型电机等场合用的微型磁轴承，其外径尺寸一般其为1cm-10cm之间，其常规的气隙在0.05mm-0.5mm之间，气隙如果在超出常规气隙范围就称之为大气隙。比如在磁悬浮心脏辅助泵中，如果采用的微型磁轴承具有大气隙，则可使血液受到的剪切力有所减小，进而减小血红细胞的破坏，使溶血机会减少。在磁悬浮微型电机中，如果采用的微型磁轴承具有大气隙，则可使其磁通密度有所减小，而导致其空载损耗有所减小。在航天器用磁悬浮储能飞轮中，由于在真空环境中散热速度较慢, 因此热场的变化对系统工作稳定性影响很大，如果采用的微型磁轴承具有大气隙，则可使系统杂散损耗有所降低、节约能源、增加散热速度、降低绕组温升，提高效率。而已有的微型磁轴承结构，无论是被动控制还是主动控制，由于磁轴承本身受到空间环境的制约，其气隙的大小也受到限制。

已有的控制五自由度微型磁轴承的方法由于受空间环境的制约，一般采用被动控制为主，主动控制为辅的复合控制手段。为了更好的确保微型磁轴承的控制精度，采用主动控制的自由度数目越多越好，但是为了降低其功耗，采用被动控制的自由度数目越多越好，并且在两者权衡的基础上，还要确保微型磁轴承的结构尺寸仍满足其应用场合的空间限制要求。

为了满足微型磁轴承在一些特殊的应用场合发挥其更明显的优势，从结构及控制上减小微型磁轴承的体积，降低功耗和生产成本，简化控制方案，提高磁轴承的工作性能，需采用一些新的机械结构和磁路结构，不仅要保证轴承结构及尺寸精度，也要确保其具有相对较大的气隙；不仅要保证轴承的控制精度，也要确保其功耗尽可能的低。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有五自由度微型磁轴承气隙不大且控制自由度数目较少的问题，提出一种结构简单、体积小、功耗低、控制简单的大气隙五自由度微型磁轴承，本发明同时还提出该大气隙五自由度微型磁轴承的工作方法，在实现大气隙的同时能增加磁轴承主动控制与被动控制的自由度数目。

本发明一种大气隙五自由度微型磁轴承采用的技术方案是：包括转子和定子，转子空套在转轴上，所述定子由相同的1个上部定子和1个下部定子组成，转子的轴向上表面与下表面上均贴有四片相同的永磁体，四片永磁体以N、S极首尾相接交替排列成环形，上部定子与下部定子均具有三个相同的沿圆周方向均布的定子磁极，上部定子与下部定子以镜面对称的方式位于转子轴向两侧，下部定子磁极与转子下表面上的永磁体之间、上部定子磁极与转子上表面上的永磁体之间均具有1.2mm的气隙；在每个上部定子磁极以及每个下部定子磁极上均缠绕有轴向布置的两套控制线圈，一套是轴向控制线圈，另一套是径向控制线圈。

本发明一种大气隙五自由度微型磁轴承的工作方法是：A、由永磁体产生在上部、下部两个气隙中分布均匀且对称的静态偏磁磁通，使转子稳定悬浮；B、当转子在径向二自由度偏离平衡位置时，上部、下部的径向控制线圈均通电各产生一个单极旋转磁场，永磁体之间排斥与吸引，实现转子的径向控制；C、当转子在径向扭转二自由度偏离平衡位置时，上部、下部的径向控制线圈均通电各形成等效磁极，永磁体之间排斥与吸引产生恢复扭转力矩，使转子回平衡位置；D、当转子在轴向单自由度偏离平衡位置时，调节上部、下部轴向控制线圈的电流，从而调节轴向气隙的轴向控制磁通，使转子回到平衡位置。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1、本发明是集径向、轴向于一体的大气隙微型磁轴承，解决了传统微型磁轴承不能实现大气隙的问题，使得微型磁轴承在一些特殊的应用场合更好的发挥其优势。

2、针对传统微型磁轴承以被动控制为主、主动控制为辅所导致的控制缺乏精确性不足这一现象，本发明既可以增加主动控制自由度数目，以实现控制精确性，又具备被动控制，以实现低功耗为目的。

3、本发明通过控制径向控制线圈中的电流，既然可实现产生径向力的控制，又可实现径向扭转方向的控制，可用一套线圈实现径向四自由度的控制，因此也降低了功耗，提高控制精度，提高磁轴承的整体效率。

4、本发明的轴向单自由度控制与径向四自由度控制是采用分离的两套线圈，因此该微型磁轴承还可以根据应用场合的不同实时调整该磁轴承的应用范围，通过减少径向或轴向控制线圈的数目调整五自由度微型磁轴承为四自由度、或者单自由度微型磁轴承，扩大了其应用范围。

附图说明

图1为本发明一种大气隙五自由度微型磁轴承立体结构示意图；

图2为图1中大气隙五自由度微型磁轴承的径向二自由度悬浮原理图（径向恢复力）；

图3为图1中大气隙五自由度微型磁轴承的径向扭转二自由度悬浮原理图（径向恢复力矩）；

图4为图1中大气隙五自由度微型磁轴承的轴向悬浮原理图。

图中：1.转轴；2.上部定子；21, 22, 23.上部定子磁极；31,32,33.上部轴向控制线圈；41,42,43.上部径向控制线圈；5.转子；6.永磁体；7.下部定子；71,72,73. 下部定子磁极；81,82,83.下部轴向控制线圈；91,92,93.下部径向控制线圈；101.上部气隙；102.下部气隙；11.静态偏磁磁通；111.轴向控制磁通；12.上部旋转磁场等效磁极；13.下部旋转磁场等效磁极；14.转子等效磁极；F.径向力；M1, M2. 恢复扭转力矩；Fz.轴向力。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括1个立式转轴1、2个相同的定子和1个转子5。两个相同的定子分别为上部定子2和下部定子7，转子5为环形，空套在转轴1上，在转子5的轴向上表面与下表面上均以贴片形式贴着四片相同的环形围绕的永磁体6，转子5下表面上的布局与上表面上一致，即转子5下表面上的四片等大小的环形永磁体，以N、S极首尾相接地交替排列，围成一个整圆环，转子5下表面上的四片等大小的环形永磁体，也以N、S极首尾相接地交替排列，围成一个整圆环。转子5与永磁体6可构成一个整体。

上部定子2与下部定子7结构完全相同，以镜面对称的方式位于转子5与永磁体6构成的整体的轴向两侧。上部定子2与下部定子7的外形均是中空的圆柱状，且每个定子具有三个相同的定子磁极。在上部定子2的下部，并且沿着圆周方向每隔120度进行开槽，开槽个数为3，开槽高度为上部定子2轴向长度的一半，开槽弧度为40度，因而形成沿圆周方向均匀分布的三个凸极，即为上部定子磁极21、22、23。在下部定子7的上部，并且沿着圆周方向每隔120度进行开槽，开槽个数为3，开槽高度为下部定子7轴向长度的一半，开槽弧度为40度，因而形成沿圆周方向均匀分布的三个凸极，即为下部定子磁极71、72、73。所有的定子磁极的开槽弧度为80度。上部定子磁极21、22、23与位于转子5上表面上的永磁体6之间形成轴向上部气隙101，下部定子磁极71、72、73与位于转子5下表面上的永磁体6之间形成轴向下部气隙102。上部气隙101和下部气隙102均是1.2mm的圆柱状空气层，两个气隙既可作为轴向气隙又可作为径向气隙。

在每个上部定子磁极21、22、23上均缠绕两套控制线圈，一套为上部轴向控制线圈31、32、33，一套为上部径向控制线圈41、42、43。每个上部定子磁极21、22、23上的两套控制线圈以轴向布置，缠绕于上部定子磁极21、22、23上，缠绕在上部定子磁极21、22、23上的三个上部轴向控制线圈31、32、33和三个上部径向控制线圈41、42、43分别以星形连接的方式相连接，分别引出三个轴向控制线圈的接线端子和三个径向控制线圈的接线端子。在每个下部定子磁极71、72、73上也均缠绕两套控制线圈，一套为下部轴向控制线圈81、82、83，一套为下部径向控制线圈91、92、93。两套控制线圈以轴向布置，缠绕于下部定子磁极71、72、73上，缠绕在每个磁极上的三个下部轴向控制线圈81、82、83和三个下部径向控制线圈91、92、93分别以星形连接的方式相连接，分别引出三个轴向控制线圈的接线端子和三个径向控制线圈的接线端子。

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，而上部定子2与下部定子7采用电工纯铁加工而成，永磁体6采用高性能稀土材料钕铁硼。

如图1，控制转子5在五自由度上的稳定悬浮，包括在径向二自由度（X、Y）、径向扭转二自由度（即绕x轴扭转角度为θ _x 、绕y轴扭转角度为θ _y ）和轴向单自由度（Z）上实现悬浮。

本发明工作时，可实现静态被动悬浮、径向二自由度主动控制、径向扭转二自由度主动控制、轴向单自由度主动控制，具体如下：

静态被动悬浮的实现：参见图1中带箭头的粗实线磁路，本发明由永磁体6产生静态偏磁磁通11。静态偏磁磁通11分为两部分，位于上部的静态偏磁磁通11从位于转子5上表面上的永磁体6的N极出发，依次经过N极所对应的上部气隙101、上部定子2、然后进入N极两侧S极所对应的上部气隙101、最后回到永磁体6中与N极相邻的S极。位于下部的静态偏磁磁通11从位于转子5下表面上的永磁体6的N极出发，依次经过N极所对应的下部气隙102、下部定子7、然后进入N极两侧S极所对应的下部气隙102、最后回到永磁体6中与N极相邻的S极。当转子5处于中心平衡位置时，由于静态偏磁磁通11在上部气隙101和下部气隙102中分布均匀且对称，因此转子5所受的悬浮合力为零，即转子5可实现稳定悬浮。当转子5不受外界干扰，在平衡位置处于静态被动悬浮状态时，只由永磁体6发挥作用，上部轴向控制线圈31、32、33以及下部轴向控制线圈81、82、83、上部径向控制线圈41、42、43和下部径向控制线圈91、92、93内均不产生控制电流，因此整个磁轴承系统的功耗很低。

径向二自由度主动控制的实现：当转子5在径向二自由度（X、Y）受到干扰而偏离平衡位置时，对于互成120度的三相上部径向控制线圈41、42、43，此时均通电会产生一个单极旋转磁场，即相当于一个极对数为1的旋转永磁体作用产生的磁场，即为上部旋转磁场等效磁极12。同理，对于互成120度的下部径向控制线圈91、92、93此时通电产生一个单极旋转磁场，也相当于一个极对数为1的旋转永磁体，即为下部旋转磁场等效磁极13。此时处于旋转状态且带有永磁体6的转子5也可看作是转子等效磁极14，参见图2所示。利用三个等效永磁体之间排斥与吸引作用，即可实现转子5的径向控制。下面以一个方向为例，假设转子5在径向x负方向上受到干扰而偏移原平衡位置，此时如图2所示，经过控制系统调整，使得上、下部径向控制线圈41、42、43、91、92、93同时通电，因此其产生的旋转磁场所等效的上部旋转磁场等效磁极12和下部旋转磁场等效磁极13如图2所示的状态，此时由N、S极之间相互吸引和N、N极相互排斥的原理，即可想成径向x正方向的力F，把转子5拉回原平衡位置。

径向扭转二自由度主动控制的实现：当转子5在径向扭转二自由度（θ _x 、θ _y ）受到干扰而偏离平衡位置时，依然利用永磁体同性相斥，异性相吸的原理，产生扭矩，使得转子5恢复原来平衡状态。如图3所示，假设转子5受到扰动而在x正方向上发生扭转，扭转角度为θ _x 。此时由N、S极之间相互吸引和N、N极相互排斥的原理，经过控制系统调整，即可由上部径向控制线圈41、42、43形成如图3所示的上部旋转磁场等效磁极12，和转子等效磁极14可形成恢复扭转力矩M1，下部径向控制线圈91、92、93形成如图3所示的下部旋转磁场等效磁极13，和转子等效磁极14可形成恢复扭转力矩M2，使转子5回平衡位置。

轴向单自由度主动控制的实现：如图4所示，当转子5在轴向单自由度（Z）受到干扰而偏离平衡位置时，经过控制系统调整，通过调节上部轴向控制线圈31、32、33和下部轴向控制线圈81、82、83的电流，从而调节轴向气隙的轴向控制磁通。如图4所示，假设转子5在z轴负方向发生偏移，则上部轴向控制线圈31、32、33产生的轴向控制磁通111与静态偏磁磁通11相叠加，使得上部气隙101中的磁通密度加大，下部轴向控制线圈81、82、83产生的轴向控制磁通111与静态偏磁磁通11相叠加，使得下部气隙102中的磁通密度减小。由此产生轴向正方向上的力F _z ，使转子5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 (4)

1.一种大气隙五自由度微型磁轴承，包括转子（5）和定子，转子（5）空套在转轴（1）上，其特征是：所述定子由相同的1个上部定子（2）和1个下部定子（7）组成，转子（5）的轴向上表面与下表面上均贴有四片相同的永磁体（6），四片永磁体（6）以N、S极首尾相接交替排列成环形，上部定子（2）与下部定子（7）均具有三个相同的沿圆周方向均布的定子磁极，上部定子（2）与下部定子（7）以镜面对称的方式位于转子（5）轴向两侧，下部定子磁极与转子（5）下表面上的永磁体（6）之间、上部定子磁极与转子（5）上表面上的永磁体（6）之间均具有1.2mm的气隙；在每个上部定子磁极上均缠绕有轴向布置的两套控制线圈，在每个下部定子磁极上也均缠绕有轴向布置的两套控制线圈，所述两套控制线圈中的一套是轴向控制线圈，另一套是径向控制线圈。

2.根据权利要求1所述的一种大气隙五自由度微型磁轴承，其特征是：所有定子磁极的弧度为80度，高度为所在定子轴向长度的一半。

3.根据权利要求1所述的一种大气隙五自由度微型磁轴承，其特征是：转子（5）采用硅钢片叠压而成，定子采用电工纯铁加工而成，永磁体（6）采用稀土材料钕铁硼。

4.一种如权利要求1所述大气隙五自由度微型磁轴承的工作方法，其特征是：

A、由永磁体（6）产生在上部、下部两个气隙中分布均匀且对称的静态偏磁磁通，使转子（5）稳定悬浮；

B、当转子（5）在径向二自由度偏离平衡位置时，上部、下部的径向控制线圈均通电各产生一个单极旋转磁场，永磁体（6）之间排斥与吸引，实现转子（5）的径向控制；

C、当转子（5）在径向扭转二自由度偏离平衡位置时，上部、下部的径向控制线圈均通电各形成等效磁极，永磁体（6）之间排斥与吸引产生恢复扭转力矩，使转子（5）回平衡位置；

D、当转子（5）在轴向单自由度偏离平衡位置时，调节上部、下部轴向控制线圈的电流，从而调节轴向气隙的轴向控制磁通，使转子（5）回到平衡位置。