CN103064038A

CN103064038A - 单自由度混合磁悬浮实验装置

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Publication number: CN103064038A
Application number: CN2013100001298A
Authority: CN
Inventors: 胡业发; 王念先; 吴华春; 黄龙飞; 陈喜迎
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2013-01-03
Filing date: 2013-01-03
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2033-01-03
Also published as: CN103064038B

Abstract

本发明提供的单自由度混合磁悬浮实验装置，由磁悬浮系统和动子位置差动调节机构组成，该装置为上基板-中基板、中基板-底座的两层式结构，每层之间由三根支杆支撑；上层为磁悬浮系统及位移检测层，下层为差动调节机构及力检测层；所述的磁悬浮系统中，其动子为圆盘螺杆一体结构，呈T字形，螺杆穿过中基板中心孔，可在磁力作用下沿竖直方向上下运动，其力传感器连于差动调节机构和底座之间，实时地监测混合磁力的大小；差动调节机构与所述螺杆的下端相连，可差动地调节动子所在位置。本发明能进行多项实验研究，具有功能丰富、结构紧凑、能耗低等优点。

Description

单自由度混合磁悬浮实验装置

技术领域

本发明涉及磁悬浮技术领域，特别是一种运用永磁-电磁混合磁悬浮原理的单自由度混合磁悬浮实验装置。

背景技术

采用混合磁悬浮技术能有效的解决现有磁悬浮系统存在的体积大、功耗高等问题，是磁悬浮技术未来发展的方向。但由于混合磁悬浮系统中电磁磁场的存在影响永磁体工作点的改变、大气隙下严重漏磁导致的系统中存在强非线性特性，从而导致承载力特性大大降低，使得当前要精确的研究混合磁场的分布以及混合磁力特性的难度大大增加。

目前还没有一套完善的装置能对混合磁悬浮系统中的磁场进行系统的研究，特别是未能实现方便的永磁体外部磁场加载；永磁体工作点的大范围改变；方便的磁场测量以及同时兼备的力-电流-气隙三者中任意两者之间的关系曲线研究和大气隙或者变载条件下的动态悬浮实验研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种单自由度混合磁悬浮实验装置，以方便地实现永磁体外部磁场的加载；外部磁场的加载能实现永磁体工作点的变化范围尽可能大；能尽可能大范围准确的测量混合磁悬浮轴承的磁场和支承力的特性；进而能够对混合磁悬浮系统的各项特性做系统、全面的研究。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的单自由度混合磁悬浮实验装置，由磁悬浮系统和动子位置差动调节机构组成。该装置为上基板-中基板、中基板-底座的两层式结构，每层之间由三根支杆支撑；上层为磁悬浮系统及位移检测层，下层为差动调节机构及力检测层；所述的磁悬浮系统中，其动子为圆盘螺杆一体结构，呈T字形，螺杆穿过中基板中心孔，可在磁力作用下沿竖直方向上下运动，其力传感器连于差动调节机构和底座之间，实时地监测混合磁力的大小；差动调节机构与所述螺杆的下端相连，可差动地调节动子所在位置。

所述的磁悬浮系统可以包括定子装配体、动子、位移传感器、力传感器和控制系统，其中：定子装配体固定在上基板下端面，通过电磁力吸引下方动子；位移传感器安装在中基板上，实时地监测动子下端面的位置变化。

所述的定子装配体可以由电磁铁定子、线圈、永磁体组成，其中：电磁铁定子为外环和芯轴的M型结构，线圈绕在芯轴上；外环下端面安装四个防撞销，永磁体通过紧定螺钉和垫片一起固连在心轴下端，整个定子装配体通过止口定位面与上基板固连。

所述的位移传感器可以有三个，它们均布安装在中基板上，位移传感器实时将悬浮的气隙距离反馈给控制系统，控制系统将其与设定的气隙进行比较后，调节电磁铁中的电流从而改变电磁吸力的大小来保证气隙的恒定。

所述的力传感器，可以连在动子螺杆下端调节螺母和底座球铰部件之间，力传感器实时地监测电磁-永磁混合磁力的大小。

所述的控制系统可以由工控机和位于工控机内的数据采集模块、功率放大模块、信号处理模块等部分组成。

所述的中基板中心孔，该孔内可以有导向定位件，运动时，动子其余自由度均被该定位件限制，仅能在磁力吸引下沿竖直方向上下浮动；静止时，通过该定位件保证动子的竖直状态。

所述的差动调节机构，可以由中、下调节螺母组成，通过中调节螺母的内外螺纹螺距不同，实现旋动时对动子的差动位置调节。

所述的底座，可以由球铰部件和下基板组成，其中：球铰部件由球铰座、盖板和球铰构成，球铰安装在球铰座的空腔内，上连力传感器下端，在上止点通过与两半圆形盖板拼合而成的球面配合运动；盖板通过螺栓紧固在球铰座上；整个球铰部件由止口定位通过螺栓固定在下基板中央。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

其一. 结构新颖、功能丰富：

采用单自由度混合悬浮的形式，可大范围的调整工作气隙，同时可系统的测试电流、磁场力、磁场、气隙、材料等一系列单一或组合形式下的磁场分布和承载力曲线；该实验装置能进行如下实验研究：

1.相同气隙下电流-力曲线测量实验；

2.相同电流下位移-力曲线测量实验；

3.磁场分布测量实验；

4.永磁-电磁混合磁场的组成和叠加实验；

5.气隙-电流-漏磁曲线测量实验；

6.大气隙条件下动态悬浮实验；

7.变载荷条件下动态悬浮实验。

其二. 结构紧凑、能耗低：

充分利用了永磁-电磁混合磁悬浮原理，采用永磁磁场取代电磁铁的静态偏置磁场，大大减小电磁铁所需的安匝数，缩小整个装置的体积尺寸；减小悬浮所需的最大电流，使能耗大大下降。

附图说明

图1是单自由度混合磁悬浮实验装置的剖视图。

图2是单自由度混合磁悬浮实验装置定子装配体的剖视图。

图3是单自由度混合磁悬浮实验装置动子的轴视图。

图4是单自由度混合磁悬浮实验装置差动调节机构的剖视图。

图5是单自由度混合磁悬浮实验装置球铰部件的轴视图。

图6是单自由度混合磁悬浮实验装置磁路走向图。

图7是控制系统原理框图。

图中：1.螺栓； 2.上基板；3.电磁铁定子；4.上支杆；5.线圈；6.垫片； 7.紧定螺钉；8.永磁体；9.防撞销；10.动子；11.位移传感器；12.动子导向定位件；13.中基板；14.中调节螺母；15.下支杆；16.下调节螺母；17.力传感器；18.球铰部件；19.下基板；20.球铰；21.盖板； 22.球铰座。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。

本发明提供的单自由度混合磁悬浮实验装置，利用永磁-电磁混合磁悬浮技术实现所述装置的动子在不同位置稳定悬浮，并可通过电磁部分电流大小改变来改变悬浮吸引力；通过差动调节机构来调节动子的位置即气隙的大小。

本发明提供的单自由度混合磁悬浮实验装置，其磁路走势图如图6中所示，实线表示电磁磁路；点划线表示永磁磁路，箭头方向为磁路走势。所述电磁磁路可根据不同的电流方向采用右手螺旋定则确定。所述永磁磁路则由安装方式和充磁方向确定，可与电磁走势同向或反向；可以去掉永磁体代以一导磁材料制成的垫片，进而仅研究主动电磁磁场的电流、力、气隙之间的关系；也可采用两块磁化方向相同的永磁体进行研究。

本发明提供的单自由度混合磁悬浮实验装置，具体结构如图1所示，由磁悬浮系统和差动调节机构组成。所述磁悬浮系统由定子装配体、动子10、位移传感器11、力传感器17和控制系统组成。

所述的定子装配体，如图2中所示，主要由电磁铁定子3、线圈5、永磁体8组成，其中：电磁铁定子3为外环和心轴的M型结构，线圈5绕在定子的铁芯轴上；外环下端面安装四个防撞销9，永磁体8通过紧定螺钉7和垫片6一起固连在铁芯轴下端，整个定子装配体通过止口定位面以及三个螺栓1与上基板2固连。

所述的动子10呈T字形，如图5中所示，由一体的圆盘和螺杆构成。其中圆盘位于上基板2和中基板13之间；螺杆位于中基板13和底座之间，即动子穿过中基板13的中心孔安装。中心孔内有动子导向定位件12，运动时，动子的其余自由度均被该定位件限制，仅能在磁力吸引下沿竖直方向上下浮动；静止时，通过该定位件保证动子的竖直状态。

所述的位移传感器11有三个，它们均布安装在中基板13上。作用是：实时将悬浮的气隙反馈给控制系统，控制系统将其与设定的气隙距离进行比较后，调节电磁线圈5中的电流从而改变吸力的大小来保证气隙的恒定。

所述的力传感器17，连在动子螺杆下端的调节螺母和底座的球铰部件18之间。作用是：实时地监测电磁-永磁混合磁力的大小，并由自带数显表显示。

所述的控制系统由工控机和位于工控机内的数据采集模块、功率放大模块、信号处理模块等部分组成，系统框图如图7中所示。具体控制循环如下：首先通过位移传感器11和力传感器17，实时的将动子的位移信号和力信号传递给信号处理模块处理，然后信号由数据采集模块采集进入工控机，再由工控机控制程序将其与设定值比较并输出一个控制信号，控制信号经由功率放大器转换成对应的控制电流输入给定子线圈，进而改变对动子的吸引力达到动子的稳定悬浮。

所述的差动调节机构，如图4中所示，由中调节螺母14、下调节螺母16组成。作用是：连于动子10下端，通过中调节螺母14内外螺距差值实现旋动时对动子10的位置调节，以便固定不同的气隙大小进行电流和力之间的关系研究，同时通过下调节螺母16将力信号传递给力传感器。

所述的球铰部件18，由止口定位通过四个螺栓固定在下基板19中央，是底座的一部分，具体结构如图5中所示，由球铰20、盖板21和球铰座22构成。球铰20安装在球铰座22的空腔内，上连力传感器17下端，在上止点通过与两半圆形盖板21拼合而成的球面配合运动；盖板21通过四个螺栓紧固在球铰座22上，以起到限制力传感器的位置使其受力的作用。

所述的支杆有六根，分别为三根上支杆4和三根下支杆15。作用是：上支杆4连接上、中基板并为两基板作轴向定位；下支杆15连接中基板13和底座，并为两者作轴向定位。

本发明的工作原理与工作过程是：当电磁铁线圈5通电时，电磁铁定子3产生电磁场，与永磁体8产生的永磁磁场叠加，对动子圆盘产生吸引力，使整个动子10产生向上的浮力，向上吸引，形成悬浮，从而使力传感器17受到拉力。期间，可以通过固定电流或者调节差动机构的中调节螺母14调节动子位置，研究气隙或电流和力之间的关系。也可以在悬浮时去掉动子下端的调节机构，直接通过动子下端悬挂砝码的加载方式，进行在不同载荷、不同气隙条件下的动态悬浮实验。除此之外，还可进行混合磁场的叠加研究、磁场分布的测量、漏磁-电流-气隙三者关系的研究等实验。

本发明的创新点在于：（1）大气隙结构（气隙变化范围1-12mm），并巧妙的引入独有的差动调节机构，使得针对大气隙混合磁悬浮研究的本实验装置功能多样化。（2）独特的结构形式，可通过更换不同组件实现不同永磁体情况下各参数的测量。（3）通过取消差动调节机构即可实现不同形式下混合磁悬浮系统的动态悬浮实验。（4）充分利用了混合磁悬浮原理，采用永磁磁场取代电磁铁的静态偏置磁场，大大减小电磁铁所需的安匝数，缩小整个装置的体积尺寸；减小悬浮所需的最大电流，使能耗大大下降。

Claims

1. 一种单自由度混合磁悬浮实验装置，其特征在于整个装置由磁悬浮系统和动子位置差动调节机构组成，该装置为上基板-中基板、中基板-底座的两层式结构，每层之间由三根支杆支撑；上层为磁悬浮系统及位移检测层，下层为差动调节机构及力检测层；所述的磁悬浮系统中，其动子为圆盘螺杆一体结构，呈T字形，螺杆穿过中基板中心孔，可在磁力作用下沿竖直方向上下运动，其力传感器连于差动调节机构和底座之间，实时地监测混合磁力的大小；差动调节机构与所述螺杆的下端相连，可差动地调节动子所在位置。

2.根据权利要求1所述的单自由度混合磁悬浮实验装置，其特征是所述的磁悬浮系统包括定子装配体、动子、位移传感器、力传感器和控制系统，其中：定子装配体固定在上基板下端面，通过电磁力吸引下方动子；位移传感器安装在中基板上，实时地监测动子下端面的位置变化。

3.根据权利要求2所述的单自由度混合磁悬浮实验装置，其特征是所述的定子装配体由电磁铁定子、线圈、永磁体组成，其中：电磁铁定子为外环和芯轴的M型结构，线圈绕在芯轴上；外环下端面安装四个防撞销，永磁体通过紧定螺钉和垫片一起固连在心轴下端，整个定子装配体通过止口定位面与上基板固连。

4.根据权利要求2所述的单自由度混合磁悬浮实验装置，其特征是所述的位移传感器有三个，它们均布安装在中基板上，位移传感器实时将悬浮的气隙距离反馈给控制系统，控制系统将其与设定的气隙进行比较后，调节电磁铁中的电流从而改变电磁吸力的大小来保证气隙的恒定。

5.根据权利要求2所述的单自由度混合磁悬浮实验装置，其特征是所述的力传感器，连在动子螺杆下端调节螺母和底座球铰部件之间，力传感器实时地监测电磁-永磁混合磁力的大小。

6.根据权利要求2所述的单自由度混合磁悬浮实验装置，其特征是所述的控制系统主要由工控机和位于工控机内的数据采集模块、功率放大模块、信号处理模块部分组成。

7.根据权利要求1所述的单自由度混合磁悬浮实验装置，其特征是所述的中基板中心孔，该孔内有导向定位件，运动时，动子其余自由度均被该定位件限制，仅能在磁力吸引下沿竖直方向上下浮动；静止时，通过该定位件保证动子的竖直状态。

8.根据权利要求1所述的单自由度混合磁悬浮实验装置，其特征是所述的差动调节机构，由中、下调节螺母组成，通过中调节螺母的内外螺纹螺距不同，实现旋动时对动子的差动位置调节。

9.根据权利要求1所述的单自由度混合磁悬浮实验装置，其特征是所述的底座，由球铰部件和下基板组成，其中：球铰部件由球铰座、盖板和球铰构成，球铰安装在球铰座的空腔内，上连力传感器下端，在上止点通过与两半圆形盖板拼合而成的球面配合运动；盖板通过螺栓紧固在球铰座上；整个球铰部件由止口定位通过螺栓固定在下基板中央。