CN103291749B - 一种磁悬浮轴承预充磁结构及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮轴承预充磁结构，包括转子以及定子组件，定子组件包括磁极单元，定子组件上设置工作段以及预充磁段，预充磁段分置于定子组件工作段上的两弧面周向端面的至少一端处设置，所述预充磁段与工作段磁极方向同向且共同构成所述磁极单元。通过以上结构，依靠呈开环布置的定子组件，从而实现基于转子的开环悬浮目的，也就避免了传统的闭环圆形定子所必然导致的间接增加转子悬浮重量的缺陷。

Description

一种磁悬浮轴承预充磁结构及其控制系统

技术领域

本发明属于机械磁悬浮领域，具体涉及一种磁悬浮轴承预充磁结构及其控制系统。

背景技术

磁悬浮轴承预充磁结构及其控制系统(MagneticBearing)是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触的一种装置结构。与传统的滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。目前的磁悬浮轴承预充磁结构及其控制系统，至今都仍然沿用如图1所示，也即定子内壁处沿其周向均布多根绕制有线圈的衔铁结构，从而依靠多组环绕转子设置的N、S极沿转子径向布置的结构方式，来实现对于转子的电磁吸附悬浮作用，上述结构固然具备了基于转子的磁悬浮功能，但其存在的缺陷仍不可小视，主要在于：一方面，每当转子旋转一圈时，每当转子的各区域均必然会多次频繁的经过如图1所示的各组N、S极(图1中虚线部分为其磁力线流动路径示意图)，其上相应感应区域也就会对应加以磁极转化，也即不断进行充放电操作，方才能保证各对N、S极对于转子的吸附作用，然而，转子在工作时必然是不断转动的，上述转子各区域再不断经过各组N、S极而不断发生频繁的充放电现象，进而不可避免使其产生涡流损耗并引发电发热效应，最终导致转子产生过热现象，轻则影响其正常使用效果，重则产生设备的过热损坏现象；另一方面，N、S极的形成都为依靠衔铁和线圈共同组成，传统结构的衔铁或为整体与定子一体形成，线圈整体绕制，且一旦轴承加工完成就无法进行更改，如需遇到需增大悬浮力等特殊场合时，只能通过更换轴承的方式进行，更换繁琐且成本高，又或为先期制作衔铁并绕制线圈后再行固接于转子内壁上，该方式不但因各种安装误差等而致使各衔铁顶端无法形成准确圆周面，也即出现转子外壁与定子内壁的不同心现象，从而导致两者根本无法正常适配工作。此外，实际实验时发现，传统定子的上述整圆状构造，往往导致定子的上半圆能够实现对于转子的吸附悬浮作用，而其下半圆所形成的磁极吸力反而导致了加重转子向下的作用力，从而间接的增重了转子重量，从而致使其装置工作能耗性增加，最终给实际操作人员带来极大困扰。

有鉴于此，某些企业也曾考虑采用半圆状定子来实现对于转子是悬浮功能，但是，在转子的旋转过程中，转子外壁上会产生涡流，由于定子形成了开环状结构，该涡流会使得转子进入磁场一侧的磁密降低，而离开磁场一侧的磁密增加，在磁铁线圈电流不变的情况下，涡流效应会导致两侧电磁铁的电磁力发生变化，使得转子进入侧的电磁力减小，另一侧的电磁力增加，当转子转速增加到一定值，可能会导致转子在侧向的不稳定性，最终对其装置的正常可靠工作带来极大影响。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种结构简单的磁悬浮轴承预充磁结构，以解决转子旋转导致的两侧电磁铁电磁力严重不均的问题，确保其在高速旋转下的稳定性，工作效率高。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种磁悬浮轴承预充磁结构，包括转子以及与之适配的定子组件，两者间构成悬浮配合关系；所述定子组件包括位于其上的用于形成转子悬浮动力的磁极单元，所述定子组件上设置用于执行转子悬浮操作的工作段以及执行转子预充磁操作的预充磁段，工作段外形呈开环式的圆弧体状，所述预充磁段分置于定子组件工作段上的两弧面周向端面的至少一端处设置，所述预充磁段与工作段磁极方向同向且共同构成所述磁极单元。

本发明的主要优点在于：通过以上结构，依靠呈开环布置的定子组件，从而实现基于转子的开环悬浮目的，也就避免了传统的闭环圆形定子所必然导致的间接增加转子悬浮重量的缺陷；更重要的是，本发明通过设置预充磁段，在每次转子上某块区域需要进入开环状定子组件的工作段并进行正常悬浮工作之前，其都必然会首先经过预先设置好的预充磁段并进行转子的该区域的预充磁操作，也就是说，通过人为添加预充磁单元，从而可控的保证转子旋转时的定子组件两侧电磁铁电磁力的均衡性，以最终确保其在高速旋转下的稳定性；本发明通过预充磁操作，也就从根本上杜绝了传统磁悬浮轴承固有操作方式所带来的电磁力乃至电流失衡状况，其工作效率极高。

本发明的另一个目的是提供一种用于磁悬浮轴承预充磁结构的控制系统，以有效实现基于磁悬浮轴承的预充磁目的，其工作稳定可靠。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种用于如权利要求1所述磁悬浮轴承预充磁结构的控制系统，包括布置于转子下方的用于检测其旋转方向及速度的传感单元，所述控制系统还包括用于接收传感单元信息并发出操作信息的逻辑操作单元，所述预充磁段包括正向预充磁段及反向预充磁段，各预充磁段上的线圈上均设置用于减少其线圈匝数的线圈短路开关，其逻辑操作单元的操作逻辑如下：

定子组件工作段正常工作，传感单元检测转子转速低于或等于设定控制值，逻辑操作单元控制各预充磁段上的线圈断路开关均闭合，处于初始状态；

定子组件工作段正常工作，传感单元检测转子转速高于设定控制值，且转子为正向旋转，逻辑操作单元发出信号，控制预充磁段上的正向预充磁段上线圈断路开关断开，正向预充磁段线圈匝数增加，实现正向预充磁工作；

定子组件工作段正常工作，传感单元检测转子转速高于设定控制值，且转子为反向旋转，逻辑操作单元发出信号，控制预充磁段上的反向预充磁段上线圈断路开关断开，正向预充磁段线圈匝数增加，实现反向预充磁工作。

本发明的主要优点在于：通过设置控制系统，通过根据转子的旋转速度和方向改变预充磁段内电磁铁的线圈数目，从而实现基于前述预充磁结构的控制目的；在转子转速低于需要控制的值(也即根据现场目的设定的转速参考值)时，此时控制系统内的逻辑操作单元控制预充磁段不工作；当转子转速相应超过需要控制的值时，此时逻辑操作单元执行操作，并根据此时传感单元传来的转子处于正向还是反向转动，来相应控制定子组件上的位于转子进入端的正向预充磁段或反向预充磁段来实现转子进入定子组件前的人为预充磁操作，最终有效实现基于磁悬浮轴承的预充磁目的，其工作稳定可靠。

附图说明

图1为传统磁悬浮轴承的工作原理剖视图；

图2为定子组件的立体结构图；

图3为本发明的工作流程框图；

图4-5为本发明的磁极单元N、S极布置方向及其工作原理图。

具体实施方式

一种磁悬浮轴承预充磁结构，包括转子以及与之适配的定子组件，两者间构成悬浮配合关系；所述定子组件包括位于其上的用于形成转子悬浮动力的磁极单元10，所述定子组件上设置用于执行转子悬浮操作的工作段a以及执行转子预充磁操作的预充磁段b，工作段a外形呈开环式的圆弧体状，所述预充磁段b分置于定子组件工作段a上的两弧面周向端面的至少一端处设置，所述预充磁段b与工作段a磁极方向同向且共同构成所述磁极单元10。

本发明实际结构如图2-3所示，这样，通过以上结构，依靠呈开环布置的定子组件，从而实现基于转子的开环悬浮目的，也就避免了传统的闭环圆形定子所必然导致的间接增加转子悬浮重量的缺陷；更重要的是，本发明通过设置预充磁段b，在每次转子上某块区域需要进入开环状定子组件的工作段a并进行正常悬浮工作之前，其都必然会首先经过预先设置好的预充磁段b并进行转子的该区域的预充磁操作，也就是说，通过人为添加预充磁单元，从而通过其内线圈匝数的可控变化，从而也就保证了转子旋转时的定子组件两侧电磁铁电磁力的均衡性，以最终确保其在高速旋转下的稳定性；本发明通过预充磁操作，也就从根本上杜绝了传统磁悬浮轴承固有操作方式所带来的电磁力乃至电流失衡状况，其工作效率极高。

作为本发明的进一步优选方案，实际操作时，可如图2所示，直接将所述预充磁段b为两个且分置于定子组件工作段a上的两弧面周向端面处设置。也就是说，由于磁悬浮轴承本身工作转向的不确定行，通过在工作段两端均设置预充磁结构，也即正向预充磁段以及反向预充磁段，从而无论转子为正向旋转还是反向旋转，均可实现对于定子组件上的转子进入端的预充磁效果，从而保证其实际工作稳定性及效率性。

进一步的，考虑到目前传统磁悬浮轴承的高发热及高损耗性，所述磁极单元10的N、S极布置方向与定子组件轴长方向同向设置，从而通过摒弃了将磁极单元10的N、S极均沿定子组件径向布置的传统安置方式，以突破反常的采用其N、S极与定子组件轴长方向同向设置的布置结构，从而巧妙的起到了避免转子工作时频繁转化磁极的独特效果；实际操作时，一方面由于磁极单元10的存在，依靠其磁力作用，也就实现了传统结构所都能实现的对于转子的磁悬浮效果，另一方面，由于本发明的上述独特N、S极布置方式，无论转子如何在外来动力下实现转动操作，在转动一圈时，其上各区域在周向动作时都只会存在单个极性的变化过程，举个例子：如果转子的最前端区域处于磁极单元10的N极磁化范围内，此时该区域如何周向转动，由于N极的影响范围笼罩了定子组件的周向方向，此时转子的该区域也就始终处于单极性的磁化状态，也就避免了传统N、S极安置方式上的各极性相异的磁极单元10沿定子周向布置所导致的转子频繁被动磁化现象。

实际工作时，可考虑将所述工作段a外形呈半圆状，定子组件至少包括两个板面彼此平行的半圆形压板11以及布置于两压板11板面间的电磁铁部12，所述电磁铁部12的N、S极布置方向垂直压板11板面布置；所述两压板11沿其弧线方向向其两弧端顺延均布置有顺延部，两顺延部中部固设电磁铁13且两者构成所述预充磁段b；这样，一方面半圆状压板11无论是采用直接切割或其他的整体成型方式，在其两压板11形成装配配合后所构成的定子组件的内壁均都能保证相对于转子外壁的间隙度，也即可精确满足定子组件内壁与转子外壁的同心度要求，从而避免传统的电磁铁与定子的分开制作及后期安装所可能导致的定子与转子间同心度偏差现象，另一方面，无论转子转动圈数如何，此时转子上的指定磁化区域亦仍为单极磁化，也即或为N极——无极性——N极的极性转变，或为S极——无极性——S极的极性转变，如图4-5所示，转子上的同一块磁化区域在其转动一圈时永远只会磁极转变一次，该独特的极性布置方式可极大的减少转子工作时的涡流损耗量及发热量，工作效率可得到极大提高。此外，由于压板11在实际制作时可以一体成型，因此，依靠压板11的半圆状本体以及其顺延部整体固接电磁铁13乃至电磁铁部12，从而形成定子组件的一体式结构，其组装极为简便快捷，具备可实现性。

作为本发明的进一步优选方案：如图2所示，定子组件呈“C”字状对称结构；所述电磁铁部12与电磁铁13外形及构造均吻合设置，所述电磁铁部12为四个且于压板11板体上沿其弧线方向均布；所述电磁铁13为两个且分置于压板11板体两端顺延部处；同时，所述每两个彼此配合的压板11同位于其间的电磁铁部12以及电磁铁13共同构成一组所述磁极单元10；所述磁极单元10为多组且沿定子组件轴向依次布置，各磁极单元10上的两配合压板11间面贴合且该两压板11极性同极设置。上述电磁铁部12乃至电磁铁13与压板间的紧密配合结构，实际上也即将电磁铁部12及电磁铁13上的衔铁与压板11的板体间整体形成了用于供磁力线通过的渠道，由于转子位于压板11内壁处，而各相邻磁极单元10间的两临近压板11为贴合布置，以本发明图2所示的三组磁极单元10为例，此时各压板11的各内壁面也即沿其轴向方向依次形成N极——S极——S极——N极——N极——S极的极性构造，以最终保证其工作有效性；另一方面，由于电磁铁部12及电磁铁13上的衔铁本身构成的即为方便磁力线流过的通道，也即可以视作供水流动的“水渠”而存在，而多大的“水渠”可以流经多少的水，多厚的衔铁自然可以产生相应大的作用力，但是，传统电磁铁往往通过单组单个的电磁铁单元就想达到极大的磁力吸附效果，这显然是错误的，一旦实际使用，不但会因衔铁厚度的无谓增厚而导致定子过厚的状况，同时由于转子与定子的适配性，也就导致转子本身厚度的过厚现象；本发明通过采用分散式设计，也即多排布置多组磁极单元10，从而通过将定子组件沿其轴向方向不断延伸并填置满足指定要求的若干组磁极单元10，从而通过降低衔铁厚度而增加磁极单元10个数的方式来同样达到对于转子的高磁力吸附作用，如想产生多大的磁力，则可相应填设多少组磁极单元10，使用方便而快捷，成效也极为明显；这在如图2中可显然看出转子的厚度变化，最终为转子的转动稳定性和能耗性提供极大保证。此外，电磁铁部及电磁铁的同样结构构造，不但方便实际制作，同时，在组装完成后并对整个定子组件实现系统控制时，其同等构造也方便了系统对于各部分工作部位的可控性。而每组磁极单元10上的多个电磁铁部12的布置方式，则是考虑到如果直接每组外形呈半圆形状的磁极单元10上仅布置一个电磁铁部12，而该电磁铁部12的衔铁所指方向也即其N、S极方向又满足与定子组件轴线同向设置等一系列要求，那么该电磁铁部12的线圈绕制也就必然是难以甚至说是无法实现的；本发明通过多方实验，采用以多个电磁铁线包以直代曲的方式，换句话说，通过一根曲线理论上由无限的直线构成这一理论，通过布置呈正常绕制的多个电磁铁部12来构成呈半圆形状的定子组件，从而减小加工难度；同时，通过其与压板11的压合配合结构，实际使用时压板可以直接外界整体加工完，且线包独立绕制后，再另行模块化组装即可，其结构简单而极为适用，市场前景广阔。

作为本发明的优选方案，本发明还提供了一种用于如前述磁悬浮轴承预充磁结构的控制系统，包括布置于转子下方的用于检测其旋转方向及速度的传感单元20，所述控制系统还包括用于接收传感单元20信息并发出操作信息的逻辑操作单元30，所述预充磁段b包括正向预充磁段及反向预充磁段，各预充磁段上的线圈上均设置用于减少其线圈匝数的线圈短路开关，其逻辑操作单元的操作逻辑如下：

定子组件工作段a正常工作，传感单元20检测转子转速低于或等于设定控制值，逻辑操作单元30控制各预充磁段b上的线圈断路开关均闭合，处于初始状态；

定子组件工作段a正常工作，传感单元20检测转子转速高于设定控制值，且转子为正向旋转，逻辑操作单元30发出信号，控制预充磁段b上的正向预充磁段上线圈断路开关K1断开，正向预充磁段线圈匝数增加，实现正向预充磁工作；

定子组件工作段a正常工作，传感单元20检测转子转速高于设定控制值，且转子为反向旋转，逻辑操作单元30发出信号，控制预充磁段b上的反向预充磁段上线圈断路开关K2断开，反向预充磁段线圈匝数增加，实现反向预充磁工作。

通过设置控制系统，通过根据转子的旋转速度和方向改变预充磁段b内电磁铁的线圈数目，从而实现基于前述预充磁结构的控制目的；在转子转速低于需要控制的值(也即根据现场目的设定的转速参考值)时，此时控制系统内的逻辑操作单元30控制预充磁段b不工作；当转子转速相应超过需要控制的值时，此时逻辑操作单元30执行操作，并根据此时传感单元20传来的转子处于正向还是反向转动，来相应控制定子组件上的位于转子进入端的正向预充磁段或反向预充磁段来实现转子进入定子组件前的人为预充磁操作，最终有效实现基于磁悬浮轴承的预充磁目的，其工作稳定可靠；该系统中的各线圈短路开关均需逻辑操作单元单独进行控制，具体如图3所示。

进一步的，所述传感单元20为传感器，所述传感单元20为两个且互为对称的布置于转子下方处。

本发明实际使用时，采用各组磁极单元10上的最上部的两个电磁铁部12来实现转子的稳定悬浮，这两组电磁铁部12产生的竖直方向的合力用于抵消转子的重力，而位于其两斜上侧对称布置的两个电磁铁部12彼此产生的侧向分力相互平衡，确保转子的侧向稳定性，同时，位于其两斜下侧对称布置的两个电磁铁13则在初始状态时仅以很小的力牵制悬浮转子，而再根据现场实际转子转速及转向，依靠逻辑操作单元30控制而通过增加及降低其内线圈匝数来实现基于转子的预充磁效果，其整体工作可靠稳定而效率高。

Claims (8)

1.一种磁悬浮轴承预充磁结构，包括转子以及与之适配的定子组件，两者间构成悬浮配合关系；所述定子组件包括位于其上的用于形成转子悬浮动力的磁极单元(10)，其特征在于：所述定子组件上设置用于执行转子悬浮操作的工作段(a)以及执行转子预充磁操作的预充磁段(b)，工作段(a)外形呈开环式的圆弧体状，所述预充磁段(b)分置于定子组件工作段(a)上的两弧面周向端面的至少一端处设置，所述预充磁段(b)与工作段(a)磁极方向同向且共同构成所述磁极单元(10)。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承预充磁结构，其特征在于：所述磁极单元(10)的N、S极布置方向与定子组件轴长方向同向设置。

3.根据权利要求2所述的磁悬浮轴承预充磁结构，其特征在于：所述预充磁段(b)为两个且分置于定子组件工作段(a)上的两弧面周向端面处设置。

4.根据权利要求1或2或3所述的磁悬浮轴承预充磁结构，其特征在于：所述工作段(a)外形呈半圆状，定子组件至少包括两个板面彼此平行的半圆形压板(11)以及布置于两压板(11)板面间的电磁铁部(12)，所述电磁铁部(12)的N、S极布置方向垂直压板(11)板面布置；所述两压板(11)沿其弧线方向向其两弧端顺延均布置有顺延部，两顺延部中部固设电磁铁(13)且两者构成所述预充磁段(b)。

5.根据权利要求4所述的磁悬浮轴承预充磁结构，其特征在于：定子组件呈“C”字状对称结构；所述电磁铁部(12)与电磁铁(13)外形及构造均吻合设置，所述电磁铁部(12)为四个且于压板(11)板体上沿其弧线方向均布；所述电磁铁(13)为两个且分置于压板(11)板体两端顺延部处。

6.根据权利要求5所述的磁悬浮轴承预充磁结构，其特征在于：所述每两个彼此配合的压板(11)同位于其间的电磁铁部(12)以及电磁铁(13)共同构成一组所述磁极单元(10)；所述磁极单元(10)为多组且沿定子组件轴向依次布置，各磁极单元(10)上的两配合压板(11)间面贴合且该两压板(11)极性同极设置。

7.一种用于如权利要求1所述磁悬浮轴承预充磁结构的控制系统，其特征在于：包括布置于转子下方的用于检测其旋转方向及速度的传感单元(20)，所述控制系统还包括用于接收传感单元(20)信息并发出操作信息的逻辑操作单元(30)，所述预充磁段(b)包括正向预充磁段及反向预充磁段，各预充磁段上的线圈上均设置用于减少其线圈匝数的线圈短路开关，其逻辑操作单元的操作逻辑如下：

定子组件工作段(a)正常工作，传感单元(20)检测转子转速低于或等于设定控制值，逻辑操作单元(30)控制各预充磁段(b)上的线圈断路开关均闭合，处于初始状态；

定子组件工作段(a)正常工作，传感单元(20)检测转子转速高于设定控制值，且转子为正向旋转，逻辑操作单元(30)发出信号，控制预充磁段(b)上的正向预充磁段上线圈断路开关断开，正向预充磁段线圈匝数增加，实现正向预充磁工作；

定子组件工作段(a)正常工作，传感单元(20)检测转子转速高于设定控制值，且转子为反向旋转，逻辑操作单元(30)发出信号，控制预充磁段(b)上的反向预充磁段上线圈断路开关断开，正向预充磁段线圈匝数增加，实现反向预充磁工作。

8.根据权利要求7所述的磁悬浮轴承预充磁结构的控制系统，其特征在于：所述传感单元(20)为传感器，所述传感单元(20)为两个且互为对称的布置于转子下方处。