CN104533946B - 一种由轴向磁轴承实现转子五自由度悬浮结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由轴向磁轴承实现转子五自由度悬浮结构，包括磁悬浮转子，沿磁悬浮转子的轴向两端分别设置用于提供转子轴向和径向悬浮力轴向磁轴承，所述转子轴向两端的轴向磁轴承成对称分布；在转子轴向或者径向两端分别设置轴向位移传感器，轴向位移传感器与控制器连接，控制器分别通过功率放大器与磁悬浮转子轴向两端的轴向磁轴承连接。本发明有益效果：将磁悬浮系统主动控制自由度降低到最低，省去了多余主动自由度控制所需的控制器、功率放大器、电磁线圈等部件，简化了五自由度磁悬浮轴承支撑结构。

Description

一种由轴向磁轴承实现转子五自由度悬浮结构

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮结构，特别涉及一种由轴向磁轴承实现转子五自由度悬浮结构。

背景技术

磁悬浮轴承又简称为磁轴承，是利用定子和转子之间的磁力相互作用，支承转子悬浮于空间的一种机电装置。由于转子与定子之间不存在机械接触，所以磁悬浮轴承的转子可达到很高的转速，并且具有无机械磨损、功耗低、噪音小、寿命长、无需润滑等优点，特别适合高速、真空、超洁净和核电等特殊的应用场合。

磁悬浮轴承系统要实现对转子的无接触支撑，需要对其在空间的五个自由度进行控制。传统的磁悬浮结构利用两组径向电磁轴承和一组轴向电磁轴承来实现转子空间的五自由度悬浮。每一组径向磁悬浮轴承控制转子径向的两个平动自由度，轴向磁悬浮轴承控制转子轴向的平动自由度。这种磁悬浮结构目前被广泛应用于精密机械加工、航空航天、天然气输运、核电等行业。该结构有两个缺点，一是因为每组磁轴承都需要相应传感器、功率放大器、控制部分等，因此该种结构复杂，功耗高。另外一个缺点是，由于径向轴承与径向电机并排放置，增加了转子的轴向长度，因而带来的系统体积增大，同时转子挠性增强，给系统的稳定性和控制带来了难度，因而在磁悬浮人工心脏泵等领域应用受到限制。

现有的五自由度磁悬浮支撑技术是利用永磁轴承、电磁轴承或混合磁轴承在五个自由度上分别布置，分别控制转子在五个自由度上的位置。其常见结构如下：

(1)径向与轴向均使用电磁轴承(或混合磁轴承)结构，这种结构中五个自由度均需要配置相应的位移传感器、功率放大器、控制器等硬件，除了增加空间和重量，还会增加系统的功耗使用永磁轴承会占用空间，增加重量。

(2)径向永磁轴承和轴向电磁轴承(或混合磁轴承)结构，这种结构因为使用了径向永磁轴承，因此省去了径向的位移传感器和控制硬件，但是仍然需要径向轴承支撑才能实现径向悬浮。

(3)径向电磁轴承(或混合磁轴承)，省去了轴向磁轴承，但需要控制径向4个平动自由度，需要对应的四套位移传感器、功率放大器、控制器等硬件。以上结构的特点是虽然将主动自由度降低，但径向结构仍比较复杂，另外每个自由度的主动磁轴承均对各自自由度进行调控，不能够实现单一自由度磁轴承对多自由度悬浮进行调控。

综上所述，以上磁悬浮结构都未将主动控制自由度降为最低(1个)，从而在空间体积与系统功耗方面未做到最优。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述技术问题，提供了一种由轴向磁轴承实现转子五自由度悬浮结构，利用轴向一个自由度布置的磁轴承，实现了转子在五个自由度上的悬浮，简化了五自由度磁悬浮结构，节省了磁悬浮支撑结构的体积、功耗，为微型化、低功耗特殊环境中磁悬浮的应用提供了解决方案。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种由轴向磁轴承实现转子五自由度悬浮结构，包括磁悬浮转子，沿所述磁悬浮转子的轴向两端分别设置用于提供转子轴向悬浮力与径向悬浮力的轴向磁轴承，所述转子轴向两端的轴向磁轴承成对称分布；在所述转子轴向或者径向分别设置轴向位移传感器，所述轴向位移传感器与控制器连接，所述控制器分别通过功率放大器与磁悬浮转子轴向两端轴向磁轴承的线圈连接。

所述控制器通过功率放大器控制两侧轴向磁轴承中的电流，从而控制两侧轴向磁轴承与转子之间气隙处的磁通，产生轴向恢复力，使转子在轴向保持主动的稳定悬浮；

当转子发生某一径向位移时，轴向磁轴承与转子之间的电磁力将产生径向分力，所述径向分力方向与转子径向位移方向相反，指向轴心，所述径向分力使转子回到径向平衡位置，从而保持转子的径向悬浮；

当转子沿径向轴发生微小角偏移时，所述两侧轴向磁轴承的径向分力产生一个恢复力矩，使转子回到平衡位置。

所述轴向磁轴承为电磁轴承，所述电磁轴承包括定子铁心和电磁线圈，定子铁心内侧为圆柱形磁极，线圈绕制在内外侧磁极之间。

所述转子包括：两侧磁极以及中间连接部件，其中两侧磁极内侧为圆柱形，外侧为筒状，与轴向磁轴承的磁极对应，中间连接部件为非导磁材料，用于连接两侧磁极形成一体。

所述轴向位移传感器设置在转子径向时，转子上布置用于提供传感器信号源的永磁环，永磁环采用轴向充磁，永磁环位置与传感器处于同一轴向位置。

如果转子径向选择被动悬浮，则不需要安装径向位移传感器；

如果转子径向需要主动控制，则需要在转子径向安装用于测量转子径向位移的径向位移传感器，径向位移传感器共有四个，布置在转子外侧，分为两组，每组两个传感器成90度垂直安装，对径向位移进行检测，所述径向位移传感器分别与控制器连接。

本发明有益效果：

1)将磁悬浮系统主动控制自由度降低到最低，省去了多余主动自由度控制所需的控制器、功率放大器、电磁线圈等部件，简化了五自由度磁悬浮轴承支撑结构。

2)利用轴向磁轴承的径向力，作为转子径向悬浮力，从而省去了径向磁轴承。

3)本发明的五自由度磁轴承系统，径向可以不施加主动控制，通过轴向磁轴承的径向力实现转子的径向被动悬浮。

4)本发明的五自由度磁轴承系统，可以在径向添加径向位移传感器，通过改变轴向磁轴承中的电流，对转子的径向和轴向同时实施主动控制。实现轴向与径向的同时主动控制。

附图说明

图1为轴向电磁磁轴承实现转子五自由度悬浮结构图；

图2(a)为轴向磁轴承实现转子五自由度悬浮系统轴向悬浮示意图；

图2(b)为轴向磁轴承实现转子五自由度悬浮系统径向悬浮示意图；

图2(c)为轴向磁轴承实现转子五自由度悬浮系统沿径向轴转动悬浮示意图；

图3为本发明轴向磁轴承实现五自由度悬浮系统示意图；

图4为本发明轴向位移传感器沿轴向布置结构示意图；

图5为本发明轴向位移传感器沿径向布置结构示意图；

图6为本发明径向位移传感器布置结构径向剖面示意图；

图7为本发明径向位移传感器布置结构轴向剖面示意图。

其中，1.定子铁心,2.转子铁心,3.转子,4.线圈,5.轴向位移传感器，6.径向位移传感器，7.控制器，8.功率放大器，9.永磁环。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明轴向磁轴承实现五自由度悬浮结构示意图如图1和图3所示，包括轴向两端布置的轴向磁轴承、转子3、轴向位移传感器5和径向位移传感器6、控制器7和功率放大器8。具体每部分组成如下：

两侧的轴向磁轴承可以为电磁轴承，电磁轴承由定子铁心1和绕在其中的电磁线圈4组成，定子铁心1内侧为圆柱形磁极，线圈4绕制在内外侧磁极之间。

转子3包括两侧磁极以及中间连接部件，其中两侧磁极内侧为圆柱形，外侧为筒状，与轴向磁轴承的磁极对应，中间连接部件为非导磁材料，用于连接两侧磁极形成一体,在两转子磁极间加入电机转子磁铁，用以带动转子转动。

轴向位移传感器5用于实时测量转子的轴向位移，并将轴向位移信号输入到控制器内。轴向位移传感器5可以放置于转子3轴向，如图4所示，两个轴向位移传感器5置于转子3轴向两端，测量转子3轴向位移并进行差分后，输入控制器7。传感器可以是电涡流位移传感器、电感位移传感器、霍尔位移传感器等，但不限于以上这些。

轴向位移传感器5也可放置于转子3径向，如图5所示，转子3上要布置一永磁环9，永磁环9采用轴向充磁，永磁环9位置与传感器处于同一轴向位置，用于传感器的信号源，传感器为霍尔位移传感器，通过检测磁场变化得到转子轴向位移信号，输入控制器7。

径向位移传感器6可按照需要安装，如果径向选择被动悬浮，则不需要安装位移传感器；如果径向需要主动控制，则需要在径向安装径向位移传感器6，如图6和图7所示，径向位移传感器6共有四个，布置在转子外侧，分为两组，每组两个传感器成90度垂直安装，对径向位移进行检测，径向位移传感器分别与控制器连接，可以是电涡流位移传感器、电感位移传感器、霍尔位移传感器等，但不限于以上这些。

控制器7作用是根据输入的位移信号，通过预先设定的控制策略，进行运算，输出控制信号。

功率放大器8作用是将控制信号转化为电流，输入到磁轴承中，从而控制磁轴承的承载力、刚度、阻尼等悬浮特性。

本发明的悬浮系统结构由两侧的定子部分和中间的转子部分组成，两侧成对称分布。磁路经过定子铁心1、气隙、转子铁心2形成磁通回路。线圈4置于定子铁心1中，通电后通过定转子铁心2，形成电磁磁通回路，通过气隙磁场，提供转子所需轴向和径向悬浮力。

该系统轴向主动悬浮的工作原理与传统磁单自由度悬浮系统原理相同，通过位移传感器检测转子相对于参考位置的轴向偏移，控制器7通过功率放大器8控制两侧磁轴承中的电流，从而控制两侧气隙处的磁通，产生轴向恢复力，使转子3在轴向保持主动的稳定悬浮。

系统轴向悬浮的原理如图2(a)所示，当转子轴向偏离平衡位置时，传感器检测到转子3轴向位移，主动的闭环控制系统在电磁线圈上产生相应控制电流，改变转子两侧气隙中的磁通，从而产生与位移相反方向的轴向电磁力，将转子3拉回平衡位置。

转子3径向悬浮原理如图2(b)所示，当转子3发生某一径向位移Δr时，气隙处磁通与轴向有一定夹角，定转子之间径向力方向与径向位移方向相反，指向轴心，径向力使转子3回到径向平衡位置，从而保持转子3的径向悬浮。

系统沿径向轴转动悬浮的原理如图2(c)所示，当转子3沿径向轴发生微小角偏移Δθ时，两侧轴向磁轴承的径向力会产生一个恢复力矩Tr，使转子3回到平衡位置。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (1)

1.一种由轴向磁轴承实现转子五自由度悬浮结构，其特征是，包括磁悬浮转子，沿所述磁悬浮转子的轴向两端分别设置用于提供转子轴向悬浮力与径向悬浮力的轴向磁轴承，所述转子轴向两端的轴向磁轴承成对称分布；

在所述转子轴向两端设置轴向位移传感器，两个轴向位移传感器置于转子轴向两端，测量转子轴向位移并进行差分后，输入控制器；

所述轴向位移传感器与控制器连接，所述控制器分别通过功率放大器与磁悬浮转子轴向两端轴向磁轴承的线圈连接；所述轴向磁轴承为电磁轴承，所述电磁轴承包括定子铁心和电磁线圈，定子铁心内侧为圆柱形磁极，线圈绕制在内外侧磁极之间；

在转子径向安装径向位移传感器，径向位移传感器共有四个，布置在转子外侧，分为两组，每组两个传感器成90度垂直安装，一组对径向位移进行检测，另一组对轴向位移进行检测；所述径向位移传感器分别与控制器连接；

所述控制器通过功率放大器控制两侧轴向磁轴承中的电流，从而控制两侧轴向磁轴承与转子之间气隙处的磁通，产生轴向恢复力，使转子在轴向保持主动的稳定悬浮；

当转子发生某一径向位移时，轴向磁轴承与转子之间的电磁力将产生径向分力，所述径向分力方向与转子径向位移方向相反，指向轴心，所述径向分力使转子回到径向平衡位置，从而保持转子的径向悬浮；

当转子沿径向轴发生微小角偏移时，所述两侧轴向磁轴承的径向分力产生一个恢复力矩，使转子回到平衡位置；

控制器通过改变轴向磁轴承中的电流，对转子的径向和轴向同时实施主动控制，实现轴向与径向的同时主动控制。