CN104989727A - 一种组合式五自由度电磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种组合式五自由度电磁轴承，有转子（1）和定子（2）。其特征在于，转子（1）包括转子筒（11）和导磁环（12），导磁环（12）为二个，对称套置在转子筒（11）两端；定子（2）包括定子框（21）、径向衔铁（22）和轴向衔铁（23），其中径向衔铁（22）和轴向衔铁（23）各为二组，分别呈辐射状均匀分布于定子框（21）两端。该轴承采用分散式径向衔铁和轴向衔铁，有利于减小磁轴承体积和质量；径向衔铁和轴向衔铁共用导磁环，使导磁环磁极面得到充分利用，进一步减小了磁轴承体积和质量，对转子绕径向两轴的转动，支承系统可选用不同的控制方案。

Description

一种组合式五自由度电磁轴承

技术领域

本发明属于机电工程技术领域，涉及一种内转子型组合式五自由度电磁轴承。该轴承可作为旋转部件的无接触支撑，尤其可作为惯性稳定平台的内部支承机构。

背景技术

磁轴承，按磁力提供方式，可分为被动磁轴承、混合磁轴承和主动磁轴承三种。其中被动磁轴承为不稳定系统，需与其它轴承配合使用；混合磁轴承将永磁偏置与电磁控制相结合，可减少控制电流，降低功耗，但对尺寸和承载力较大的轴承，因偏心状态下永磁体吸力大导致组装困难；而主动磁轴承的磁场单靠电磁线圈产生，磁路简单，非工作状态无电磁吸力，便于组装，所以比较适合惯性稳定平台这种的机械系统。然而，已知的电磁轴承定子其定子衔铁通常为一体结构，其径向衔铁与轴向衔铁分别各自形成一个完整的定子圆环，且径向衔铁与轴向衔铁分别对应各自的导磁环，通常采用一对径向两自由度磁轴承加一个轴向推力磁轴承的组合形式作为被悬浮对象的五自由度支承系统，其中轴向推力磁轴承控制转子的轴向平动运动，一对径向两自由度磁轴承控制转子沿径向两轴的平动及绕径向两轴的转动。当被悬浮对象的径向尺寸较大而径向力要求较小时，径向衔铁磁极面积总和远远小于导磁环对应磁极面积，导磁环不能被充分利用，且定子径向磁极之间用于结构连接而非形成磁路的铁心长度显著增加。随着被悬浮对象径向尺寸增加，上述电磁轴承的体积和质量亦显著增大。对惯性稳定平台这种在体积上和质量上均要求苛刻的场合都是极为不利的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的缺陷，提供一种组合式五自由度电磁轴承，该轴承系一种包含分散径向电磁衔铁和分散轴向电磁衔铁的内转子型组合式电磁轴承，应质量轻、结构紧凑、组装方便且适用多种控制方案。

本发明的技术方案是：一种组合式五自由度电磁轴承，参见附图1，具有环状转子1和同轴线套置于转子1上的环状定子2。其技术特点在于，所述转子1包括有转子筒11和导磁环12，其中所述导磁环12为二个，该二个导磁环12对称套置在所述转子筒11的轴向两端；而所述定子2包括有定子框21、径向衔铁22和轴向衔铁23，其中所述径向衔铁22为八个，所述轴向衔铁23为八个。所述八个径向衔铁22分为二组，每组径向衔铁22为四个。该二组各四个径向衔铁22分别对称地呈辐射状均匀分布于所述定子框21的轴向两端。参见附图2，该径向衔铁22具有呈弧形条状的径向铁心221，该径向衔铁22即依托该径向铁心221轴向叠置于定子框21上。该径向铁心221径向内侧分布有三个径向磁极223。该三个径向磁极223上分别套装一个径向线圈222，该三个径向线圈222的匝数相同且该三个径向线圈222之间串联贯通。而所述三个径向磁极223内侧端头伸向上述转子导磁环12环面并与该转子导磁环12的径向外侧环面之间间隔有可形成工作气隙的径向间隙。这样，当转子1处于平衡位置时各径向工作气隙宽度相等。

此外，所述定子2还具有八个轴向衔铁23，所述八个轴向衔铁23分为二组，每组轴向衔铁23为四个。该二组各四个轴向衔铁23分别对称地呈辐射状均匀分布于所述定子框21的轴向两端。所述轴向衔铁23与所述径向衔铁22沿所述定子框21周边两两间隔设置在该定子框21上。

参见附图3，所述轴向衔铁23亦具有呈弧形条状的轴向铁心231，轴向衔铁23即依托该轴向铁心231叠置于定子框21上。该轴向铁心231径向内侧分布有三个径向呈“L”字形的轴向磁极233。该三个轴向磁极233上分别缠绕有一个轴向线圈232，该三个轴向线圈232的匝数相同且该三个轴向线圈232之间串联贯通。该三个轴向磁极233内侧端头伸向上述转子导磁环12的轴向内侧端面并与该转子导磁环12之间间隔有可形成工作气隙的轴向间隙。这样，当转子1处于平衡位置时各轴向工作气隙宽度相等。

本发明的工作原理是：参见图1，当转子1处于平衡位置时，各径向工作气隙宽度相等，各径向线圈222中的电流大小相等，转子1所受径向合力为零。假设转子1受载荷或干扰力作用产生+X向的微小平动位移时，+X径向工作气隙宽度减小，+X向的二个径向衔铁22吸力增加，相反，-X向的二个径向衔铁22吸力减小，转子1受到+X向合力继续向+X向移动。为了抑制这种不平衡，通过控制系统使+X向的径向线圈222中电流减小，-X向的径向线圈222中电流增大，从而产生-X向合力把转子1拉回平衡位置。当转子1有Y向平动位移时，工作原理一致。当转子1有+Z向平动位移时，+Z向的四个轴向衔铁23吸力增加，相反，-Z向的四个轴向衔铁23吸力减小，转子1受到+Z向合力继续向+Z向移动。为了抑制这种不平衡，通过控制系统使+Z向的轴向线圈232中电流减小，-Z向的轴向线圈232中电流增大，从而产生-Z向合力把转子1拉回平衡位置。

而当转子1有绕径向两轴即X轴和Y轴的转动角位移时，本发明的技术方案可采用两种不同的控制方式使转子1回到平衡位置。一种方式是通过控制径向线圈222中的电流产生相应的合力矩将转子1拉回平衡位置。另一种方式是通过控制轴向线圈232中的电流产生相应的合力矩将转子1拉回平衡位置。

本发明的有益之处在于：与现有技术相比，采用分散式的径向衔铁和轴向衔铁，有利于减小磁轴承体积和质量；径向衔铁和轴向衔铁共用导磁环，使导磁环磁极面得到充分利用，进一步减小了磁轴承体积和质量，对转子绕径向两轴的转动，支承系统可选择采用两种不同的控制方案。

附图说明

图1为本发明一种组合式五自由度电磁轴承一个具体实施例的结构示意图；

图2为图1所示径向衔铁的结构示意图；

图3为图1所示轴向衔铁的结构示意图。

以上图1～3中所示标记为：

1-转子，

11-转子筒，

12-导磁环，

2-定子，

21-定子框，

22-径向衔铁，

221-径向铁心，

222-径向线圈，

223-径向磁极，

23-轴向衔铁，

231-轴向铁心，

232-轴向线圈，

233-轴向磁极。

具体实施方式

参见附图1，本发明一种组合式五自由度电磁轴承的该实施例，具有环状转子1和同轴线套置于转子1上的环状定子2。其中转子1包括有转子筒11和导磁环12，导磁环12材质为市售导磁性能良好的软磁材料10#钢。转子筒11则取材非导磁高强轻质合金。导磁环12为二个，二个导磁环12对称套置在转子筒11的轴向两端。

定子2包括定子框21、径向衔铁22和轴向衔铁23，其中径向衔铁22为八个，轴向衔铁23为八个。八个径向衔铁22分为二组，每组径向衔铁22为四个。该二组各四个径向衔铁22分别对称地呈辐射状均匀分布于定子框21的轴向两端。参见附图2，径向衔铁22具有呈弧形条状的径向铁心221，径向衔铁22依托径向铁心221通过不导磁螺栓轴向固定叠置于定子框21上。径向铁心221径向内侧呈“E”字形分布三个径向磁极223，其中位于中间的径向磁极223的磁极截面积是位于两侧的径向磁极223的磁极截面积的二倍。三个径向磁极223上分别套装一个径向线圈222，该三个径向线圈222均采用市售导电性能良好的聚氨酯漆包铜线绕制后浸漆烘干而成，匝数相同，均为110～140匝。该三个径向线圈222之间串联贯通。而三个径向磁极223内侧端头伸向上述转子导磁环12的径向外侧环面并与该转子导磁环12的径向外侧环面之间间隔有可形成工作气隙的径向间隙。

定子2还具有八个轴向衔铁23。八个轴向衔铁23分为二组，每组轴向衔铁23为四个。该二组各四个轴向衔铁23分别对称地呈辐射状均匀分布于所述定子框21的轴向两端。所述轴向衔铁23与所述径向衔铁22沿所述定子框21周边，通过不导磁螺栓两两间隔固定设置在定子框21上，相邻的轴向衔铁23与径向衔铁22之间的中心夹角为45°。

参见附图3，所述轴向衔铁23亦具有呈弧形条状的轴向铁心231，轴向衔铁23即依托该轴向铁心231通过不导磁螺栓轴向固定叠置于定子框21上。该轴向铁心231径向内侧呈“E”字形分布三个径向呈“L”字形的轴向磁极233。其中位于中间的轴向磁极233的磁极截面积是位于两侧的轴向磁极233的磁极截面积的二倍。该三个轴向磁极233上分别缠绕有一个轴向线圈232，该三个轴向线圈232均采用市售导电性能良好的聚氨酯漆包铜线绕制后浸漆烘干而成，匝数相同，均为110～140匝。且该三个轴向线圈232之间串联贯通。该三个轴向磁极233内侧端头伸向上述转子导磁环12的轴向内侧端面并与该转子导磁环12之间间隔有可形成工作气隙的轴向间隙。

为避免磁路耦合，使上述导磁环12上的轴向衔铁23和径向衔铁22的磁路保持一致，即各轴向衔铁23和各径向衔铁22均分别由中间磁极经导磁环12进入两边磁极，或均分别由两边磁极经导磁环12进入中间磁极。

Claims (1)

1.一种组合式五自由度电磁轴承，具有环状转子（1）和同轴线套置于转子（1）上的环状定子（2），其特征在于，所述转子（1）包括有转子筒（11）和导磁环（12），其中所述导磁环（12）为二个，该二个导磁环（12）对称套置在所述转子筒（11）的轴向两端；而所述定子（2）包括有定子框（21）、径向衔铁（22）和轴向衔铁（23），其中所述径向衔铁（22）为八个，所述轴向衔铁（23）为八个，所述八个径向衔铁（22）分为二组，每组径向衔铁（22）为四个，该二组各四个径向衔铁（22）分别对称地呈辐射状均匀分布于所述定子框（21）的轴向两端，该径向衔铁（22）具有呈弧形条状的径向铁心（221），该径向衔铁（22）即依托该径向铁心（221）轴向叠置于定子框（21）上，该径向铁心（221）径向内侧分布有三个径向磁极（223），该三个径向磁极（223）上分别套装一个径向线圈（222），该三个径向线圈（222）的匝数相同且该三个径向线圈（222）之间串联贯通，而所述三个径向磁极（223）内侧端头伸向上述转子导磁环（12）环面并与该转子导磁环（12）的径向外侧环面之间间隔有可形成工作气隙的径向间隙，此外，所述定子（2）还具有八个轴向衔铁（23），所述八个轴向衔铁（23）分为二组，每组轴向衔铁（23）为四个，该二组各四个轴向衔铁（23）分别对称地呈辐射状均匀分布于所述定子框（21）的轴向两端，所述轴向衔铁（23）与所述径向衔铁（22）沿所述定子框（21）周边两两间隔设置在该定子框（21）上，所述轴向衔铁（23）亦具有呈弧形条状的轴向铁心（231），轴向衔铁（23）即依托该轴向铁心（231）叠置于定子框（21）上，该轴向铁心（231）径向内侧分布有三个径向呈“L”字形的轴向磁极（233），该三个轴向磁极（233）上分别缠绕有一个轴向线圈（232），该三个轴向线圈（232）的匝数相同且该三个轴向线圈（232）之间串联贯通，该三个轴向磁极（233）内侧端头伸向上述转子导磁环（12）的轴向内侧端面并与该转子导磁环（12）之间间隔有可形成工作气隙的轴向间隙。