CN106224377A - 一种磁悬浮轴承 - Google Patents

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    • F16C32/041—Passive magnetic bearings with permanent magnets on one part attracting the other part
    • F16C32/0412—Passive magnetic bearings with permanent magnets on one part attracting the other part for radial load mainly

Abstract

本发明涉及磁悬浮技术领域，特别涉及一种磁悬浮轴承。该磁悬浮轴承，包括主轴以及驱动控制系统，其特征在于：主轴上设有两个对称的保护轴承，该轴承之间设有对称的两个径向永磁轴承；所述径向永磁轴承之间设有对称的两个轴向永磁轴承，该轴向永磁轴承之间设有推动盘；所述径向永磁轴承与轴向永磁轴承之间设有偏心轴。本发明解决了磁悬浮在低速压缩机应用问题以及磁力计算以及永磁体的尺寸设计，从而克服了机械轴承噪音大、耗能高，润滑系统增加耗能等缺点；研究并设计了新型无油家用空调压缩机，使得空调耗能减少，使用寿命增长。因此，本发明可有效地利用磁悬浮技术，达到节约电能、保护环境、提高空调耐久性的目的。

Description

一种磁悬浮轴承
（一）技术领域
本发明涉及磁悬浮技术领域，特别涉及一种磁悬浮轴承。
（二）背景技术
目前，随着人民生活水平的提高，家用空调的使用量越来越大，耗能巨大，且目前的磁悬浮技术只应用于离心式压缩机等高速机，针对家用涡旋式压缩机这种低速机还没有应用，在传统的制冷压缩机中，机械轴承是必需的部件，并且需要有润滑油以及润滑油循环系统来保证机械轴承的工作。在所有烧毁的压缩机中，实际上有90%是由于润滑的失效而引起的。
（三）发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种磁悬浮轴承。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种磁悬浮轴承，包括主轴以及驱动控制系统，其特征在于：主轴上设有两个对称的保护轴承，该轴承之间设有对称的两个径向永磁轴承；所述径向永磁轴承之间设有对称的两个轴向永磁轴承，该轴向永磁轴承之间设有推动盘；所述径向永磁轴承与轴向永磁轴承之间设有偏心轴。
上述径向永磁轴承包括永磁内环和永磁外环；所述两个径向永磁轴承用于实现电动机主轴在径向的稳定悬浮；径向永磁轴承利用磁环间产生的永磁力来悬浮主轴，它具有一定的稳定特性，无需控制系统。
上述轴向永磁轴承轴向电磁轴承通过轴承定子中的线圈产生磁场，将推力盘悬浮在平衡位置，限制主轴轴向方向自由度。
上述保护轴承为机械轴承；所述保护轴承与主轴之间的气隙小于径向永磁轴承与主轴之间的气隙。
磁悬浮轴承的驱动控制系统，包括用于检测轴向位置的电涡流位移传感器，该电涡流位移传感器将信号通过A/D转换器装换后发送给单片机；所述单片机经运算后通过D/A转换器和功率放大器控制轴向电磁轴承内线圈中的电流。所述单片机采用的算法为FPGA算法。
一种滚动转子无油压缩机，包括所述的磁悬浮轴承。
本发明中分置的两个径向磁轴承、轴向磁轴承均对主轴产生电磁力作用，其中轴向磁轴承用于实现主轴在轴向的稳定悬浮，两个径向磁轴承用于实现主轴在径向的稳定悬浮。主轴两端装有保护轴承，用于主轴系统失控或者突然断电时，起临时支承旋转的主轴的保护作用。
主轴轴向和径向的位置精度靠电涡流位移传感器保证，实现稳定悬浮的主轴在定子的带动下平稳运行。FPGA控制算法使用增量式离散FPGA算法，在STM32F103单片机这一硬件平台上实现。增量式离散FPGA算法相比于位置式离散FPGA算法，具有累积误差小、误动作影响较小的特点，因此稳定性高于位置式FPGA算法。
a.轴向位置的检测
轴向位置的检测使用电涡流位移传感器，其基于电磁感应原理，可以精确地测量出轴在轴向方向上的位移。由于其输出量是模拟量，而单片机等处理器只能识别数字量，因此还需要经过模拟-数字转换（A/D转换），才能输入处理器。
b. 控制方法及处理器
控制算法采用经典的FPGA算法，利用FPGA控制方法，可将轴在轴向方向位置精确地控制在给定位置。
电涡流位移传感器输出的与轴在轴向方向上呈线性关系的电压模拟量，通过A/D转换后，转换成为数字量，输入到处理器中，处理器对其与给定值作差得到误差量，进行FPGA运算，得到控制量，经过数字-模拟转换（D/A转换）后，转换成为模拟量，输入到功率放大器中，由功率放大器控制线圈中的电流，对磁场进行控制以改变轴在轴向方向上的位置。
目前我国大型公共建筑中空调主机能耗占空调系统的总能耗的25%-40%，而空调能耗在建筑能耗中占比达到一半。根据预测，至2020年我国还要建设大约100亿平方米的公共建筑。假定平均每年建设6-7亿平方米，其中20%采用磁悬浮变频离心式冷水机组，那么与现在的建筑能耗相比，每年可节省的电能总计为18亿度，综合经济效益可节约资金16亿元，新增产值83亿元。而如果将现有15%建筑的空调主机改造为磁悬浮变频冷水机组，那么可以节约电能14亿度，综合经济效益可节约资金13亿元，新增产值64亿元以上。
本发明的有益效果是：本发明解决了磁悬浮在低速压缩机应用问题以及磁力计算以及永磁体的尺寸设计，从而克服了机械轴承噪音大、耗能高，润滑系统增加耗能等缺点；研究并设计了新型无油家用空调压缩机，使得空调耗能减少，使用寿命增长。因此，本发明可有效地利用磁悬浮技术，达到节约电能、保护环境、提高空调耐久性的目的。
（四）附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的径向永磁轴承结构示意图。
图3为本发明的轴向永磁轴承结构示意图。
图4为本发明的驱动控制系统示意图。
图中，主轴1，保护轴承2，径向永磁轴承3，轴向永磁轴承4，推动盘5，偏心轴6，永磁内环7，永磁外环8，电涡流位移传感器9。
（五）具体实施方式
实施例1
包括主轴1以及驱动控制系统，主轴1上设有两个对称的保护轴承2，该保护轴承2之间设有对称的两个径向永磁轴承3；所述径向永磁轴承3之间设有对称的两个轴向永磁轴承4，该轴向永磁轴承4之间设有推动盘5；所述径向永磁轴承3与轴向永磁轴承4之间设有偏心轴6。
上述径向永磁轴承3包括永磁内环7和永磁外环8；所述两个径向永磁轴承3用于实现电动机主轴1在径向的稳定悬浮；径向永磁轴承利用磁环间产生的永磁力来悬浮主轴1，它具有一定的稳定特性，无需控制系统。
上述轴向永磁轴承轴4向电磁轴承通过轴承定子中的线圈产生磁场，将推力盘悬浮在平衡位置，限制主轴轴向方向自由度。
上述保护轴承2为机械轴承；所述保护轴承2与主轴1之间的气隙小于径向永磁轴承3与主轴1之间的气隙。
实施例2
主轴参数计算：
考虑轴颈值并保证转子轴肩处的壁厚，
实施例3：
实际承受最大力
实施例4：
根据Earnshaw定理，单单使用永磁体是无法实现稳定的磁悬浮的。因此在实际的被动磁悬浮轴承中，除了使用永磁体，还必须使用磁场大小可控的电磁线圈，并通过一定的方式检测轴的位置进行闭环控制，才能实现真正意义上的磁悬浮。本装置中，径向磁轴承采用轴向充磁的环形永磁体，而在轴向方向上则使用电磁轴承以稳定轴在轴向方向上的位置。本装置通过电涡流位移传感器对主轴轴向位置进行检测，传输到处理器后，处理器对转子当前位置与给定位置进行比较作差，经过FPGA运算后，输出控制信号给功率放大电路，由功率放大电路根据处理器输出的信号，以差动控制的方式驱动一对线圈中的两个线圈，进而改变施加与轴上的力，以稳定轴在轴向方向上的位置。
上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种磁悬浮轴承，包括主轴以及驱动控制系统，其特征在于：主轴上设有两个对称的保护轴承，该保护轴承之间设有对称的两个径向永磁轴承；所述径向永磁轴承之间设有对称的两个轴向永磁轴承，该轴向永磁轴承之间设有推动盘；所述径向永磁轴承与轴向永磁轴承之间设有偏心轴。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承，其特征在于：所述径向永磁轴承包括永磁内环和永磁外环；所述两个径向永磁轴承用于实现电动机主轴在径向的稳定悬浮；径向永磁轴承利用磁环间产生的永磁力来悬浮主轴，它具有一定的稳定特性，无需控制系统。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承，其特征在于：所述轴向永磁轴承轴向电磁轴承通过轴承定子中的线圈产生磁场，将推力盘悬浮在平衡位置，限制主轴轴向方向自由度。
4.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承，其特征在于：所述保护轴承为机械轴承；所述保护轴承与主轴之间的气隙小于径向永磁轴承与主轴之间的气隙。
5.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承的驱动控制系统，其特征在于：包括用于检测轴向位置的电涡流位移传感器，该电涡流位移传感器将信号通过A/D转换器装换后发送给单片机；所述单片机经运算后通过D/A转换器和功率放大器控制轴向电磁轴承内线圈中的电流。
6.根据权利要求5所述的磁悬浮轴承，其特征在于：所述单片机采用的算法为FPGA算法。
7.一种滚动转子无油压缩机，其特征在于：包括权利要求 1 至 6任一项所述的磁悬浮轴承。
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