CN106640962A - 一种异极型八极径向电磁悬浮轴承 - Google Patents

Abstract

一种异极型八极径向电磁悬浮轴承，包括轴承座、定子和转子，所述转子位于定子的内孔，所述定子由八个相互独立的电磁铁组成，八个电磁铁等圆弧间隔布置且在同一安装平面上，八个电磁铁的磁极均在同一横截面上径向布置；所述轴承座的内侧内孔上等圆弧设置有八个电磁铁安装槽，每个电磁铁与每个电磁铁安装槽一一对应，第一轴承端盖的内侧内孔上等圆弧设置有八个电磁铁安装槽，所述第一轴承端盖上的电磁铁安装槽与所述轴承座的电磁铁安装槽一一对应并形成电磁铁安装腔，所述电磁铁位于所述电磁铁安装腔内并与其过盈装配，所述第一轴承端盖与所轴承座固定在一起。本发明提供一种减少体积、降低涡流、简化加工的一种异极型八极径向电磁悬浮轴承。

Description

一种异极型八极径向电磁悬浮轴承

技术领域

本发明涉及磁轴承领域，尤其是一种异极型八极径向电磁悬浮轴承。

背景技术

电磁悬浮轴承是通过电磁力使得轴承的转子与定子处于相对悬浮状态；因此，电磁悬浮轴承表现出诸多优点，例如：无需润滑、无摩擦/无磨损、低噪声、适用于高速和超高速运行场合。磁悬浮轴承已经在航空航天，精密仪器，高速高精密数控机床等领域有广泛应用。

电磁悬浮轴承主要分为三类：①被动磁轴承②主动磁轴承③混合磁轴承。电磁悬浮轴承的电磁控制部分，是通过改变各磁极的电流大小，来控制磁极变现的刚度和阻尼。进而调整转子的状态。电磁悬浮轴承电控部分主要是通过传统的PID控制。使得转子平稳运行。

电磁悬浮轴承转子的振动位移和振动速度检测是大多数的都是通过电涡流位移传感器和振动速度传感器来完成的，可以满足检测的要求。然而，昂贵的传感器成本和复杂的安装及布线，后期维护与校准的困境在振动位移检测中提出更高的要求。随着电磁悬浮轴承的自传感方法和技术的应用，从而弥补了电涡流位移传感器和振动速度传感器给磁轴承系统所带来的诸多缺点。

发明内容

为了克服已有磁轴承的体积较大、涡流较大、加工复杂的不足，本发明提供一种减少体积、降低涡流、简化加工的一种异极型八极径向电磁悬浮轴承。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种异极型八极径向电磁悬浮轴承，包括轴承座、定子和转子，所述转子位于定子的内孔，所述定子由八个相互独立的电磁铁组成，八个电磁铁等圆弧间隔布置且在同一安装平面上，八个电磁铁的磁极均在同一横截面上径向布置；所述轴承座的内侧内孔上等圆弧设置有八个电磁铁安装槽，每个电磁铁与每个电磁铁安装槽一一对应，第一轴承端盖的内侧内孔上等圆弧设置有八个电磁铁安装槽，所述第一轴承端盖上的电磁铁安装槽与所述轴承座的电磁铁安装槽一一对应并形成电磁铁安装腔，所述电磁铁位于所述电磁铁安装腔内并与其过盈装配，所述第一轴承端盖与所轴承座固定在一起；

所述轴承座的外侧固定安装有第二轴承端盖。

进一步，所述轴承座的内侧上设有绝磁阴槽，所述第一轴承端盖的内侧上设有与绝磁阴槽相配合的绝磁阳槽；所述绝磁阴槽包括用于隔离轴承座上的相邻两个电磁铁安装槽的隔断凹槽和位于该轴承座的八个电磁铁安装槽外一周的环形凹槽，所述隔断凹槽与所述环形凹槽的内侧连接；

所述绝磁阳槽包括用于隔离第一轴承端盖上的相邻两个电磁铁安装槽的隔断凸起和位于该第一轴承端盖的八个电磁铁安装槽外一周的环形凸起，所述隔断凸起与所述环形凸起的内侧连接；

所述隔断凸起卡接在所述隔断凹槽内，所述环形凸起卡接在所述环形凹槽内。

再进一步，所述电磁铁的铁芯是由硅钢片或坡莫合金叠片制成。

更进一步，所述电磁铁安装槽为扇形。

本发明的有益效果主要表现在：减少体积、安装简易、成本较低；异极型结构和自传感功能缩减了磁轴承的轴向尺寸，小型化结构使得磁轴承生产标准化，工程应用范围更加广泛。

附图说明

图1是一种异极型八极径向电磁悬浮轴承的爆炸图。

图2是图1的定子的结构示意图。

图3是轴承座的结构示意图。

图4是第一轴承端盖的结构示意图。

图5是一种异极型八极径向电磁悬浮轴承的控制图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图5，一种异极型八极径向电磁悬浮轴承，包括轴承座22、定子23和转子，所述转子位于定子23的内孔，所述定子23由八个相互独立的电磁铁231组成，八个电磁铁231等圆弧间隔布置且在同一安装平面上，八个电磁铁231的磁极均在同一横截面上径向布置；所述轴承座22的内侧内孔上等圆弧设置有八个电磁铁安装槽3，每个电磁铁与每个电磁铁安装槽一一对应，第一轴承端盖24的内侧内孔上等圆弧设置有八个电磁铁安装槽，所述第一轴承端盖24上的电磁铁安装槽与所述轴承座的电磁铁安装槽一一对应并形成电磁铁安装腔，所述电磁铁231位于所述电磁铁安装腔内并与其过盈装配，所述第一轴承端盖24与所轴承座22固定在一起；

所述轴承座22的外侧固定安装有第二轴承端盖21。

进一步，所述轴承座22的内侧上设有绝磁阴槽221，所述第一轴承端盖24的内侧上设有与绝磁阴槽221相配合的绝磁阳槽241；所述绝磁阴槽221包括用于隔离轴承座22上的相邻两个电磁铁安装槽的隔断凹槽和位于该轴承座的八个电磁铁安装槽外一周的环形凹槽，所述隔断凹槽与所述环形凹槽的内侧连接；

所述绝磁阳槽241包括用于隔离第一轴承端盖24上的相邻两个电磁铁安装槽的隔断凸起和位于该第一轴承端盖的八个电磁铁安装槽外一周的环形凸起，所述隔断凸起与所述环形凸起的内侧连接；

所述隔断凸起卡接在所述隔断凹槽内，所述环形凸起卡接在所述环形凹槽内。

再进一步，所述电磁铁231的铁芯是由硅钢片或坡莫合金叠片制成。

更进一步，所述电磁铁安装槽3为扇形。

本发明的工作原理为：八个磁极配置在同一平面内，且均匀相间分布，形成并置的异极型八极径向电磁悬浮轴承。磁极相互绝磁，使得磁通/磁路不会相互影响。为了缩减径向磁轴承的轴向尺寸和提高磁轴承控制系统的稳定性，本发明中集成了基于电流传感器的自传感技术来代替传统磁轴承中的振动位移传感器；实时测量电流及其时间变化率，基于磁通变化估计算法来计算振动位移和振动速度。处于同一平面内的八个磁极根据自传感算法得到的振动位移和振动速度信息，通过控制器来配置电磁阻尼磁极和电磁刚度磁极，分别利用振动位移和振动速度输出电磁阻尼力和电磁刚度力，从而达到磁悬浮转子振动控制。

如图1所示，异极型八极径向电磁悬浮轴承在同一横截面内分布有S和N两种磁极，即所有的磁极都在同一横截面内；电磁铁231是由铁芯和电磁线圈组成，电磁铁231的铁芯由硅钢片/坡莫合金叠片而成，在铁芯上绕上电磁线圈，就可以组成磁悬浮磁极；将此定子22过盈装配入铝合金轴承座I和第一轴承端盖24组成的电磁铁安装腔内，轴承座22和第一轴承端盖24以螺纹孔连接，通过螺钉连接锁紧，这样轴承得以封闭。并且轴承座I和第一轴承端盖24通过阴阳槽结构配合以达到绝磁使用，绝磁阴阳槽如图3所示。使得位于同一安装平面内的八个磁极相互绝磁，并达到无漏磁，从而取得八个磁极彼此独立、互无影响。利用这种装配结构，突出了轴承组装的简便性。在转子工作时受到一个外力，位移传感器会获得转子的位移信号，把该位移信号传入磁轴承中央控制器，通过磁轴承中央控制器对其进行分析出来，输出一个控制信号，该控制信号分别控制八对电磁线圈电流，使其中四对电磁铁产生控制力，另外四对产生阻尼力，从而使得转子能够被快速平衡。

转子在控制磁极提供的静刚度支撑下处于悬浮的状态，当受到外力的作用时，转子会偏离轴心的位置，从而改变了气隙的长度；气隙发生变化会导致磁通发生变化，磁通发生变化后会导致电磁线圈中的电流发生微小变化，电流传感器通过检测电磁线圈中电流的变化，会获得一个与转子位移有关的电流信号，经过信号采集单元进行HHT变换，然后经过自传感估计器中的基于磁通变换的位移估计器，将振动位移估计值送入磁轴承中央控制器，并且通过磁轴承中央控制器中的非线性微分器得到转子的振动位移和振动速度，于此磁轴承中央控制器基于模糊控制算法会输出控制数据参数。

控制数据参数包括控制类型、控制评定等级和控制数据；控制类型包括刚度型和阻尼型两种，控制评定等级分为七级控制粒度(负大NB、负中NM、负小NS、零ZO、正小PS、正中PM、正大PB)。

控制信号发生器根据控制数据参数计算出转子偏离平衡状态的调整电流大小(或PWM信号的占空比)。磁悬浮转子在相应磁极的电磁力(刚度力或阻尼力)的作用下，取得旋转运动的稳定特性。

由于当转子偏离轴心时，位移传感器与电流传感器同时工作，当自传感估计器估计出的振动位移和振动速度与位移传感器检测出来的值相同时，位移传感器便不需要工作，而电流传感器直接检测电磁线圈的电流，然后通过信号采集单元和自传感估计器估计出转子的振动位移和振动速度，磁轴承中央控制器通过控制信号发生器给功放电路一个电流信号，从而控制电磁线圈中的电流，进而控制转子的平衡。而在此之前磁轴承中央控制器中对自传感估计器测得的转子位移与位移传感器测得位移进行比较，此时自传感估计获得的位移信号，不参与控制，只是和位移传感器获得的位移信号进行比较。

如图5所示，电磁控制环的动态组配关系；8个磁极周向逆时针依次编号J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7，J8。8个磁极组合可以表现为如下形式：

(1)“8极”支承刚度组态：J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7，J8均表现为弹性支承属性。

(2)“8极”径向阻尼组态：J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7，J8均表现为阻尼属性。

(3)“4+4”磁极动态分配：J1，J3，J5，J7表现为弹性支承属性，J2，J4，J6，J8变现为阻尼属性。

通过对电磁线圈控制，可以提供在空间上动态旋转的阻尼和支承特性；阻尼与刚度的组合形式会因轴承所处的状态和转子转速不同的情况下有不同的组合。(1)，(2)，(3)三种控制组态可以通过控制实现多态轮动控制方式。例如：“8极”支承刚度--->“4+4”磁极动态分配--->“8极”阻尼状态循环轮动，从而表现为8极普通径向磁轴承、刚度和阻尼并置磁轴承和8极径向电磁阻尼器；或者“8极”支承刚度--->“4+4”磁极动态分配轮动；或者单独为“4+4”配置的刚度和阻尼混合并置电磁状态。

通过控制电磁线圈中的电流提供不同大小的电磁刚度力或电磁阻尼力，为转子提供悬浮稳定控制；刚度和阻尼磁极的动态分配为转子适应从低速到高速旋转运动稳定控制提供电磁基础。

本电磁悬浮轴承是利用了加载于磁极的电流来计算振动位移和振动速度，从即自传感功能。实时计算电流及其时间变化率，并基于磁通变化估计算法来完成自传感方法和技术；该技术为电磁悬浮转子提供刚度和阻尼控制过程提供便利，适时稳定转子的旋转运动特性，从而为高速运动提供工程应用基础。

自传感算法通过自传感估计器的微型计算机采集和测量加载于磁极的电流，利用一个二阶非线性微分器和HHT(Hilbert-Huang)变换器来取得电流的高阶变化特征，为振动位移和振动速度的快速和准确检测提供良好的保证，进而为电磁悬浮转子高速旋转提供保障。

电磁控制时，每一个配对的电磁磁极组合会因不同的控制要求分别表现为轴承的支承刚度特性和阻尼性质，即可动态提供给转子系统所需的实时阻尼力和支承力。

本发明是两磁极之间无漏磁磁阻，改善了磁极的磁路。在不同的控制组态或者进行多态轮动控制时，本发明的结构可以极大改善相邻电磁磁极之间的漏磁特性，为刚度和阻尼状态的顺利转换提供便利。

Claims (4)

1.一种异极型八极径向电磁悬浮轴承，包括轴承座、定子和转子，所述转子位于定子的内孔，其特征在于：所述定子由八个相互独立的电磁铁组成，八个电磁铁等圆弧间隔布置且在同一安装平面上，八个电磁铁的磁极均在同一横截面上径向布置；所述轴承座的内侧内孔上等圆弧设置有八个电磁铁安装槽，每个电磁铁与每个电磁铁安装槽一一对应，第一轴承端盖的内侧内孔上等圆弧设置有八个电磁铁安装槽，所述第一轴承端盖上的电磁铁安装槽与所述轴承座的电磁铁安装槽一一对应并形成电磁铁安装腔，所述电磁铁位于所述电磁铁安装腔内并与其过盈装配，所述第一轴承端盖与所轴承座固定在一起；

所述轴承座的外侧固定安装有第二轴承端盖。

2.如权利要求1所述的一种异极型八极径向电磁悬浮轴承，其特征在于：所述轴承座的内侧上设有绝磁阴槽，所述第一轴承端盖的内侧上设有与绝磁阴槽相配合的绝磁阳槽；所述绝磁阴槽包括用于隔离轴承座上的相邻两个电磁铁安装槽的隔断凹槽和位于该轴承座的八个电磁铁安装槽外一周的环形凹槽，所述隔断凹槽与所述环形凹槽的内侧连接；

所述绝磁阳槽包括用于隔离第一轴承端盖上的相邻两个电磁铁安装槽的隔断凸起和位于该第一轴承端盖的八个电磁铁安装槽外一周的环形凸起，所述隔断凸起与所述环形凸起的内侧连接；

所述隔断凸起卡接在所述隔断凹槽内，所述环形凸起卡接在所述环形凹槽内。

3.如权利要求1或2所述的一种异极型八极径向电磁悬浮轴承，其特征在于：所述电磁铁的铁芯是由硅钢片或坡莫合金叠片制成。

4.如权利要求1或2所述的一种异极型八极径向电磁悬浮轴承，其特征在于：所述电磁铁安装槽为扇形。