CN106640965B - 一种五自由度永磁偏置磁悬浮轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种五自由度永磁偏置磁悬浮轴承，所要解决的技术问题是：针对背景技术中提及的现有技术中的永磁型磁悬浮轴承、电磁偏置型磁悬浮轴承以及永磁偏置型磁悬浮轴承存在的缺点。采取的技术方案是：一种五自由度永磁偏置磁悬浮轴承，包括环形转子，两个环形径向定子，两个永磁体和环形轴向定子。本发明五自由度永磁偏置磁悬浮轴承，结构简单、紧凑，能够实现五自由度主动控制且径向两个自由度磁场的磁路无耦合。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮轴承，具体是一种永磁偏置五自由度磁悬浮轴承，属于磁悬浮领域。
背景技术
早在1842年，英国物理学家Earnshaw就对磁悬浮轴承技术进行了研究和论述，磁悬浮轴承技术的基本原理是利用定子铁心与转子铁心之间的磁场力来实现转轴的无接触支承。由于定、转子之间没有机械接触，磁悬浮轴承具有以下优点：
1.能够承受极高的转速。采用磁悬浮轴承支承的转轴可以在超临界、每分钟数十万转的工况下运行，其圆周速度只受转轴材料强度的限制。通常来说，在轴颈直径相同的情况下，采用磁悬浮轴承支承的转轴能达到的转速比采用滚动轴承支承的转轴大约高2倍，比采用滑动轴承支承的转轴大约高3倍。德国FAG公司通过试验得出：滚动轴承的dn值，即轴承平均直径与主轴极限转速的乘积，约为2.5～3×106mm·r/min，滑动轴承的dn值约为0.8～2×106mm·r/min，磁悬浮轴承的dn值约为4～6×106mm·r/min。
2.摩擦功耗较小。在10000r/min时，磁悬浮轴承的功耗大约只有流体动压润滑支承的6％，只有滚动支承的17％，节能效果明显。
3.寿命长，维护成本低。由于磁悬浮轴承依靠磁场力悬浮转轴，定、转子之间无机械接触，因此不存在由磨擦、磨损和接触疲劳所带来的寿命问题，所以磁悬浮轴承的寿命与可靠性均远高于传统的机械轴承。
4.无需添加润滑剂。由于定、转子之间不存在机械摩擦，工作时不需要添加润滑剂，因此不存在润滑剂对环境所造成的污染问题，在禁止使用润滑剂和禁止污染的场合，如真空设备、超净无菌室等场合，磁悬浮轴承有着无可比拟的优势。
根据磁场建立方式的不同，磁悬浮轴承可分为永磁型、电磁偏置型和永磁偏置型三种类型。
永磁型磁悬浮轴承主要利用磁性材料之间固有的斥力或吸力(如永磁材料之间，永磁材料与软磁材料之间)来实现转轴的悬浮，其结构简单，能量损耗少，但刚度和阻尼也都比较小。
电磁偏置型磁悬浮轴承由通入直流电的偏磁绕组在气隙中建立偏置磁场，由通入大小和方向都受到实时控制的交变电流的控制绕组来在气隙中建立控制磁场，这两个磁场在气隙中的叠加和抵消产生了大小和方向都可以主动控制的磁场吸力，从而实现了转子的稳定悬浮，这种类型的磁悬浮轴承刚度大，可以精密控制，但产生单位承载力所需的体积、重量和功耗也都比较大。
永磁偏置型磁悬浮轴承采用永磁材料替代偏磁线圈来产生所需的偏置磁场，能够较大程度地降低磁悬浮轴承的能量损耗，随着磁悬浮轴承技术在航空航天、能量存储以及能量转换等领域的广泛应用，对磁悬浮轴承的功耗、体积、性能等方面提出了越来越高的要求，永磁偏置型磁悬浮轴承的特点使它在这些领域有着不可替代的优势，永磁偏置型磁悬浮轴承技术也成为磁悬浮轴承技术研究与发展的一个重要方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对背景技术中提及的现有技术中的永磁型磁悬浮轴承、电磁偏置型磁悬浮轴承以及永磁偏置型磁悬浮轴承存在的缺点。
本发明的目的是提出一种结构简单、紧凑，能够实现五自由度主动控制且径向两个自由度磁场的磁路无耦合的永磁偏置五自由度磁悬浮轴承。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：
一种五自由度永磁偏置磁悬浮轴承，包括环形转子，在环形转子的轴心处设置环形轴向定子，在环形轴向定子的外表面上均布外凸设置四个用于设置控制绕组A的“U”字型绕组架，“U”字型绕组架的两个悬臂分别位于环形转子的两侧且两个悬臂与环形转子的侧面均有间隙，在“U”字型绕组架的两个悬臂上均设置控制绕组A；
在环形轴向定子的两个侧面上均设置环形永磁体，两个环形永磁体与环形轴向定子同心；
两个环形永磁体均连接环形径向定子，两个环形径向定子与环形轴向定子同心；两个环形径向定子的外表面上均外凸对称设置两个用于设置控制绕组B的“L”字型绕组架，“L”字型绕组架位于环形转子的内部且“L”字型绕组架的端部与环形转子的内壁之间有间隙；两个环形径向定子上的四个“L”字型绕组架呈十字型设置，在“L”字型绕组架上均设置控制绕组B；
位于“L”字型绕组架上的控制绕组B与“U”字型绕组架上的控制绕组A交替设置。
本发明技术方案中的五自由度永磁偏置磁悬浮轴承，四组控制绕组A用来控制转子一个轴向自由度和两个翻转自由度；被永磁体和环形轴向定子隔开的环形径向定子上的控制绕组B用来控制转子的两个径向自由度，两个轴向充磁的永磁环同极相对放置，为磁悬浮轴承提供偏置磁场。
有益效果
本发明与现有技术相比的有益效果：
本发明五自由度永磁偏置磁悬浮轴承，结构简单、紧凑，能够实现五自由度主动控制且径向两个自由度磁场的磁路无耦合。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是径向定子中的偏置磁场。
图3是径向定子中的控制磁场。
图4是轴向定子中的偏置磁场。
图5是轴向定子中的控制磁场A。
图6是轴向定子中的控制磁场B。
其中，1、控制绕组A；2、环形径向定子；3、环形轴向定子；4、永磁体；5、控制绕组B；6、环形转子；7、“U”字型绕组架；71、悬臂；8、“L”字型绕组架。
具体实施方式
为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图1-图6和具体实施方式做进一步的描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的五自由度永磁偏置磁悬浮轴承，包括环形转子6，两个环形径向定子2，两个永磁体4和环形轴向定子3。
两个环形径向定子2，两个永磁体4和环形轴向定子3均位于环形转子6的内部，环形轴向定子3设置在环形转子6的轴心处，在环形轴向定子3的外表面上均布外凸设置四个用于设置控制绕组A的“U”字型绕组架7，“U”字型绕组架的两个悬臂71分别位于环形转子的两侧且两个悬臂与环形转子的侧面均有间隙，在“U”字型绕组架的两个悬臂上均设置控制绕组A1。
两个环形永磁体4分别设置在环形轴向定子3的两个侧面上，两个环形永磁体4与环形轴向定子3同心，两个环形永磁体为轴向充磁且两个环形永磁体同极相对设置。
两个环形径向定子2分别连接两个环形永磁体4，两个环形径向定子与环形轴向定子同心；两个环形径向定子的外表面上均外凸对称设置两个用于设置控制绕组B的“L”字型绕组架8，“L”字型绕组架位于环形转子的内部且“L”字型绕组架的端部与环形转子的内壁之间有间隙；两个环形径向定子上的四个“L”字型绕组架呈十字型设置，在“L”字型绕组架上均设置控制绕组B5；位于“L”字型绕组架上的控制绕组B与“U”字型绕组架上的控制绕组A交替设置。
本发明技术方案中的五自由度永磁偏置磁悬浮轴承，四组控制绕组A用来控制转子一个轴向自由度和两个翻转自由度；被永磁体和环形轴向定子隔开的环形径向定子上的控制绕组B用来控制转子的两个径向自由度，两个轴向充磁的永磁环同极相对放置，为磁悬浮轴承提供偏置磁场。
径向自由度控制工作原理：
如图2所示，以径向某个自由度的控制为例，永磁体建立的偏置磁场如图1所示，若转子受到一个向右的扰动使其偏离参考位置，则位移传感器将偏移量传递给控制器，控制器控制功率放大器在绕组中通入电流，从而产生控制磁场，如图3所示。
此时，左侧气隙中偏置磁场方向与控制磁场方向一致，气隙磁密增强，右侧气隙中偏置磁场方向与控制磁场方向相反，气隙磁密减小，转子受到一个向左的力将其拉回参考位置。
通过两组这样的径向定子就可以实现转子径向两个自由度的悬浮。
轴向自由度及翻转自由度控制工作原理：
如图4所示，轴向定子中的偏置磁场如图4所示。若转子受到一个向上的扰动使其偏离参考位置，则位移传感器将偏移量传递给控制器，控制器控制功率放大器在绕组中通入电流，从而产生控制磁场，如图5所示。
此时，左侧下面气隙中偏置磁场方向与控制磁场方向一致，气隙磁密增强，左侧上面气隙中偏置磁场方向与控制磁场方向相反，气隙磁密减小；右侧下面气隙中偏置磁场方向与控制磁场方向一致，气隙磁密增强，右侧上面气隙中偏置磁场方向与控制磁场方向相反，气隙磁密减小，转子受到一个向下的力将其拉回参考位置。
若转子受到一个顺时针的扰动使其偏离参考位置，则位移传感器将偏移量传递给控制器，控制器控制功率放大器在绕组中通入电流，从而产生控制磁场，如图6所示。此时，左侧下面气隙中偏置磁场方向与控制磁场方向一致，气隙磁密增强，左侧上面气隙中偏置磁场方向与控制磁场方向相反，气隙磁密减小；右侧下面气隙中偏置磁场方向与控制磁场方向相反一致，气隙磁密减小增强，右侧上面气隙中偏置磁场方向与控制磁场方向一致，气隙磁密增强，转子受到一个逆时针的力将其拉回参考位置。
综合上述，此种结构的磁悬浮轴承能够实现转子五个自由度位移的控制。
本发明未涉及部分均与现有技术相通或采用现有技术加以实现。
凡本发明说明书中未作特别说明的均为现有技术或者通过现有的技术能够实现，应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (1)
1.一种五自由度永磁偏置磁悬浮轴承，其特征在于：包括环形转子，在环形转子的轴心处设置环形轴向定子，在环形轴向定子的外表面上均布外凸设置四个用于设置控制绕组A的“U”字型绕组架，“U”字型绕组架的两个悬臂分别位于环形转子的两侧且两个悬臂与环形转子的侧面均有间隙，在“U”字型绕组架的两个悬臂上均设置控制绕组A；
在环形轴向定子的两个侧面上均设置环形永磁体，两个环形永磁体与环形轴向定子同心，两个环形永磁体为轴向充磁且两个环形永磁体同极相对设置；
两个环形永磁体均连接环形径向定子，两个环形径向定子与环形轴向定子同心；两个环形径向定子的外表面上均外凸对称设置两个用于设置控制绕组B的“L”字型绕组架，“L”字型绕组架位于环形转子的内部且“L”字型绕组架的端部与环形转子的内壁之间有间隙；两个环形径向定子上的四个“L”字型绕组架呈十字型设置，在“L”字型绕组架上均设置控制绕组B；
位于“L”字型绕组架上的控制绕组B与“U”字型绕组架上的控制绕组A交替设置。
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