CN110863965A - 一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵，包括壳体、阶梯式驱动轴、斜盘、柱塞运动组件、缸体、径向缸体磁控外环、第一、二径向永磁轴承、轴向定位磁控轴承。所述径向缸体磁控外环通过位移传感器实时采集振动信号，根据振动大小调节径向缸体磁控外环。所述第一、二径向永磁轴承通过同磁性相斥的原理实现所述阶梯式驱动轴的悬浮状态。所述轴向定位磁控轴承通过控制电流大小来调控电磁力以保证驱动轴的轴向定位。本发明所提出的一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵及其控制方法，在实现驱动轴悬浮的同时，实时监测及控制缸体的振动大小，减小了轴承与驱动轴之间的摩擦、提升了缸体的动态稳定性，提高轴向柱塞泵的稳定性和可靠性。

Description

一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵
技术领域
本发明属于轴向柱塞泵技术领域，具体涉及一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵。
背景技术
轴向柱塞泵具有体积小、功重比大、变量方式多样等优点，在工程机械、海洋工程和航空航天等领域得到了广泛的应用。转子系统作为轴向柱塞泵的核心部件之一，受结构限制、加工影响和外部载荷等因素的影响，存在不可避免的偏心和不平衡。在高速高压工况下，传统轴向柱塞泵的缸体位姿无法进行控制，易发生缸体倾覆等失稳现象，影响了轴向柱塞泵的可靠性和寿命。
本发明所提出的一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵及其控制方法，提出将作用力和支承刚度可调的磁轴承用于轴向柱塞泵缸体位姿和稳定性的调节，通过在轴向柱塞泵缸体外部安装一磁控外环以主动调节执行电磁体中的电流，根据外部负载的变化情况，主动实时调节电磁力，以控制缸体及驱动轴的位置偏离参考平衡位置的范围，从而提高了轴向柱塞泵转子系统的稳定性，减小了轴向柱塞泵在高速高压工况下失稳的可能性，对提高轴向柱塞泵的可靠性和寿命具有重要意义。
发明内容
为提高现有轴向柱塞泵转子系统的动态稳定性和可靠性，减少其在高速高压工况下的失稳现象，本发明基于永磁轴承及主动控制式磁控原理，提出一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵，对于提高轴向柱塞泵的稳定性和可靠性具有重要的意义。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了1.一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵，其特征在于包括：壳体、阶梯式驱动轴、斜盘、柱塞运动组件、缸体、径向磁控外环、第一、二径向永磁轴承、轴向定位磁控轴承；
所述壳体套设在缸体外，所述径向磁控外环设置在壳体与缸体之间，并与缸体同心；所述径向磁控外环通过螺栓组件与所述壳体相连；
所述阶梯式驱动轴与缸体同轴设置，轴向定位磁控轴承同心安装在所述阶梯式驱动轴上并与所述壳体左端面通过螺栓组件相连；所述第一、二径向永磁轴承安装在所述阶梯式驱动轴的左、右两侧；
所述阶梯式驱动轴穿过斜盘，并且所述斜盘与阶梯式驱动轴的中轴线形成不等于90°的倾角；所述缸体内绕轴设有圆周阵列的缸孔，柱塞运动组件置于缸孔内，其左端每个柱塞滑靴组件通过回程盘压紧于斜盘上。
所述缸体随阶梯式驱动轴旋转时，由于斜盘的倾角作用，柱塞运动组件在缸体内进行往复运动；
所述径向磁控外环包括一与所述壳体螺栓组件相连的环壳、四块电磁体、四段主动电磁线圈，两个位移传感器；
其中，四块电磁体均匀安装在环壳内，两个位移传感器分别安装在环壳的轴向和径向外圈。四段主动电磁线圈环向缠绕在所述电磁体上，并通过出线口引线。沿轴向和径向轴对称分布的两个电磁体分别视为一组磁控装置，所述位移传感器监测轴向柱塞泵缸体轴向和径向位置偏离中心参考位置的位移偏差，并反馈至控制器，控制器将检测的位移变换成控制信号，并通过功率放大器将这一控制信号转换成控制电流信号,电流的大小变化使执行电磁体中产生不同大小的磁力,从而控制所述缸体偏离中心参考位置的位移偏差；
所述轴向定位磁控轴承包括一与所述壳体左端面螺栓相连的环壳、一环形电磁体、一主动电磁线圈、一位移传感器；
所述环形电磁体安装在所述环壳内，所述主动电磁线圈环绕在其上，并通过出线口引线。当轴向柱塞泵高速运转时，轴向定位磁控轴承通过安装在环壳外的位移传感器实时监测所述阶梯式驱动轴的轴向位移偏差，与所述径向环形磁控外环控制原理相似，通过控制电流的大小，调节轴向磁力的大小，保证所述阶梯式驱动轴的轴向定位；
所述第一、二径向永磁轴承结构功能上相同，包括一与所述阶梯式驱动轴平键连接的环形永磁内定子，一与所述壳体螺栓组件相连的环形永磁外定子；
所述环形永磁内定子外表面与所述环形永磁外定子内表面磁性相同，利用同磁性相斥的原理使得所述阶梯式驱动轴保持悬浮状态。
在一较佳实施例中：所述径向磁控外环中，沿轴向和径向轴对称分布的电磁体数目可呈偶数倍增加，两两视为一组磁控装置，每组磁控装置可设置位移传感器以实现缸体多角度振动位移的调控。
在一较佳实施例中：所述缸体为磁性材料，所述径向磁控外环通过产生不同大小的电磁力，控制所述缸体偏离中心参考位置的偏差。
在一较佳实施例中：所述径向磁控外环中，位移传感器所采集的信号可通过微分处理器转换为速度信号、加速度信号，实现多形式的振动主动式调控。
在一较佳实施例中：所述径向磁控外环的外圈及左、右端面使用隔磁套，使其仅在内圈表面产生作用于所述缸体的电磁力。
在一较佳实施例中：所述缸体与所述阶梯式驱动轴通过花键联接。
在一较佳实施例中：所述阶梯式驱动轴与所述轴向定位磁控轴承相邻左端面同心安装环形强磁性材料，所述环形强磁性材料与所述阶梯式驱动轴通过螺栓组件相连。
在一较佳实施例中：所述轴向定位磁控轴承的左端面及轴承外圈贴附隔磁套，使其仅在右端面产生作用于所述阶梯式驱动轴的轴向磁力。
在一较佳实施例中：所述径向永磁轴承内定子与外定子间留有间隙，作为所述阶梯式驱动轴的径向悬浮位移间隙；
所述轴向定位磁控轴与所述阶梯式驱动轴上同心安装的环形强磁性材料左端面、所述轴向柱塞泵缸体与径向磁控外环也留有悬浮位移间隙。
在一较佳实施例中：所述径向永磁轴承外定子外圈及左、右端面贴附隔磁套，使其仅在内圈表面产生作用于内定子的永磁力。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
本发明公开的一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵及其控制方法，通过实时监测并调控轴向柱塞泵缸体的位姿，保证缸体及驱动轴偏离中心参考位置的偏差，从而提高轴向柱塞泵在工作过程中的稳定性，从而提高轴向柱塞泵在高速高压下的抗失稳能力，对于降低轴向柱塞泵振动噪声，提高轴向柱塞泵的稳定性和可靠性均具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的整体三维结构剖面图；
图2为本发明径向磁控外环示意图；
图3为图2在A-A方向上的剖视图；
图4为本发明轴向定位磁控轴承示意图；
图5为图4在A-A方向上的剖视图；
图6为本发明径向永磁轴承示意图；
图7为图6在A-A方向上的剖视图；
图8为本发明径向磁控外环执行过程原理图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
如图1所示，一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵及其控制方法，包括壳体1、阶梯式驱动轴2、斜盘3、柱塞运动组件4、缸体5、径向磁控外环6、第一、二径向永磁轴承7、轴向定位磁控轴承8。径向磁控外环6同心安装在缸体中心处，并通过螺栓组件与壳体1相连；轴向定位磁控轴承8同心安装在所述阶梯式驱动轴2上并与壳体1左端面通过螺栓组件相连；第一、二径向永磁轴承7安装在阶梯式驱动轴2左、右两侧。
所述阶梯式驱动轴2穿过斜盘3，并且所述斜盘3与阶梯式驱动轴2的中轴线形成不等于90°的倾角；所述缸体5内绕轴设有圆周阵列的缸孔，柱塞运动组件4置于缸孔内，其左端每个柱塞滑靴组件通过回程盘压紧于斜盘3上。
如图2和图3所示，径向磁控外环6包括环壳61，除靠近缸体5的内圈外，环壳61其余表面均贴附隔磁套64，四个连接环脚65通过螺栓组件与壳体1连接。四块带有电磁线圈的电磁体顺时针均布在环套61内并按顺序定义为可控磁环块62-1、可控磁环块62-2、可控磁环块62-3、可控磁环块62-4，均通过各自出线口引线。其中，可控磁环块62-1、62-3,62-2、62-4两两成组。两个位移传感器63-1、63-2分别对于安装在可控磁环块62-1、62-4的环套外侧，与缸体5之间留有一定间隙，分别用于监测缸体5轴向、径向偏离中心参考位置的位移偏差。
如图4和图5所示，轴向定位磁控轴承8包括轴承套81，其除右端面外，均贴附隔磁套86。由电磁线圈环绕的环形电磁体82置于轴承套81内，电磁线圈通过出线口85出线。位移传感器83安装于轴承套81右端面，与缸体5之间留有一定间隙，用于监测阶梯式驱动轴82的轴向位移偏差。环形强磁性材料84(易被磁力吸附的铁，钴，镍等)通过螺栓组件同心安装在阶梯式驱动轴2上，增强轴向定位磁控轴承8对于阶梯式驱动轴2的轴向磁力。
第一、二径向永磁轴承7两者结构原理相同，取其一进行实施例说明。如图6和图7所示，第一径向永磁轴承7由径向充磁的钕铁硼环形永磁外定子71、环形永磁内定子72组成。环形永磁内定子71通过平键与阶梯式驱动轴2相连，其外圈表面与环形永磁外定子内圈表面留有一定间隙。环形永磁外定子71外圈及左、右端面，环形永磁内定子左、右端面均贴附隔磁套，使二者间仅内圈产生相对的径向磁斥力。
图8为径向磁控外环的执行过程原理图，结合图1至图7，对于本发明提出的一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵及其控制方式的具体实施例进行进一步说明。
本发明提出的一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵工作时，缸体5随阶梯式驱动轴2高速旋转，由于斜盘3的倾角作用，柱塞运动组件4在缸体5内进行往复运动。轴向柱塞泵的高速运转工况将导致阶梯式驱动轴2及缸体5的振动位移。径向磁控外环6通过位移传感器63-1、63-2实时采集缸体5的振动信号，并将位移振动大小反馈至控制器；控制器将检测到的位移偏差变换为控制信号并通过功率放大器将这一控制信号转换成可控磁环块62-1、62-3,62-2、62-4中电流的增大/减小信号,从而使轴向、径向的执行电磁体中产生不同大小的磁力,驱动缸体5返回到原中心参考位置。同理，轴向定位磁控轴承8通过右端面所安装的位移传感器86实时监测阶梯式驱动轴2的轴向位移偏差，从而控制环形电磁体82中的电流大小，实现轴向定位磁控外环8右端面对于阶梯式驱动轴2轴向磁吸力的大小调节，保证阶梯式驱动轴2的轴向定位。此外，第一、二径向永磁轴承7利用径向充磁的钕铁硼环形永磁外定子71内圈面、环形永磁内定子72外圈面间同磁性相斥的原理，以实现阶梯式驱动轴2的径向悬浮。
综上所述，本发明所提出的一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵及其控制方法，可实时监测及控制缸体偏离中心参考位置的偏差，提高了缸体的动态稳定性，降低了轴向柱塞泵的振动噪声，延长了其可靠性。
上文所述，仅为本发明较佳的实施范例，不能依此限定本发明实施的范围。即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵，其特征在于包括：壳体、阶梯式驱动轴、斜盘、柱塞运动组件、缸体、径向磁控外环、第一、二径向永磁轴承、轴向定位磁控轴承；
所述壳体套设在缸体外，所述径向磁控外环设置在壳体与缸体之间，并与缸体同心；所述径向磁控外环通过螺栓组件与所述壳体相连；
所述阶梯式驱动轴与缸体同轴设置，轴向定位磁控轴承同心安装在所述阶梯式驱动轴上并与所述壳体左端面通过螺栓组件相连；所述第一、二径向永磁轴承安装在所述阶梯式驱动轴的左、右两侧；
所述阶梯式驱动轴穿过斜盘，并且所述斜盘与阶梯式驱动轴的中轴线形成不等于90°的倾角；所述缸体内绕轴设有圆周阵列的缸孔，柱塞运动组件置于缸孔内，其左端每个柱塞滑靴组件通过回程盘压紧于斜盘上。
所述缸体随阶梯式驱动轴旋转时，由于斜盘的倾角作用，柱塞运动组件在缸体内进行往复运动；
所述径向磁控外环包括一与所述壳体螺栓组件相连的环壳、四块电磁体、四段主动电磁线圈，两个位移传感器；
其中，四块电磁体均匀安装在环壳内，两个位移传感器分别安装在环壳的轴向和径向外圈。四段主动电磁线圈环向缠绕在所述电磁体上，并通过出线口引线。沿轴向和径向轴对称分布的两个电磁体分别视为一组磁控装置，所述位移传感器监测轴向柱塞泵缸体轴向和径向位置偏离中心参考位置的位移偏差，并反馈至控制器，控制器将检测的位移变换成控制信号，并通过功率放大器将这一控制信号转换成控制电流信号,电流的大小变化使执行电磁体中产生不同大小的磁力,从而控制所述缸体偏离中心参考位置的位移偏差；
所述轴向定位磁控轴承包括一与所述壳体左端面螺栓相连的环壳、一环形电磁体、一主动电磁线圈、一位移传感器；
所述环形电磁体安装在所述环壳内，所述主动电磁线圈环绕在其上，并通过出线口引线。当轴向柱塞泵高速运转时，轴向定位磁控轴承通过安装在环壳外的位移传感器实时监测所述阶梯式驱动轴的轴向位移偏差，与所述径向环形磁控外环控制原理相似，通过控制电流的大小，调节轴向磁力的大小，保证所述阶梯式驱动轴的轴向定位；
所述第一、二径向永磁轴承结构功能上相同，包括一与所述阶梯式驱动轴平键连接的环形永磁内定子，一与所述壳体螺栓组件相连的环形永磁外定子；
所述环形永磁内定子外表面与所述环形永磁外定子内表面磁性相同，利用同磁性相斥的原理使得所述阶梯式驱动轴保持悬浮状态。
2.根据权利要求1所述的一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵，其特征在于：所述径向磁控外环中，沿轴向和径向轴对称分布的电磁体数目可呈偶数倍增加，两两视为一组磁控装置，每组磁控装置可设置位移传感器以实现缸体多角度振动位移的调控。
3.根据权利要求1所述的一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵，其特征在于：所述缸体为磁性材料，所述径向磁控外环通过产生不同大小的电磁力，控制所述缸体偏离中心参考位置的偏差。
4.根据权利要求1所述的一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵，其特征在于：所述径向磁控外环中，位移传感器所采集的信号可通过微分处理器转换为速度信号、加速度信号，实现多形式的振动主动式调控。
5.根据权利要求1所述的一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵，其特征在于：所述径向磁控外环的外圈及左、右端面使用隔磁套，使其仅在内圈表面产生作用于所述缸体的电磁力。
6.根据权利要求1所述的一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵，其特征在于：所述缸体与所述阶梯式驱动轴通过花键联接。
7.根据权利要求1所述的一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵，其特征在于：所述阶梯式驱动轴与所述轴向定位磁控轴承相邻左端面同心安装环形强磁性材料，所述环形强磁性材料与所述阶梯式驱动轴通过螺栓组件相连。
8.根据权利要求7所述的一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵，其特征在于：所述轴向定位磁控轴承的左端面及轴承外圈贴附隔磁套，使其仅在右端面产生作用于所述阶梯式驱动轴的轴向磁力。
9.根据权利要求1所述的一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵，其特征在于：所述径向永磁轴承内定子与外定子间留有间隙，作为所述阶梯式驱动轴的径向悬浮位移间隙；
所述轴向定位磁控轴与所述阶梯式驱动轴上同心安装的环形强磁性材料左端面、所述轴向柱塞泵缸体与径向磁控外环也留有悬浮位移间隙。
10.根据权利要求9所述的一种带磁轴承的振动主动控制式轴向柱塞泵，其特征在于：所述径向永磁轴承外定子外圈及左、右端面贴附隔磁套，使其仅在内圈表面产生作用于内定子的永磁力。
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