CN111682669B - 基于气浮原理的超小阻尼旋转装置 - Google Patents

基于气浮原理的超小阻尼旋转装置 Download PDF

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Abstract

本申请涉及高度旋转技术领域，尤其涉及一种基于气浮原理的超小阻尼旋转装置，包括有定子组件和能够相对于定子组件旋转的转子组件，定子组件设置有供转子组件嵌入的凹槽，转子组件和凹槽的横截面均设置为圆形、且由下至上逐渐减小，凹槽内均匀分布有多个与通气管路连通的节流孔，转子组件嵌在凹槽内、并在节流孔的出气作用下使转子组件和定子组件之间形成气流薄膜。如此设置，由于气流薄膜的作用，转子组件和定子组件之间不会受到机械摩擦，只要有持续的电磁驱动力，转子组件就可以实现不断的加速，最终实现高速旋转的目的，有利于突破转速限制，并实现实验室高速旋转实验。

Description

基于气浮原理的超小阻尼旋转装置
技术领域
本申请涉及高速旋转技术领域，更具体地说，涉及一种基于气浮原理的超小阻尼旋转装置。
背景技术
电机是电机工程行业、乃至整个工业体系中最重要的部件，而电机的运动又是以旋转为基础的。在科研实验领域，经常需要观察一些研究对象高速旋转时的相关性质，现有技术一般会将观察对象固定到转台上，而转台则通过机械连接机构与电机连接，最后电机驱动转台运动。
电机的优点在于旋转轴稳定，速度容易控制。目前几乎所有旋转装置都是以电机为动力源，再通过传动机构驱动转台运动。现有技术采用电机作为动力源，再通过传动机构驱动转台运动，这种方案中材料的强度会限制转动的最高速度，比如轴承、齿轮等零件，由于它们之间是直接接触的，每个零件都会有最高速度限制，最后降低了整个旋转装置可以达到的最高速度。而且，高速旋转装置是科研实验中最常用的仪器设备之一，然而受到材料强度的限制，旋转装置的转速不能过高。现有的旋转装置多采用了轴承的结构，但轴承也有自己能承受的最高转速，使得许多高速旋转的实验无法实现。
因此，如何解决现有的旋转装置多采用了轴承的结构，受到材料强度的限制，转速不高的问题，是本领域技术人员所要解决的关键技术问题。
发明内容
为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请的目的在于提供一种基于气浮原理的超小阻尼旋转装置，其能够现有的旋转装置多采用了轴承的结构，受到材料强度的限制，转速不高的问题。本申请提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
本申请提供了一种基于气浮原理的超小阻尼旋转装置，包括有定子组件和能够相对于所述定子组件旋转的转子组件，所述定子组件设置有供所述转子组件嵌入的凹槽，所述转子组件和所述凹槽的横截面均设置为圆形、且由下至上逐渐减小，所述凹槽内均匀分布有多个与通气管路连通的节流孔，所述转子组件嵌在所述凹槽内、并在所述节流孔的出气作用下使所述转子组件和所述定子组件之间形成气流薄膜。
优选地，所述转子组件包括有转子主体和设置在所述转子主体内的磁铁结构，所述定子组件包括有定子主体和设置在所述定子主体内的用于带动所述磁铁结构旋转的电磁结构，所述凹槽开设在所述定子主体的上端面，所述磁铁结构和所述电磁结构相对设置、并分别环绕在所述凹槽的开口的内外两侧。
优选地，所述磁铁结构包括有多个沿所述转子主体周向分布的永磁铁块，所述电磁结构包括有多个沿所述定子主体的周向分布的通电螺线管，各个所述永磁铁块的磁极方向均与所述凹槽的径向垂直，且相邻的两个永磁铁块的磁极相反，各个所述通电螺线管的轴向均与所述凹槽的径向一致，所述通电螺线管的数量大于所述永磁铁块的数量、且非所述永磁铁块的整数倍。
优选地，所述永磁铁块设置有八个，且所述通电螺线管设置有九个。
优选地，所述转子主体和所述定子主体的上端面分别设置有用于安装所述永磁铁块和所述通电螺线管的容置槽。
优选地，所述转子主体和所述定子主体之间通过球面接触。
优选地，所述转子主体包括有圆柱部和位于所述圆柱部下方的半球部，所述圆柱部的直径大于所述半球部的直径，且所述磁铁结构设置在所述圆柱部的边沿位置。
优选地，所述转子主体的上部设置为空心结构，且所述转子主体的下部设置为实心结构。
优选地，所述节流孔沿所述凹槽的轴向设置，且多个所述节流孔沿所述凹槽的径向呈放射状分布。
优选地，所述定子主体和所述转子主体均设置防磁化材质。
本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：
凹槽内设置有多个节流孔，该节流孔均匀分布在凹槽的槽底和槽壁，而且节流孔与通气管路连通，以便于通气管路给节流孔供气，具体地，节流孔通过通气管路与气泵连通，当气泵运行时，气体由通气管路流通至节流孔，再由节流孔排出到凹槽内，由于凹槽内镶嵌设置有转子组件，气体自下而上流动、并推动转子组件，直至气流的推力与转子组件的重力达到平衡，并在转子组件和定子组件之间形成气流薄膜，以使得转子组件浮在凹槽内，进而消除了零件之间直接接触带来的机械摩擦，使本旋转装置的最高转速可以得到进一步提升。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据一些示例性实施例示出的本基于气浮原理的超小阻尼旋转装置立体图；
图2是根据一些示例性实施例示出的本基于气浮原理的超小阻尼旋转装置剖视图；
图3是根据一些示例性实施例示出的本基于气浮原理的超小阻尼旋转装置分解图；
图4是根据一些示例性实施例示出的本基于气浮原理的超小阻尼旋转装置的电磁驱动原理图；
图5是根据一些示例性实施例示出的节流孔的分布示意图。
图中：1、电磁结构；2、定子主体；3、磁铁结构；4、转子主体；5、节流孔。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与本申请的一些方面相一致的装置或方法的例子。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
以下，参照附图对实施例进行说明。此外，下面所示的实施例不对权利要求所记载的发明内容起任何限定作用。另外，下面实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利要求所记载的发明的解决方案所必需的。
参考图1-图5，本具体实施方式提供了一种基于气浮原理的超小阻尼旋转装置，包括有转子组件和定子组件，其中，定子组件固定设置，当通电后转子组件能够相对于定子组件旋转。在定子组件的上端面设置有凹槽，该凹槽的大小与转子组件相匹配、以供转子组件嵌入，而且，转子组件和凹槽的横截面均设置为圆形，同时横截面积由下至上逐渐减小，具体地，可以设置为圆锥、圆台或者半球形等。
凹槽内设置有多个节流孔5，该节流孔5均匀分布在凹槽的槽底和槽壁，而且节流孔5与通气管路连通，以便于通气管路给节流孔5供气，具体地，节流孔5通过通气管路与气泵连通，当气泵运行时，气体由通气管路流通至节流孔5，再由节流孔5排出到凹槽内，由于凹槽内镶嵌设置有转子组件，气体自下而上流动、并推动转子组件，直至气流的推力与转子组件的重力达到平衡，并在转子组件和定子组件之间形成气流薄膜，以使得转子组件浮在凹槽内，进而消除了零件之间直接接触带来的机械摩擦，使本旋转装置的最高转速可以得到进一步提升。
需要说明的是，本旋转装置只针对旋转轴竖直的情况，也是科研实验中最常见的情况，这里不考虑旋转轴倾斜的情况。利用本旋转转置，可以将结构周向分布的研究对象固定到转子组件上，实现对研究对象高速旋转状态下的科学分析与观察。
如此设置，由于气流薄膜的作用，转子组件和定子组件之间不会受到机械摩擦，只要有持续的电磁驱动力，转子组件就可以实现不断的加速，最终实现高速旋转的目的，有利于突破转速限制，并实现实验室高速旋转实验。
本实施例中，转子组件包括有转子主体4和磁铁结构3，其中，磁铁结构3设置在转子主体4内、并沿转子主体4的周向环绕设置；定子组件包括有定子主体2和电磁结构1，电磁结构1设置在定子主体2内、并沿定子主体2的周向环绕设置，磁铁结构3和电磁结构1的位置相对应，以使得通过改变电磁结构1的电流大小和方向、而带动磁铁结构3相对于电磁结构1旋转，进而使得转子主体4相对于定子主体2旋转。具体地，凹槽开设在定子主体2的上端面，以便于转子主体4竖直嵌入到凹槽内，而且，磁铁结构3和电磁结构1分别环绕在凹槽的开口的内外两侧，方便驱动转子主体4旋转，有利于提升旋转速度。
其中，磁铁结构3包括有多个永磁铁块，该永磁铁块设置为条形，多个永磁铁块沿转子主体4的周向均匀分布、并环绕在凹槽的内侧，而且，各个永磁铁块的磁极方向均与凹槽的径向垂直，即永磁铁块的N极至S极的方向垂直于凹槽的径向，相邻的两个永磁铁块的磁极相反，以使得在多个永磁铁块构成的磁铁结构3中N极和S极沿排列方向交替设置。
相对应地，电磁结构1包括有多个通电螺线管，该通电螺线管设置为管状，在通电时具有磁性，多个通电螺线管沿定子主体2的轴向均匀分布、并环绕在凹槽的外侧，而且，各个通电螺线管的轴向均与凹槽的径向相一致，这样，当通电螺线管通电后产生的磁场可以推动着永磁铁块位移，进而实现转子主体4相对于定子主体2旋转。其中，每个通电螺线管引出两个接线端子到电流控制器中，通过控制通电螺线管的电流大小与方向，可以改变每个通电螺线管的磁极方向和磁场大小。
而且，通电螺线管的数量大于永磁铁块的数量，而且通电螺线管的数量不够成永磁铁块的数量的整数倍，这样，物流转子主体4处于何种位置，总会有至少一组通电螺旋管与永磁铁块，两者不处于同一径向上，以使得该通电螺线管推动着永磁铁块位移，有利于保证较好的旋转速度。
具体地，永磁铁块设置有八个，且通电螺线管设置有九个，当然，永磁铁块的数量可以设置为其他数量，而通电螺线管的数量也可以比永磁铁块多一个。为了说明本发明的控制原理，可以将八个永磁铁块标记为①，②，…，⑧，九个通电螺线管为A，B，…，I，如图4所示。由于永磁铁块和通电螺线管的个数不一样，无论转子主体4处于何种位置，总可以找到某个通电螺线管A和永磁铁块①组合，这里用A和①进行标记，在通电螺线管A通电时，能给永磁铁块①以最大的作用力，并使该作用力在期望转动的切线方向上有较大的分力。由于永磁铁块的排列是N极、S极交替，通电螺线管A对两个邻近的永磁铁块①和②产生的磁力如图4所示，很显然，这两个磁力会促使转子主体4顺时针旋转。当然，永磁铁块①与②受到的磁力，也会在转子主体4的径向方向有一定的分力，而这些分力可以通过其它通电螺线管和永磁铁块之间的相互作用抵消，如图4中，永磁铁块⑤⑥和通电螺线管EF之间的相互作用，最终只保留了转子主体4切线方向的分力。
需要说明的是，对通电螺线管的电流控制直接影响到了转子主体4的转动情况，通电螺线管的通电规律基本上符合“轮流通电，按需补偿”的原则，即优先保证某个通电螺线管和永磁铁块之间的最大驱动力，再控制其它通电螺线管中的电流，补偿不必要的寄生力，当转子主体4位置改变后，再优先保证另一个通电螺线管和永磁铁块之间的最大驱动力，以驱动转子持续运动。
由于空气薄膜的作用，转子主体4不会受到机械摩擦，只要有持续的电磁驱动力，转子主体4就可以实现不断的加速，最终实现高速旋转的目的，可见，限制其最高转速的因素不再是材料强度，而是电流控制器对电流的控制频率和精度。而转子组件和定子组件之间的相互作用力比较复杂，想要完全消除转子组件在径向方向的寄生力也有一定的困难，但是，节流孔5处的气体冲击力与转子组件的自身重力相互作用，为转子组件的中心保持相关恒定也起到了重要的作用。
为了便于安装永磁铁块和通电螺线管，转子主体4和定子主体2的上端面分别设置有容置槽，以供永磁铁块和通电螺线管嵌入、并固定，进而方便拆装，有利于多次实验。
一些优选方案中，转子主体4和定子主体2之间通过球面接触，即定子主体2上设置的凹槽设置为球面，相对应地，转子主体4嵌入到凹槽内的部分设置为球形，以使得转子主体4和定子主体2之间形成的气流薄膜为球面，在节流孔5推动转子组件浮动时具有较好的稳定性，而且方便控制节流孔5的出气量和出气速度。
其中，转子主体4包括有圆柱部和半球部，半球部位于圆柱部下方，圆柱部的直径大于半球部的直径、并在半球部的上方形成圆环形的边沿，而磁铁结构3设置在圆柱部的边沿位置。相对应地，凹槽包括有与半球部相匹配的球形槽和环绕在球形槽的开口边沿的环形槽，圆柱部的边沿搭在环形槽内、且半球部嵌在球形槽内，有利于提升转子主体4与定子主体2接合的稳固性，而且有利于保证转子主体4与定子主体2之间的气流薄膜均衡稳定。
为了防止转子组件转速过快而由凹槽内脱离，将转子主体4的上部设置为空心结构，转子主体4的下部设置为实心结构，以使得转子组件的重心处于转子主体4的下部，具体地，圆柱部设置为空心结构，半球部设置为空心结构、并在半球部的球冠位置设置实心的、高密度的、均匀的填充物，使转子主体4的重心位于靠近球冠的位置。
一些实施例中，节流孔5沿凹槽的轴向设置，即节流孔5的延伸方向与转子组件的转轴相平行，以便于提供给转子组件竖直向上的气流推力，有利于保证气流薄膜的均衡稳定。而且，多个节流孔5沿凹槽的径向呈放射状分布，具体地，如图5所示，节流孔5环绕设置有四圈，每圈设置有八个节流孔5，凹槽中的节流孔5数为33个。各个节流孔5均通过通气管路连接气泵，气泵将气体输入到定子内部的节流孔5，在通入气体时，定子组件和转子组件之间形成气流薄膜，定子组件与转子组件之间的机械摩擦力消失，转子组件处于自由转动的状态。在不通入气体时，转子组件与定子组件之间无气流薄膜，两者之间摩擦力很大，转子组件无法自由转动。
为了避免转子主体4和定子主体2被电磁结构1或磁铁结构3磁化，定子主体2和转子主体4均设置防磁化材质，具体地，定子主体2和转子主体4均不包括铁、钴、镍成份，转子主体4采用铝与钛合金，而内部的实心配重部分以密度大的钛合金为主。
需要说明的是，本文所表述的“第一”“第二”等词语，不是对具体顺序的限制，仅仅只是用于区分各个部件或功能。所阐述的“水平”“竖直”“上”“下”是在该基于气浮原理的超小阻尼旋转装置处于如图1摆放状态时之所指。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。本申请提供的多个方案包含本身的基本方案，相互独立，并不互相制约，但是其也可以在不冲突的情况下相互结合，达到多个效果共同实现。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，但可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种基于气浮原理的超小阻尼旋转装置，其特征在于，包括有定子组件和能够相对于所述定子组件旋转的转子组件，所述定子组件设置有供所述转子组件嵌入的凹槽，所述转子组件和所述凹槽的横截面均设置为圆形、且由上至下逐渐减小，所述凹槽内均匀分布有多个与通气管路连通的节流孔(5)，所述转子组件嵌在所述凹槽内、并在所述节流孔(5)的出气作用下使所述转子组件和所述定子组件之间形成气流薄膜；所述转子组件包括有圆柱部和位于所述圆柱部下方的半球部，所述圆柱部的直径大于所述半球部的直径，所述节流孔(5)沿所述凹槽的轴向设置，且多个所述节流孔(5)沿所述凹槽的径向呈放射状分布。
2.根据权利要求1所述的基于气浮原理的超小阻尼旋转装置，其特征在于，所述转子组件包括有转子主体(4)和设置在所述转子主体(4)内的磁铁结构(3)，所述定子组件包括有定子主体(2)和设置在所述定子主体(2)内的用于带动所述磁铁结构(3)旋转的电磁结构(1)，所述凹槽开设在所述定子主体(2)的上端面，所述磁铁结构(3)和所述电磁结构(1)相对设置、并分别环绕在所述凹槽的开口的内外两侧。
3.根据权利要求2所述的基于气浮原理的超小阻尼旋转装置，其特征在于，所述磁铁结构(3)包括有多个沿所述转子主体(4)周向分布的永磁铁块，所述电磁结构(1)包括有多个沿所述定子主体(2)的周向分布的通电螺线管，各个所述永磁铁块的磁极方向均与所述凹槽的径向垂直，且相邻的两个永磁铁块的磁极相反，各个所述通电螺线管的轴向均与所述凹槽的径向一致，所述通电螺线管的数量大于所述永磁铁块的数量、且非所述永磁铁块的整数倍。
4.根据权利要求3所述的基于气浮原理的超小阻尼旋转装置，其特征在于，所述永磁铁块设置有八个，且所述通电螺线管设置有九个。
5.根据权利要求3所述的基于气浮原理的超小阻尼旋转装置，其特征在于，所述转子主体(4)和所述定子主体(2)的上端面分别设置有用于安装所述永磁铁块和所述通电螺线管的容置槽。
6.根据权利要求2所述的基于气浮原理的超小阻尼旋转装置，其特征在于，所述转子主体(4)和所述定子主体(2)之间通过球面接触。
7.根据权利要求6所述的基于气浮原理的超小阻尼旋转装置，其特征在于，所述磁铁结构(3)设置在所述圆柱部的边沿位置。
8.根据权利要求2所述的基于气浮原理的超小阻尼旋转装置，其特征在于，所述转子主体(4)的上部设置为空心结构，且所述转子主体(4)的下部设置为实心结构。
9.根据权利要求2所述的基于气浮原理的超小阻尼旋转装置，其特征在于，所述定子主体(2)和所述转子主体(4)均设置防磁化材质。
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