CN111927883A - 主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统 - Google Patents

主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统 Download PDF

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CN111927883A CN202010733347.2A CN202010733347A CN111927883A CN 111927883 A CN111927883 A CN 111927883A CN 202010733347 A CN202010733347 A CN 202010733347A CN 111927883 A CN111927883 A CN 111927883A
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闫伟东
王永强
高殿荣
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Abstract

本发明提供一种主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统，其包括转轴、依次套设在转轴上的永磁体套、轴套、线圈、位移传感器支架以及位移传感器探头，并且在永磁体套和轴套的两个端部上还设有端盖组件。本发明主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统集成了磁悬浮支承装置和静压支承装置的优势，并且有效克服了两支承装置的耦合问题，提高了轴承的稳定性与可靠性，同时采用PD控器，利用单闭环PD控制组件存在的稳态误差使斥力型永磁—电磁悬浮装置与静压支承装置按照固定比例共同承载持续外载荷，消除静压支承装置的冗余，提高了主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统的功重比与效率。

Description

主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统
技术领域
本发明涉及传动件技术领域，特别是涉及一种主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统。
背景技术
磁液双悬浮轴承系统采用静压支承与电磁悬浮的双重支承形式，可大幅度提高其承载能力、刚度以及回转精度，较适合于中速重载、频繁启动的场合。但是以往磁液双悬浮轴承的静压支承装置为斥力型支承装置，而电磁悬浮装置为吸力型支承装置，斥力与吸力型支承装置同时工作会产生两装置之间的耦合现象，导致轴承的稳定性差，同时增加了控制装置的难度。
发明内容
根据上述现有技术存在的问题，本发明结合斥力型永磁-电磁悬浮支承装置与斥力型静压支承装置，利用双斥力型支承装置的优点，提供一种更加稳定、便于控制的主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统。
为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统，其包括转轴、依次套设在转轴上的永磁体套、轴套和线圈；位移传感器支架以及单闭环PD控制组件，其中：
所述转轴包括两个间隔设置的第一轴肩和第二轴肩，所述第一轴肩和第二轴肩并将所述转轴依次分成第一轴段、第三轴段和第五轴段，并且在所述第一轴肩上还设有螺纹部；
所述轴套包括进油孔、静压支承腔、回油孔、S极轴肩和N极轴肩，在轴套的外圆周上分别均匀设有多个贯通的进油孔，并且在轴套的内圆周侧的进油孔处设有静压支承腔，在轴套的外圆周侧上缠绕设有线圈，线圈通电之后轴套被轴向磁化，在轴套靠近第一端面处形成S极轴肩，在轴套靠近第二端面处形成N极轴肩；在轴套的外圆周底部处设有回油孔；
所述永磁体套为采用永磁材料制成的轴向磁化回转体，并套设在轴套中，在与轴套的S极轴肩对应位置处设有S极永磁体套端，在与轴套的N极轴肩对应位置处设有N极永磁体套端；在永磁体套的两端面的周向上分别均匀设有多个导油孔；
所述位移传感器支架套设在转轴上，位移传感器探头安装固定在位移传感器支架上；
单闭环PD控制组件包括位移传感器模块、位移检测电路模块、PD控制器、功率放大器以及轴承本体，位移传感器模块包括上端位移传感器和下端位移传感器；PD控制器与功率放大器、以及位移检测电路模块相连接，位移检测电路模块与位移传感器模块相连接，位移传感器模块的上端位移传感器设置在轴承本体的转轴的上侧；位移传感器模块的下端位移传感器设置在轴承本体的转轴的下侧；上端位移传感器和下端位移传感器输出位移量至位移检测电路模块中，经过位移检测电路模块的差动计算，输出模拟量反馈电压U1与基准电压U进行相减电压差值ΔU，再经过PD控制器输出预设的控制电压Uc，控制电压Uc经过功率放大器向输出线圈输入承载范围内的驱动电流i，使转轴依靠磁悬浮支承实现单闭环控制；
当转轴在其横截面上的单自由度方向受到持续外负载作用时，转轴偏离轴承本体的形心，该自由度上的一对静压支承腔的液膜厚度产生变化，静压支承装置通过每一对静压支承腔之间的静压力差促使转轴回复至平衡状态；与此同时该自由度上的一对位移传感器测算出转轴的位移量，位移检测电路模块输出与位移量相对应的模拟反馈电压，并与基准电压进行差动计算，其差值输入PD控制器并输出相应的控制电压，经过功率放大器输出线圈承载范围内的驱动电流，驱动电流改变因线圈电流变化而使电磁支承力产生变化，直至转轴回复至平衡状态；其中由于PD控制器无积分环节，使所述单闭环PD控制组件保持稳态误差，根据静压支承理论转轴的位移量与静压支承装置的静压力呈固定的关系式，根据上述固定关系式，使PD控制器选取预设的比例增益系数kp和微分增益系数kd，使静压支承力与电磁支承力的比例为1时，转轴回复至平衡状态，且单闭环PD控制组件保持稳态误差Ψ，其中转轴的轴心线距轴承本体形心的位移为所述单闭环PD控制组件的稳态误差。
可优选的是，所述轴套的第一端面通过第一骨架密封圈和第一大端盖形成封闭油腔，所述轴套的第二端面通过第二骨架密封圈和第二大端盖形成封闭油腔，所述第一骨架密封圈和所述第二骨架密封圈分别卡装在第一大端盖和第二大端盖的内圆周侧，与转轴形成过盈配合。
可优选的是，所述第一大端盖和第二大端盖分别通过多个连接件与轴套的第一端面和第二端面进行固定，第一小端盖通过连接件与第一大端盖的外凸小端面进行固定，第二小端盖通过连接件与第二大端盖的外凸小端面进行固定。
可优选的是，在轴套的第一端面和第二端面上分别设有一个O型圈槽，在轴套的第一端面和第二端面的周向各均匀设有多个螺纹部盲孔，分别与第一大端盖上的安装通孔以及第二大端盖上的安装通孔相对应。
可优选的是，在永磁体套的两端面分别与外圆周面和内圆周面形成的交线处设有圆倒角，在永磁体套的外圆周侧凹槽处的交线设有圆倒角。
可优选的是，轴套与设置在转轴上的永磁体套形成气隙间隙，所述气隙间隙为30μm。
可优选的是，在所述轴套的外圆周侧的回油孔处设有回油孔平台用来安装管接头，在所述轴套的外圆周侧的进油孔处设有进油孔平台用来安装第一管接头。
可优选的是，在永磁体套和轴套的两个端部上还设有端盖组件，端盖组件包括位于永磁体套和轴套的第一端部上的第一小端盖和第一大端盖、以及位于永磁体套和轴套的第二端部上的第二小端盖和第二大端盖；第一小端盖和第一大端盖上设有第一骨架密封圈和第一O型圈，第二小端盖和第二大端盖上设有第二骨架密封圈和第二O型圈。
由于采用上述技术方案，本发明提供的一种主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统，与现有技术相比具有这样的有益效果：
本发明将斥力型永磁-电磁悬浮装置与静压支承装置相结合，研发设计了一种主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统，其集成了磁悬浮支承装置和静压支承装置的优势，并且由于采用S-S与N-N的斥力型磁场布置，静压支承装置也同为斥力型装置，在动态平衡转轴的过程中，磁物理场与流体物理场之间的相互干扰减弱，有效克服了两支承装置之间的耦合问题；通过单闭环PD控制组件调整线圈的驱动电流大小，实现对电磁支承力的实时调节，提高了轴承的稳定性与可靠性，同时由于PD控制器没有积分环节，故单闭环PD控制组件存在稳定误差，利用稳定误差可以使斥力型永磁-电磁悬浮装置和静压支承装置按照一定比例共同承载外载荷，减小静压支承装置的冗余，提高了主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统的工作效率。
附图说明
图1是本发明主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统的轴侧示意图；
图2是本发明主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统的剖视示意图；
图3a是轴套的主视示意图，图3b是轴套的右视剖视示意图，图3c是轴套的俯视示意图，图3d是轴套的轴侧示意图；
图4a是永磁体套的主视示意图，4b是永磁体套的右视剖视示意图，4c是永磁体套的轴侧示意图；
图5a是第一大端盖的主视示意图，图5b是第一大端盖的右视示意图；
图6a是第一小端盖的主视示意图，图6b是第一小端盖的右视示意图；
图7是转轴的示意图；
图8是单闭环PD控制组件的框架结构示意图；
图9是静压支承装置的原理示意图；
图10是持续外载荷作用下单闭环PD控制组件的响应曲线。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1-2所示，本发明的主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统包括转轴1、依次套设在转轴1上的永磁体套19、轴套15、线圈6、位移传感器探头12和位移传感器支架11，并且在永磁体套19和轴套15的两个端部上还设有端盖组件。
具体而言，如图3a-3d所示，轴套15为一回转体轴套，其包括进油孔23、静压支承腔24、回油孔26、S极轴肩151和N极轴肩152。在轴套15的外圆周上分别均匀设有多个贯通的进油孔23，优选为八个进油孔23，并且在轴套15的内圆周侧的进油孔处设有静压支承腔24，在回转体外圆周侧的进油孔处设有进油孔平台25用来安装第一管接头7。在轴套15的外圆周侧中部处缠绕有线圈6，线圈6通电之后轴套被轴向磁化，在轴套15的第一端面附近形成S极轴肩151，在轴套15的第二端面附近形成N极轴肩152。在轴套15的外圆周底部处设有回油孔26，并且在外圆周侧的回油孔26处设有回油孔平台27用来安装第二管接头17。
在轴套15的第一端面和第二端面上分别设有一个O型圈槽28；轴套15的第一端面和第二端面分别与外圆周面所形成的交线处设有圆倒角29，分别与内圆周面所形成的交线处设有圆倒角30；在轴套15的第一端面和第二端面的周向各均匀设有多个螺纹部盲孔22，分别与第一大端盖5上的安装通孔33以及第二大端盖9上的安装通孔33相对应。
如图4a-4c所示，永磁体套19为采用永磁材料制成的轴向磁化回转体，并套设在轴套15中。在与轴套15的S极轴肩对应位置处设有S极永磁体套端191，在与轴套15的N极轴肩对应位置处设有N极永磁体套端192。在永磁体套19的两端面的周向上分别均匀设有多个导油孔31，优选设有八个导油孔31。在永磁体套19的两端面分别与外圆周面和内圆周面形成的交线处设有圆倒角32，在永磁体套19的外圆周侧凹槽处的交线也设有圆倒角32。
端盖组件包括位于永磁体套19和轴套15的第一端部上的第一小端盖3和第一大端盖5、以及位于永磁体套19和轴套15的第二端部上的第二小端盖10和第二大端盖9。第一小端盖3和第一大端盖5上设有第一骨架密封圈21和第一O型圈18，第二小端盖10和第二大端盖9上设有第二骨架密封圈13和第二O型圈14。
如图5a-5b所示，第一大端盖5和第二大端盖9为回转体结构，在其安装端面的周向均匀设有多个安装通孔33，在其外凸小端面的周向均匀设有多个螺纹部盲孔34。
如图6a-6b所示，第一小端盖3和第二小端盖10为回转体结构，在其端面的周向均匀设有多个安装通孔35。
如图7所示，转轴1设有两个间隔开的第一轴肩37和第二轴肩40，并将转轴1依次分成第一轴段36、第三轴段39和第五轴段41。在第一轴肩37和第三轴段39之间设有凹槽38，其中在第一轴肩37上还设有螺纹部。
在装配过程中，永磁体套19与转轴1的第三轴段39形成过盈配合，永磁体套19的第二端通过转轴1的第二轴肩40进行轴向定位，永磁体套19的第一端通过卡套与第一轴肩37上的螺纹部连接进行轴向定位；轴套15与设置在转轴1上的永磁体套19形成间隙配合，在一个优选实施例中气隙为30μm。轴套15的第一端面和第二端面的O型圈槽28内分别嵌装有第一O型圈18和第二O型圈14；轴套15的第一端面通过第一骨架密封圈21和第一大端盖5形成封闭油腔，轴套15的第二端面通过第二骨架密封圈13和第二大端盖9形成封闭油腔，第一骨架密封圈21和第二骨架密封圈13分别卡装在第一大端盖5和第二大端盖9的内圆周侧，与转轴1形成过盈配合。第一大端盖5和第二大端盖9分别通过多个连接件4与轴套15的第一端面和第二端面进行固定，第一小端盖3通过连接件2与第一大端盖5的外凸小端面进行固定，第二小端盖10通过连接件2与第二大端盖9的外凸小端面进行固定。轴套15的外圆周侧的中部紧紧地缠绕着线圈6，轴套15的外圆周上的多个进油孔平台25上分别安装有第一管接头7和第一垫片8，其外圆周侧的回油孔平台27安装有第二管接头17和第二垫片16。
如图8所示，以转轴1截面的x轴自由度为例，主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统的单闭环PD控制组件包括位移传感器模块43、位移检测电路模块44、PD控制器42、功率放大器45以及轴承本体46，这些单个部件依次连接构成单闭环控制组件。位移传感器模块43包括上端位移传感器431和下端位移传感器432；而轴承本体46包括转轴1、轴套15、线圈6以及位移传感器探头12。PD控制器42与功率放大器45以及位移检测电路模块44相连接，位移检测电路模块44与位移传感器模块43相连接，位移传感器模块43的上端位移传感器431设置在轴承本体46的转轴1的上侧；位移传感器模块43的下端位移传感器432设置在轴承本体46的转轴1的下侧；上端位移传感器431和下端位移传感器432输出位移量至位移检测电路模块44中，经过位移检测电路模块44的差动计算，输出模拟量反馈电压U1与基准电压U进行相减的差算，得到电压差值ΔU，再经过PD控制器42输出预设的控制电压Uc，控制电压Uc经过功率放大器45输出线圈6的承载范围内的驱动电流i，使斥力型永磁-电磁悬浮支承装置系统根据转轴1沿x轴方向的位移提供相对应的磁悬浮支承，实现单闭环控制。
在一个具体实施例中，当在转轴1截面的x轴自由度施加100N的持续载荷f，如图10所示为单闭环PD控制组件响应曲线，展示了该控制组件具有理想的动态增益性能和超调量，随着时间t的推移，转轴很快就平衡在预设的稳态误差Ψ附近，使得总体上稳态误差Ψ表现为一水平线的状态。
下面结合附图给出本发明的一个具体的优选实施例：
转轴1为不锈钢转轴，其长度为206mm；转轴1的第一轴段36的直径为40mm，长度为60mm；第一轴肩37的直径为42mm，长度为4mm；凹槽38的深度为3mm，长度为2mm；第三轴段39的直径为42mm，长度为78mm；第二轴肩40的直径为48mm，长度为2mm；第五轴段41的直径为40mm，长度为60mm。
第一小端盖3为回转体，外径为51mm，内径为41mm，厚度为3mm，沉孔的直径为3mm，深度为0.5mm，安装通孔35的直径为2.2mm，安装通孔35的轴心线与第一小端盖3的轴心线距离为23.5mm；第一小端盖3的加工材料为不锈钢；第二小端盖10的结构尺寸与第一小端盖3的结构尺寸完全相同。
第一大端盖5为回转体，边外圆直径为80mm，边外圆厚度为3mm，端盖总厚度为7.34mm，端盖内径为43mm，内径深度为2.60mm；螺纹部盲孔34的直径为2mm，深度为2.5mm，螺纹部盲孔34的轴心线与第一大端盖5的轴心线的距离为23.5mm；安装通孔33的直径为2.2mm，沉孔的直径为3mm，深度为0.5mm，安装通孔33的轴心线与第一大端盖5的轴心线的距离为34mm；第二大端盖9的结构尺寸与第一大端盖5完全相同。
轴套15为回转体，长度为80mm，外径为80mm，内径为55mm；进油孔23的直径为6mm，进油孔平台25与轴套15轴心线的距离为39.25mm，长度为27.5mm；静压支承腔24沿着回转体内圆周侧下沉0.8mm，周向角度为12°，长度为16mm；回油孔26的直径为4mm，回油孔平台27与轴套15轴心线的距离为39.25mm，长度为27.5mm；O型圈槽28的外径为60mm，内径为58mm，槽深为0.8mm；螺纹部盲孔22的直径为2mm，深度为2.5mm，螺纹部盲孔22的轴心线与轴套15的轴心线的距离为34mm；圆倒角29的半径为2mm，圆倒角30的半径为1mm。
永磁体套19为回转体，其长度为80mm，内径为42mm，第一端轴肩处的外径为54mm，长度为21mm，第二端轴肩的结构尺寸与第一端相同，中部凹槽处的外径为48.42mm，长度为38mm；导油孔31的直径为2mm。
位移传感器支架11为回转体，其外径为54mm，内径为49mm，宽度为8mm，位移传感器探头安装平面距轴心线26mm。
第一O型圈18和第二O型圈14的直径均为59mm，截面直径为1.1mm。
卡套为回转体，其外径为46mm，内径为42mm，厚度为4mm。
本发明的主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统采用斥力型永磁—电磁悬浮装置与静压支承装置共同支承。
斥力型永磁—电磁悬浮装置包括永磁体套19、轴套15、线圈6、位移传感器探头12和位移传感器支架11，其工作原理：轴套15的外圆周侧的凹槽处缠绕有线圈6，线圈6通电之后，轴套15的第一端轴肩为S极轴肩151，第二端轴肩为N极轴肩152。安装在转轴1上的永磁体套19为轴向磁化，永磁体套19包括S极永磁体套191和N极永磁体套192；轴套15与永磁体套19的第一端和第二端分别对应形成了稳定的磁场，对转轴1起到了支承作用。并且采用单闭环PD控制组件，通过位移传感器模块43检测转轴1的位移量并反馈给PD控制器42，PD控制器42发出信号调整线圈6的驱动电流，从而达到根据转轴1的位移量实时调控斥力型永磁—电磁悬浮装置电磁支承力输出的目的。
静压支承装置包括轴套15上设置的进油孔23、回油孔26、静压支承腔24、第一管接头7、第二管接头17、第一垫片8和第二垫片16。其工作原理：压力油液通过轴套15上的进油孔23导入静压支承腔24，从而为转轴1提供静压支承力。压力油液的输入为恒流量，当转轴1受到外部激励或者外载荷时会向一侧产生位移，同时该侧静压支承腔24的液膜厚度会随之减小，根据静压支承理论该侧静压支承腔提供的支承力随之增大。因此，静压支承装置可以根据转轴的位移自动地调整静压支承力的大小。
本发明的创新之一，在于双斥力型磁液双悬浮轴承系统利用稳定误差可以使斥力型永磁-电磁悬浮装置和静压支承装置按照一定比例共同承载外载荷，减小静压支承装置的冗余，提高了主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统的工作效率。当转轴1在其横截面上的单自由度方向受到持续外负载作用时，转轴1偏离轴承本体的形心，该自由度上的一对静压支承腔的液膜厚度产生相应的变化，根据静压支承理论转轴偏移一侧的液膜厚度减小，则该侧静压支承腔提供的静压力增大，同理另一侧的液膜厚度增大，静压力减小，静压支承装置通过每一对静压支承腔之间的静压力差促使转轴回复至平衡状态；与此同时该自由度上的一对位移传感器测算出转轴的位移量，位移检测电路模块输出与位移量相对应的模拟反馈电压，并与基准电压进行差动计算，其差值输入PD控制器并输出相应的控制电压，经过功率放大器输出线圈承载范围内的驱动电流，驱动电流改变电磁支承力直至转轴回复至平衡状态；其中由于PD控制器缺少积分环节，使该单自由度PD控制组件保持稳态误差，根据静压支承理论转轴的位移量与静压支承装置的静压力呈固定的关系式，根据上述固定关系式，使PD控制器选取适当的比例增益系数kp和微分增益系数kd，使转轴的位移量与作用于线圈的驱动电流呈固定的关系，因此也就与电磁支承力呈固定的关系，使静压支承力与电磁支承力的比例为1时，转轴回复至平衡状态，此时转轴的轴心线距轴承本体形心的位移便是该单闭环PD控制组件保持的稳态误差。
具体而言，本发明的双斥力型磁液双悬浮轴承系统由斥力型永磁—电磁悬浮装置与静压支承装置共同提供支承力。以转轴1截面的x轴方向单自由度为例，初始状态无外干扰作用下，转轴1的轴心线平衡在轴承本体46的形心位置，此时的形心位置为初始位置，上端位移传感器431与下端位移传感器432分别检测的初始位移x10与x20相等，x10＝x20，位移检测电路模块44经过差动计算输出的模拟反馈电压U1与基准电压U相等，U1＝U，因此电压差值ΔU＝0，所以PD控制器42输出的控制电压Uc等于基准电压U，Uc＝U，功率放大器45的输出的驱动电流i与初始驱动电流i0相等，i＝i0。静压支承装置在该自由度上的一对上静压支承腔241与下静压支承腔242的各初始液膜厚度h10与h20相等，h10＝h20，根据静压支承理论则上静压支承腔241与下静压支承腔242分别提供的初始静压力P10与P20相等，P10＝P20。
当转轴1的x轴方向受到持续外负载f的作用时，转轴1偏离轴承本体46的形心，上端位移传感器431检测的位移x1与下端位移传感器432检测的位移x2经过差动计算得到位移量Δx＝x1-x2，位移检测电路模块44输出与位移量Δx相对应的模拟反馈电压U1，其与基准电压U存在差值ΔU，ΔU＝U-U1，通过PD控制器42输出相应的控制电压Uc，经过功率放大器45输出线圈6承载范围内的驱动电流i，i＝i0±ic，其中i0为在无外干扰情况下使转轴1保持在形心位置的初始电流，ic为线圈6的驱动电流增量，当Δx﹥0时，i＝i0+ic；当Δx﹤0时，i＝i0-ic。如图9所示，在转轴1离开形心位置即初始位置向外载荷方向的一侧产生位移Δx时，该侧的静压支承腔242的液膜厚度h2会随之减小Δx，h2＝h0-Δx，根据静压支承理论静压支承腔242提供的静压力增大；另一侧的静压支承腔241的液膜厚度h1会随之增大Δx，h1＝h0+Δx，根据静压支承理论静压支承腔242提供的静压力增大。两静压支承腔根据转轴1的位移Δx分别调节静压支承力P1和P2，直至转轴1达到平衡状态。
其中主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统的PD控制器42相比较于PID控制器缺少积分环节，因此单闭环PD控制组件存在稳态误差。若主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统使用PID控制器，当转轴1受到持续外载荷f的作用时，PID控制器的积分环节将会消除稳态误差，使转轴1回复至轴承本体46的形心位置保持平衡状态，也就是初始位置，此时可以认为斥力型静压支承装置在单自由度上的一对静压支承腔24的液膜厚度相等，因此两静压支承腔分别提供大小相等、方向相反的静压支承力P1和P2，P1＝P2，此时斥力型静压支承装置提供支承力P＝P1-P2＝0来支承持续外载荷f，转轴1在初始位置恢复平衡状态后，轴承系统仅依靠斥力型永磁-电磁悬浮支承装置提供电磁斥力支承持续外载荷f，这样便造成了斥力型静压支承装置的冗余。PD控制器42使单闭环PD控制组件保持稳态误差Ψ，使转轴1回复至平衡状态的位置距轴承本体46的形心位置或称初始位置为Ψ。根据静压支承理论静压支承腔24的液膜厚度h与静压支承力P呈固定的关系式，h＝h0-Δx，因此转轴1的位移Δx与静压支承力P也呈固定的关系式；根据上述固定关系式，使PD控制器选取适当的比例增益系数kp和微分增益系数kd，使转轴1的位移Δx与作用于线圈6的驱动电流i呈固定的关系式，因此也就与电磁支承力F也呈固定的关系式，该固定关系使电磁支承力F与静压支承力P的比例为K＝F/P＝1时，转轴1达到平衡状态，此时转轴1与轴承系统形心或初始位置的距离便是上述的稳态误差Ψ，斥力型永磁-电磁悬浮支承装置提供的电磁支承力F与斥力型静压支承装置提供的静压支承力P的按照K＝F/P＝1的比例共同支承持续外载荷f，有效避免了静压支承装置的冗余，提高轴承系统的功重比和效率。
本发明的主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统具有斥力型磁场设置方式，轴套外圆周侧的中部缠绕有线圈，线圈通电之后，轴套第一端轴肩为S极，第二端轴肩为N极；安装在转轴上的永磁体套为轴向磁化，永磁体套第一端轴肩为S极，第二端轴肩为N极；轴套的第一、第二端分别与永磁体套的第一、第二端对应形成了稳定的磁场，对转轴起到了斥力支承作用；并采用单闭环PD控制组件，通过位移传感器检测转轴的位移并反馈给PD控制器，PD控制器发出信号调整线圈的驱动电流，从而根据转轴的位移实时控制斥力型永磁-电磁悬浮装置电磁支承力的输出；静压装置通过静压支承腔产生的斥力为转子提供支承力，静压装置的输入流量恒定，转轴的位移会改变静压支承腔的油膜厚度，静压装置可以根据油膜厚度的改变自适应地改变静压支承力。与以往磁液双悬浮径向轴承系统相比，主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统集成了磁悬浮支承装置和静压支承装置的优势，并且由于采用S-S与N-N的斥力型磁场布置，静压支承装置也同为斥力型装置，在动态平衡转轴的过程中，磁物理场与流体物理场之间的相互干扰减弱，有效克服了两支承装置之间的耦合问题；通过单闭环PD控制组件调整线圈的驱动电流大小，实现对电磁支承力的实时调节，提高了轴承的稳定性与可靠性，同时由于PD控制器没有积分环节，故单闭环PD控制组件会存在稳定误差，利用稳定误差可以使斥力型永磁-电磁悬浮装置和静压支承装置按照一定比例共同承载外载荷，减小静压支承装置的冗余，提高了主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统的工作效率。
以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种主动双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统，其包括转轴、依次套设在转轴上的永磁体套、轴套和线圈；位移传感器支架以及单闭环PD控制组件，其特征在于：
所述转轴包括两个间隔设置的第一轴肩和第二轴肩，所述第一轴肩和第二轴肩并将所述转轴依次分成第一轴段、第三轴段和第五轴段，并且在所述第一轴肩上还设有螺纹部；
所述轴套包括进油孔、静压支承腔、回油孔、S极轴肩和N极轴肩，在轴套的外圆周上分别均匀设有多个贯通的进油孔，并且在轴套的内圆周侧的进油孔处设有静压支承腔，在轴套的外圆周侧上缠绕设有线圈，线圈通电之后轴套被轴向磁化，在轴套靠近第一端面处形成S极轴肩，在轴套靠近第二端面处形成N极轴肩；在轴套的外圆周底部处设有回油孔；
所述永磁体套为采用永磁材料制成的轴向磁化回转体，并套设在轴套中，在与轴套的S极轴肩对应位置处设有S极永磁体套端，在与轴套的N极轴肩对应位置处设有N极永磁体套端；在永磁体套的两端面的周向上分别均匀设有多个导油孔；
所述位移传感器支架套设在转轴上，位移传感器探头安装固定在位移传感器支架上；
单闭环PD控制组件包括位移传感器模块、位移检测电路模块、PD控制器、功率放大器以及轴承本体，位移传感器模块包括上端位移传感器和下端位移传感器；PD控制器与功率放大器、以及位移检测电路模块相连接，位移检测电路模块与位移传感器模块相连接，位移传感器模块的上端位移传感器设置在轴承本体的转轴的上侧；位移传感器模块的下端位移传感器设置在轴承本体的转轴的下侧；上端位移传感器和下端位移传感器输出位移量至位移检测电路模块中，经过位移检测电路模块的差动计算，输出模拟量反馈电压U1与基准电压U进行相减电压差值ΔU，再经过PD控制器输出预设的控制电压Uc，控制电压Uc经过功率放大器向输出线圈输入承载范围内的驱动电流i，使转轴依靠磁悬浮支承实现单闭环控制；
当转轴在其横截面上的单自由度方向受到持续外负载作用时，转轴偏离轴承本体的形心，该自由度上的一对静压支承腔的液膜厚度产生变化，静压支承装置通过每一对静压支承腔之间的静压力差促使转轴回复至平衡状态；与此同时该自由度上的一对位移传感器测算出转轴的位移量，位移检测电路模块输出与位移量相对应的模拟反馈电压，并与基准电压进行差动计算，其差值输入PD控制器并输出相应的控制电压，经过功率放大器输出线圈承载范围内的驱动电流，驱动电流改变因线圈电流变化而使电磁支承力产生变化，直至转轴回复至平衡状态；其中由于PD控制器无积分环节，使所述单闭环PD控制组件保持稳态误差，根据静压支承理论转轴的位移量与静压支承装置的静压力呈固定的关系式，根据上述固定关系式，使PD控制器选取预设的比例增益系数kp和微分增益系数kd，使静压支承力与电磁支承力的比例为1时，转轴回复至平衡状态，并且单闭环PD控制组件保持稳态误差Ψ，其中转轴的轴心线距轴承本体形心的位移为所述单闭环PD控制组件的稳态误差。
2.根据权利要求1所述的双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统，其特征在于：所述轴套的第一端面通过第一骨架密封圈和第一大端盖形成封闭油腔，所述轴套的第二端面通过第二骨架密封圈和第二大端盖形成封闭油腔，所述第一骨架密封圈和所述第二骨架密封圈分别卡装在第一大端盖和第二大端盖的内圆周侧，与转轴形成过盈配合。
3.根据权利要求2所述的双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统，其特征在于：所述第一大端盖和第二大端盖分别通过多个连接件与轴套的第一端面和第二端面进行固定，第一小端盖通过连接件与第一大端盖的外凸小端面进行固定，第二小端盖10通过连接件与第二大端盖的外凸小端面进行固定。
4.根据权利要求1所述的双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统，其特征在于：在轴套的第一端面和第二端面上分别设有一个O型圈槽，在轴套的第一端面和第二端面的周向各均匀设有多个螺纹部盲孔，分别与第一大端盖上的安装通孔以及第二大端盖上的安装通孔相对应。
5.根据权利要求1所述的双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统，其特征在于：在永磁体套的两端面分别与外圆周面和内圆周面形成的交线处设有圆倒角，在永磁体套的外圆周侧凹槽处的交线设有圆倒角。
6.根据权利要求1所述的双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统，其特征在于：轴套与设置在转轴上的永磁体套形成气隙间隙，所述气隙间隙为30μm。
7.根据权利要求1或者2所述的双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统，其特征在于：在所述轴套的外圆周侧的回油孔处设有回油孔平台用来安装管接头，在所述轴套的外圆周侧的进油孔处设有进油孔平台用来安装第一管接头。
8.根据权利要求1或者2所述的双斥力型磁液双悬浮径向轴承系统，其特征在于：在永磁体套和轴套的两个端部上还设有端盖组件，端盖组件包括位于永磁体套和轴套的第一端部上的第一小端盖和第一大端盖、以及位于永磁体套和轴套的第二端部上的第二小端盖和第二大端盖；第一小端盖和第一大端盖上设有第一骨架密封圈和第一O型圈，第二小端盖和第二大端盖上设有第二骨架密封圈和第二O型圈。
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