CN112324802A - 一种无位置传感器径向磁悬浮轴承 - Google Patents

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王晓远
张耀鹏
高鹏
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Abstract

本发明涉及一种无位置传感器径向磁悬浮轴承，包含有定子铁心，电磁控制线圈，激励线圈，检测线圈，转子，转轴，四个电磁控制磁极对和四个位置检测磁极。其中，转子与转轴放置在定子铁心形成的空腔内，转子套接在转轴上，与定子铁心之间存在气隙，轴向长度与定子铁心相等且平齐；四个电磁控制磁极对沿径向均匀排布在定子铁心上，在每个电磁控制磁极对之间固定有一个位置检测磁极，每个电磁控制磁极的宽度比电磁控制磁极宽度窄；在位置检测磁极与定子铁心轭部之间设置有隔磁桥，隔磁桥呈瓦片状，与位置检测磁极和定子铁心轭部贴合；所述的激励线圈和所述的检测线圈缠绕在隔磁桥外侧的位置检测磁极上。

Description

一种无位置传感器径向磁悬浮轴承
技术领域
本发明提出了一种无位置传感器径向磁悬浮轴承，属于电气和机械传动设备领域。此结构属于异极性、不需要额外安装位置传感器的径向磁悬浮轴承，可用于高速电机，飞轮系统，离心机等高速旋转系统的无接触支撑。
背景技术
磁悬浮轴承是利用磁场力作为支撑力将转子悬浮于空间的新型轴承，具有无接触、不需润滑以及无磨损等特点，可用于高速电机、人工心脏泵等高速、超净等特殊环境。
由于磁悬浮轴承是通过调整电磁力将转子稳定在平衡位置，因此需要实时监测磁悬浮轴承转子的位置。传统的磁悬浮轴承通过额外附加位置传感器如光电传感器、电感式传感器、电涡流传感器等装置来获取转子的位置信息。这些位置检测传感器需要占用磁悬浮轴承的轴向空间，且需要额外附加安装装置，因此存在体积大、工作环境要求高等缺点，额外增加的轴向长度严重影响了磁悬浮轴承功率密度的提高。
现提出一种无位置传感器径向磁悬浮轴承，使用完全对称分布的八极定子铁心作为轴承主体结构，通过附加位置检测磁极，可以省去额外的位置检测传感器及其安装装置，大大减小磁悬浮轴承的轴向长度，消除传感器安装存在的误差。采用此结构可简化加工工艺、降低制造成本，大大提高磁悬浮轴承工作的稳定性能，提高其功率密度和临界转速。
发明内容
本发明的目的是为解决磁悬浮轴承附加位置传感器使用时存在的轴向空间占用、体积大、功率密度低以及额外安装机构的复杂、成本高，可靠性低等问题。本发明提出一种异极性无位置传感器磁悬浮轴承改进结构，该结构通过附加位置检测磁极实现磁悬浮轴承转子位置的检测，简化了磁悬浮轴承的加工工艺，降低了制造成本，优化了磁轴承的工作性能。技术方案如下：
一种无位置传感器径向磁悬浮轴承，包含有定子铁心1，电磁控制线圈5，激励线圈6，检测线圈7，转子2，转轴3，四个电磁控制磁极对11和四个位置检测磁极12，其中，
转子2与转轴3放置在定子铁心1形成的空腔内，转子2套接在转轴3上，与定子铁心1之间存在气隙4，轴向长度与定子铁心1相等且平齐。
四个电磁控制磁极对11对沿径向均匀排布在定子铁心1上，在每个电磁控制磁极对11之间固定有一个位置检测磁极12，位置检测磁极12的宽度比电磁控制磁极宽度窄；在位置检测磁极12与定子铁心1轭部之间设置有隔磁桥8，隔磁桥8呈瓦片状，与位置检测磁极12和定子铁心1轭部贴合；所述的激励线圈6和所述的检测线圈7缠绕在隔磁桥8外侧的位置检测磁极12上。
激励线圈6中通以恒定频率和幅值的高频交变电流，其在空间产生的交变磁场会在检测线圈7上感应出高频交流电压，且高频交流电压的大小与位置检测磁极12与转子2之间气隙大小4有关；对检测线圈7上电压进行采集，得到转子2实际位置对应的电压大小。
本发明通过在电磁控制磁极对11之间添加位置检测磁极12，实现对磁悬浮轴承转子位置的检测，可以省去附加的位置检测传感器及其安装机构，大大减小了磁悬浮轴承的轴向长度，提高了磁悬浮轴承的功率密度和临界转速。由于本发明添加的位置检测磁极12为硅钢片叠压而成，可减小定子涡流损耗。且制造工艺简单，成本低。本发明位置检测部分与定子铁心1为一整体结构，因此不需额外的传感器安装、校准等步骤，消除了安装带来的系统误差，提高了磁悬浮轴承的可靠性。本发明通过位置检测磁极12实现位置检测，省去昂贵的传感器购买成本，且不需要设计传感器的配置安装，简化了工艺流程。本发明所使用的激励线圈6和检测线圈7的匝数及线径可以根据磁悬浮轴承气隙4、承载力、高频电源不同而进行相应设计，具有极高的灵活性，适应范围广。
附图说明
图1为本发明一种无位置传感器径向磁悬浮轴承的结构主视图；
图2为本发明控制电流线圈电流方向及磁力线示意图。
附图说明如下
1.定子铁心 2.转子 3.转轴 4.气隙 5.电磁控制线圈 6.激励线圈 7.检测线圈8.隔磁桥 9.电磁控制磁通 10.激励磁通 11.电磁控制磁极对 12.位置检测磁极
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例方式仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
如图1所示，所述磁悬浮轴承包含有定子铁心1，电磁控制线圈5，激励线圈6，检测线圈7，转子2，转轴3。其中，定子铁心1由硅钢片叠压而成，上下左右均为对称结构，定子铁心1包含有四个径向突出的电磁控制磁极对11与四个位置检测磁极12。每个电磁控制磁极宽度和厚度完全一致，比四个位置检测磁极12稍宽，每个电磁控制磁极与位置检测磁极12的径向长度完全相同。
在四个位置检测磁极12与定子铁心1轭部连接处设有隔磁桥8，隔磁桥8与位置检测磁极12宽度相等，隔磁桥8呈瓦片状、与位置检测磁极12和定子铁心1轭部完全贴合。
每个电磁控制磁极上绕有电磁控制线圈5，位置检测磁极12上绕有激励线圈6和检测线圈7，激励线圈6设于检测线圈7外侧，检测线圈7设置在隔磁桥8外侧。
电磁控制线圈5的通电方向如图2所示：图中，“O”为垂直纸面向外，“X”为垂直纸面向内。一个电磁控制磁极对11产生的电磁控制磁通9的路径如下：以产生的电磁控制磁通9方向为沿径向向外的一个电磁控制磁极为例，该磁极朝向转子2侧磁极相当于S极。同理，与之间隔一个位置检测磁极12的相配对的电磁控制磁极产生的电磁控制磁通9方向与之相反，为沿径向向内，相当于朝向转子2侧磁极为N极。因此，电磁控制磁通9沿定子铁心1中一个电磁控制磁，定子铁心1轭部，间隔一个位置检测磁极12的另一个与其配对的电磁控制磁极，气隙4，转子2形成闭合回路。电磁控制磁通9在气隙4处与转子2表面相接触，会产生垂直于转子2表面的电磁力。控制对应的电磁控制线圈5中电流大小便可控制对应方向的电磁吸力，从而提供转子2平衡所需的电磁力。对于四个位置检测磁极12来说，其上缠绕的激励线圈6通以高频交流电流，因此图2中给出了激励磁通10的路径为：沿位置检测磁极12径向向外，通过隔磁桥8，经气隙4进入转子2，回到位置检测磁极12形成闭合回路。轴承转子2的位置检测原理如下：在激励线圈6中通以固定频率和幅值的高频交流电流，从而产生激励磁通10，激励磁通10在转子2上产生高频交变的涡流，会在空间中产生交变的磁场，根据电磁感应定律，检测线圈7中会感应出高频交流电压。随着转子2位置的不同，气隙4大小会发生变化，即激励磁通10经过的磁路磁阻大小发生变化，产生的涡流大小随之变化，引起检测线圈7中感应电压的大小变化。这样，检测线圈7中电压大小反映了转子2的实时位置：当转子2位置变化使位置检测磁极12与转子2之间的气隙4变大时，检测线圈7中的电压变小；反之，检测线圈7中电压变大。实际应用中，在转子2的位置发生变化时，其位置信息通过对检测线圈7中电压进行测量获得，进行闭环反馈控制，加大方向对应方向的电磁控制线圈5中电流，即可实现加大对应方向的电磁力，使得转子2恢复到初始位置，从而保持转子2在设定位置的稳定悬浮。

Claims (1)

1.一种无位置传感器径向磁悬浮轴承，包含有定子铁心，电磁控制线圈，激励线圈，检测线圈，转子，转轴，四个电磁控制磁极对和四个位置检测磁极。其中，
转子与转轴放置在定子铁心形成的空腔内，转子套接在转轴上，与定子铁心之间存在气隙，轴向长度与定子铁心相等且平齐；
四个电磁控制磁极对沿径向均匀排布在定子铁心上，在每个电磁控制磁极对之间固定有一个位置检测磁极，位置检测磁极的宽度比电磁控制磁极宽度窄；在位置检测磁极与定子铁心轭部之间设置有隔磁桥，隔磁桥呈瓦片状，与位置检测磁极和定子铁心轭部贴合；所述的激励线圈和所述的检测线圈缠绕在隔磁桥外侧的位置检测磁极上。
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