CN112664561B - 一种飞行器用双余度线圈驱动磁轴承 - Google Patents
一种飞行器用双余度线圈驱动磁轴承 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种飞行器用双余度线圈驱动磁轴承，包括多极定子、转子、偏置线圈以及控制线圈，其中多极定子的极数为M，M为4的倍数，多极定子内沿圆周方向均匀分布有M个定子极柱，转子安装在所述多极定子轴心位置，且与多极定子之间存在间隙；在每个相邻的定子极柱之间设置有线圈槽，每个线圈槽内均分布有所述偏置线圈以及控制线圈，其中，偏置线圈位于所述线圈槽内侧，控制线圈位于偏置线圈外侧且靠近定子极柱，偏置线圈、控制线圈互为备份。本发明具有正常工作模式与故障工作模式，可以有条件地切换工作，相比于现有技术，具有可靠性好、安全性好以及结构简单等特点。
Description
技术领域
本发明涉及轴承结构设计领域，具体涉及一种飞行器用双余度线圈驱动磁轴承。
背景技术
CN1011297123A、CN1011297123B及CN104295604B专利的混合型磁轴承采用永磁体和单线圈驱动的结构形式，CN2009101736452B、CN106795913A、CN101975224B专利的同样采用永磁体和单线圈驱动的结构形式，尽管热损耗较低，但线圈无备份功能，一旦线圈故障或损坏，影响系统可靠性和安全性；CN202451603U、CN103291749B专利采用单线圈驱动结构形式，其控制电流与偏置电流集中在同一线圈，可靠性差。目前，现有专利中并没有采用双余度线圈驱动形式且不存在相关特征或相似特征。
高空机载环境对系统的可靠性和安全性要求高，关键部件磁轴承应具有更高的生存能力，可通过余度结构增加磁轴承的可靠性和安全性；因为当磁轴承出现故障或严重损坏时，作为飞行器动力系关统键的压气机将无法正常工作而导致飞行器动力系统出现故障，影响飞行安全。
发明内容
本发明的目的是提供一种飞行器用双余度线圈驱动磁轴承，目的在于即使部分线圈故障或彻底损坏，也能利用余度线圈来完成支承压气机转子，保证压气机系统正常可靠运转。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种飞行器用双余度线圈驱动磁轴承，包括多极定子、转子、偏置线圈以及控制线圈，其中多极定子的极数为M，M为4的倍数，多极定子内沿圆周方向均匀分布有M个定子极柱，转子安装在所述多极定子轴心位置，且与多极定子之间存在间隙；在每个相邻的定子极柱之间设置有线圈槽，每个线圈槽内均分布有所述偏置线圈以及控制线圈，其中，偏置线圈位于所述线圈槽内侧，控制线圈位于偏置线圈外侧且靠近定子极柱，偏置线圈、控制线圈互为备份。
进一步地，记定子极柱的编号为1,2,…,M，偏置线圈的编号为1B,2B…MB，与偏置线圈一一对应的控制线圈的编号为1A,2A…MA，则：控制线圈iA、(i+1)A通过定子极柱i、i+1以及转子形成控制磁路，控制线圈iB、(i+1)B通过定子极柱i、i+1以及转子形成偏置磁路，i＝1,3,5,..M-1。
进一步地，对于每一个控制线圈jA，记控制线圈jA的两端连接点分别为jA1和jA2；对于每一个偏置线圈jB，记偏置线圈jB的的两端连接点分别为jB1和jB2，j＝1,2,…M，则：
iA2与(i+1)A2连接，为控制绕组Wi(i+1)A，目的是形成控制磁路；
iB2与(i+1)B2连接，为偏置绕组Wi(i+1)B，目的是形成偏置磁路；
其中，控制绕组Wi(i+1)A与偏置绕组Wi(i+1)B对应，互为备份；i＝1,3,5,..M-1。
进一步地，记控制绕组Wi(i+1)A的线圈匝数为N，流过电流为Ii(i+1)A；记偏置绕组Wi(i+1)B的线圈匝数为N，流过电流为Ii(i+1)B；在驱动磁轴承的径向截面中，定义穿过轴承轴心线且经过定子极柱1和定子极柱2之间的坐标轴为X轴，穿过轴承轴心线且垂直于X轴的坐标轴为Y轴，记偏置电流为I0，X方向控制电流为Icx，Y方向控制电流为Icy，导线最大电流为Imax，偏置绕组与控制绕组的切换响应时间为△t；
当控制线圈控jA、偏置线圈jB对应的故障值为0时，表示线圈正常工作；当对应的故障值为1时，表示线圈故障；
当控制绕组Wi(i+1)A、偏置绕组Wi(i+1)B对应的故障值为0时，表示对应绕组正常工作；当对应的故障值为1时，表示对应绕组故障。
进一步地，所述偏置绕组与控制绕组的切换响应时间为△t不小于5.5ms。
进一步地，转子与多极定子之间存在0.2～1.2mm的间隙。
进一步地，所述多极定子的极数M＝8，所述磁轴承的工作模式包括正常工作模式和故障工作模式，所述正常工作模式为：
当X轴绕组处于模式Mx0，且Y轴绕组处于模式My0时，磁轴承处于正常工作模式，偏置绕组与控制绕组均正常工作，状态参数变化为I12A＝Icx；I12B＝I0；I56A＝-Icx；I56B＝I0；I34A＝Icy；I34B＝I0；I78A＝-Icy；I78B＝I0；
其中，X轴绕组包括控制绕组W12A、偏置绕组W12B、控制绕组W56A、偏置绕组W56B；X轴绕组包括控制绕组W34A、偏置绕组W34B、控制绕组W78A、偏置绕组W78B。
进一步地，当X轴绕组处于模式Mx1-Mx8，且Y轴绕组处于模式My1-My8时，磁轴承处于故障工作模式一，任意偏置绕组或任意控制绕组出现故障，其对应控制绕组或对应偏置绕组备份工作。
进一步地，X轴绕组处于模式Mx9-Mx15，或Y轴绕组处于模式My9-My15时，磁轴承处于故障工作模式二，至少有一组互为备份的控制绕组与偏置绕组出现故障，直到互为备份的控制绕组与偏置绕组任何一个恢复正常，否则磁轴承无法正常工作。
进一步地，当磁轴承处于故障工作模式一、故障工作模式二时，状态参数发生变化。
进一步地，开始工作时，磁轴承处于正常工作模式，每隔T时间周期检测磁轴承是否故障，如果检测为否，磁轴承处于正常工作模式；如果检测为是，磁轴承在△t内进入故障工作模式，系统每隔T时间周期检测磁轴承是否排除故障，如果检测为是，磁轴承在△t内切换进入正常工作模式；如果检测为否，磁轴承保持故障工作模式；所述故障为真实的故障或虚拟的测试故障信号。
与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：
本发明提供的双余度线圈驱动磁轴承，具有正常工作模式与故障工作模式，可以有条件地切换工作；开始工作时，磁轴承处于正常工作模式，系统每隔一定周期检测磁轴承是否故障，如存在故障则进入故障工作模式，并周期性检查是否排除故障，排除故障则切换至正常工作模式。基于上述工作方式，本申请相比于现有技术，具有可靠性好、安全性好以及结构简单等特点。
附图说明
图1为双余度线圈驱动磁轴承线圈布置及磁路循环图；
图2为双余度线圈驱动磁轴承线圈端点布置图；
图3为双余度线圈驱动绕组的线圈端点连接图；
图4为双余度线圈驱动磁轴承运行流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种飞行器用双余度线圈驱动磁轴承，包括多极定子、转子、偏置线圈以及控制线圈，其中多极定子的极数为M，M为4的倍数，例如极数可以为4极、8极、16极等。参见图1，多极定子内沿圆周方向均匀分布有M个定子极柱，转子安装在所述多极定子轴心位置，且与多极定子之间存在0.2～1.2mm的间隙；在每个相邻的定子极柱之间设置有线圈槽，每个线圈槽内均分布有所述偏置线圈以及控制线圈，其中，偏置线圈位于所述线圈槽内侧，控制线圈位于偏置线圈外侧且靠近定子极柱，偏置线圈、控制线圈互为备份。
记定子极柱的编号为1,2,…,M，偏置线圈的编号为1B,2B…MB，与偏置线圈一一对应的控制线圈的编号为1A,2A…MA，则：控制线圈iA、(i+1)A通过定子极柱i、i+1以及转子形成控制磁路，控制线圈iB、(i+1)B通过定子极柱i、i+1以及转子形成偏置磁路，i＝1,3,5,..M-1。
下面结合一个具体的示例对本发明的结构特征以及工作过程作进一步详细说明。
参见图1，在本发明的一个实施例中，双余度线圈驱动磁轴承包括多极定子9，转子10；此实施例中以多极定子9的极数M＝8作为示例，则如图1所示，1，2，3，4，5，6，7，8为定子极柱，偏置线圈为1B，2B，3B，4B，5B，6B，7B，8B，控制线圈为1A，2A，3A，4A，5A，6A，7A，8A。在轴承的轴向截面上，X轴向的控制线圈1A与2A能通过定子极柱1，2以及转子10形成控制磁路，如图中实线所示；X轴向的偏置线圈1B与2B能通过定子极柱1，2以及转子10形成偏置磁路，虚线箭头所示。同理，其余线圈可形成控制磁路或偏置磁路。
如图2所示，本发明实施例中1A1，1A2为1A的两端连接点，1B1，1B2为1A的两端连接点。2A1，2A2为2A的两端连接点，2B1，2B2为2A的两端连接点。3A1，3A2为3A的两端连接点，3B1，3B2为3A的两端连接点。4A1，4A2为4A的两端连接点，4B1，4B2为4A的两端连接点。5A1，5A2为5A的两端连接点，5B1，5B2为5A的两端连接点。6A1，6A2为6A的两端连接点，6B1，6B2为6A的两端连接点。7A1，7A2为7A的两端连接点，7B1，7B2为5A的两端连接点。8A1，8A2为8A的两端连接点，8B1，8B2为8A的两端连接点。
如图3所示，本发明中1A2端与2A2端连接，为控制绕组W12A，目的是形成控制磁路。1B2端与2B2端连接，为偏置绕组W12B，目的是形成偏置磁路。5A2端与6A2端连接，为控制绕组W56A，目的是形成控制磁路。5B2端与6B2端连接，为偏置绕组W12B，目的是形成偏置磁路。3A2端与4A2端连接，为控制绕组W34A，目的是形成控制磁路。3B2端与4B2端连接，为偏置绕组W34B，目的是形成偏置磁路。7A2端与8A2端连接，为控制绕组W78A，目的是形成控制磁路。7B2端与8B2端连接，为偏置绕组W78B，目的是形成偏置磁路。控制绕组W12A与偏置绕组W12B对应，互为备份；控制绕组W56A与偏置绕组W56B对应，互为备份。控制绕组W34A与偏置绕组W34B对应，互为备份；控制绕组W78A与偏置绕组W78B对应，互为备份。
为实现本发明的双余度线圈驱动特征，绕组W12A线圈匝数N，流过电流为I12A。绕组W12B线圈匝数N，流过电流为I12B。绕组W56A线圈匝数N，流过电流为I56A。绕组W56B线圈匝数N，流过电流为I56B。绕组W34A线圈匝数N，流过电流为I34A。绕组W34B线圈匝数N，流过电流为I34B。绕组W78A线圈匝数N，流过电流为I78A。绕组W78B线圈匝数N，流过电流为I78B。定义穿过轴承轴心线且经过定子极柱1和定子极柱2之间的坐标轴为X轴，穿过轴承轴心线且垂直于X轴的坐标轴为Y轴，如图2所示；记偏置电流为I0，X方向控制电流为Icx，Y方向控制电流为Icy，导线最大电流为Imax；偏置绕组与控制绕组的切换响应时间为△t不大于5.5ms。
如表1所示，1A，2A，3A，4A，5A，6A，7A，8A控制线圈以及1B，2B，3B，4B，5B，6B，7B，8B偏置线圈的故障值可为0或1。当对应故障值为0时，表示对应线圈正常工作；当对应故障值为1时，表示对应线圈故障。
表1
| 线圈 | 故障值 |
| 1A | F(1A)＝1 |
| 1A | F(1A)＝0 |
| 2A | F(2A)＝1 |
| 2A | F(2A)＝0 |
| 1B | F(1B)＝1 |
| 1B | F(1B)＝0 |
| 2B | F(2B)＝1 |
| 2B | F(2B)＝0 |
| 5A | F(5A)＝1 |
| 5A | F(5A)＝0 |
| 6A | F(6A)＝1 |
| 6A | F(6A)＝0 |
| 5B | F(5B)＝1 |
| 5B | F(5B)＝0 |
| 6B | F(6B)＝1 |
| 6B | F(6B)＝0 |
| 3A | F(3A)＝1 |
| 3A | F(3A)＝0 |
| 4A | F(4A)＝1 |
| 4A | F(4A)＝0 |
| 3B | F(3B)＝1 |
| 3B | F(3B)＝0 |
| 4B | F(4B)＝1 |
| 4B | F(4B)＝0 |
| 7A | F(7A)＝1 |
| 7A | F(7A)＝0 |
| 8A | F(8A)＝1 |
| 8A | F(8A)＝0 |
| 7B | F(7B)＝1 |
| 7B | F(7B)＝0 |
| 8B | F(8B)＝1 |
| 8B | F(8B)＝0 |
如表2所示，W12A，W12B，W56A，W56B，W34A，W34B，W78A，W78B绕组的故障值可为0或1。当对应故障值为0时，表示对应绕组正常工作。当对应故障值为1时，表示对应绕组故障。
表2
| 绕组 | 判定条件 | 故障值 |
| W12A | F(1A)＝1or F(2A)＝1 | F(W12A)＝1 |
| W12A | F(1A)＝0and F(2A)＝0 | F(W12A)＝0 |
| W12B | F(1B)＝1or F(2B)＝1 | F(W12B)＝1 |
| W12B | F(1B)＝0and F(2B)＝0 | F(W12B)＝0 |
| W56A | F(5A)＝1or F(6A)＝1 | F(W56A)＝1 |
| W56A | F(5A)＝0and F(6A)＝0 | F(W56A)＝0 |
| W56B | F(5B)＝1or F(6B)＝1 | F(W56B)＝1 |
| W56B | F(5B)＝0and F(6B)＝0 | F(W56B)＝0 |
| W34A | F(3A)＝1or F(4A)＝1 | F(W34A)＝1 |
| W34A | F(3A)＝0and F(4A)＝0 | F(W34A)＝0 |
| W34B | F(3B)＝1or F(4B)＝1 | F(W34B)＝1 |
| W34B | F(3B)＝0and F(4B)＝0 | F(W34B)＝0 |
| W78A | F(7A)＝1or F(8A)＝1 | F(W78A)＝1 |
| W78A | F(7A)＝0and F(8A)＝0 | F(W78A)＝0 |
| W78B | F(7B)＝1or F(8B)＝1 | F(W78B)＝1 |
| W78B | F(7B)＝0and F(8B)＝0 | F(W78B)＝0 |
结合表3和表4所示，磁轴承可工作在“正常工作模式”、“故障工作模式一”以及“故障工作模式二”，具体为：
1)当X轴绕组处于模式Mx0，且Y轴绕组处于模式My0时，磁轴承处于“正常工作模式”，偏置绕组与控制绕组均正常工作，状态参数变化为I12A＝Icx；I12B＝I0；I56A＝-Icx；I56B＝I0；I34A＝Icy；I34B＝I0；I78A＝-Icy；I78B＝I0。
2)当X轴绕组处于模式Mx1-Mx8，且Y轴绕组处于模式My1-My8时，磁轴承处于“故障工作模式一”，任意偏置绕组或任意控制绕组出现故障，其对应控制绕组或对应偏置绕组备份工作。状态参数具体发生变化。
3)X轴绕组处于模式Mx9-Mx15，或Y轴绕组处于模式My9-My15时，其判定条件见表3，磁轴承处于“故障工作模式二”，至少有一组互为备份的控制绕组与偏置绕组出现故障，直到互为备份的控制绕组与偏置绕组任何一个恢复正常，否则磁轴承无法正常工作。状态参数具体见表4。
表3
表4
如图4所示，双余度线圈驱动磁轴承特征在于正常工作模式与故障工作模式可以有条件地切换工作。开始工作时，磁轴承处于正常工作模式，系统每隔T时间周期检测磁轴承是否故障，如果检测为否，磁轴承处于正常工作模式。如果检测为是，磁轴承在△t内进入故障工作模式，系统每隔T时间周期检测磁轴承是否排除故障，如果检测为是，磁轴承在△t内切换进入正常工作模式；如果检测为否，磁轴承保持故障工作模式。应指出这里的故障可以是真实的故障，也可是虚拟的测试故障信号。
以上实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种飞行器用双余度线圈驱动磁轴承，其特征在于，包括多极定子、转子、偏置线圈以及控制线圈，其中多极定子的极数为M，M为4的倍数，多极定子内沿圆周方向均匀分布有M个定子极柱，转子安装在所述多极定子轴心位置，且与多极定子之间存在间隙；在每个相邻的定子极柱之间设置有线圈槽，每个线圈槽内均分布有所述偏置线圈以及控制线圈，其中，偏置线圈位于所述线圈槽内侧，控制线圈位于偏置线圈外侧且靠近定子极柱，偏置线圈、控制线圈互为备份；
对于每一个控制线圈iA，记控制线圈iA的两端连接点分别为iA1和iA2；对于每一个偏置线圈iB，记偏置线圈iB的两端连接点分别为iB1和iB2，i＝1,2,…M，则：
iA2与(i+1)A2连接，为控制绕组Wi(i+1)A，目的是形成控制磁路；
iB2与(i+1)B2连接，为偏置绕组Wi(i+1)B，目的是形成偏置磁路；
其中，控制绕组Wi(i+1)A与偏置绕组Wi(i+1)B对应，互为备份；i＝1,3,5,..M-1。
2.根据权利要求1所述的飞行器用双余度线圈驱动磁轴承，其特征在于，记定子极柱的编号为1,2,…,M，偏置线圈的编号为1B,2B…MB，与偏置线圈一一对应的控制线圈的编号为1A,2A…MA，则：控制线圈iA、(i+1)A通过定子极柱i、i+1以及转子形成控制磁路，偏置线圈iB、(i+1)B通过定子极柱i、i+1以及转子形成偏置磁路，i＝1,3,5,..M-1。
3.根据权利要求1所述的飞行器用双余度线圈驱动磁轴承，其特征在于，记控制绕组Wi(i+1)A的线圈匝数为N，流过电流为Ii(i+1)A；记偏置绕组Wi(i+1)B的线圈匝数为N，流过电流为Ii(i+1)B；在驱动磁轴承的径向截面中，定义穿过轴承轴心线且经过定子极柱1和定子极柱2之间的坐标轴为X轴，穿过轴承轴心线且垂直于X轴的坐标轴为Y轴，记偏置电流为I0，X方向控制电流为Icx，Y方向控制电流为Icy，导线最大电流为Imax，偏置绕组与控制绕组的切换响应时间为△t；
当控制线圈iA、偏置线圈iB对应的故障值为0时，表示线圈正常工作；当对应的故障值为1时，表示线圈故障；
当控制绕组Wi(i+1)A、偏置绕组Wi(i+1)B对应的故障值为0时，表示对应绕组正常工作；当对应的故障值为1时，表示对应绕组故障。
4.根据权利要求1所述的飞行器用双余度线圈驱动磁轴承，其特征在于，转子与多极定子之间存在0.2～1.2mm的间隙。
5.根据权利要求1所述的飞行器用双余度线圈驱动磁轴承，其特征在于，所述多极定子的极数M＝8，所述磁轴承的工作模式包括正常工作模式和故障工作模式，所述正常工作模式为：
当X轴绕组处于模式Mx0，且Y轴绕组处于模式My0时，磁轴承处于正常工作模式，偏置绕组与控制绕组均正常工作，状态参数变化为I12A＝Icx；I12B＝I0；I56A＝-Icx；I56B＝I0；I34A＝Icy；I34B＝I0；I78A＝-Icy；I78B＝I0；
其中，X轴绕组包括控制绕组W12A、偏置绕组W12B、控制绕组W56A、偏置绕组W56B；Y 轴绕组包括控制绕组W34A、偏置绕组W34B、控制绕组W78A、偏置绕组W78B：
6.根据权利要求5所述的飞行器用双余度线圈驱动磁轴承，其特征在于，当X轴绕组处于模式Mx1-Mx8，且Y轴绕组处于模式My1-My8时，磁轴承处于故障工作模式一，任意偏置绕组或任意控制绕组出现故障，其对应控制绕组或对应偏置绕组备份工作。
7.根据权利要求6所述的飞行器用双余度线圈驱动磁轴承，其特征在于，X轴绕组处于模式Mx9-Mx15，或Y轴绕组处于模式My9-My15时，磁轴承处于故障工作模式二，至少有一组互为备份的控制绕组与偏置绕组出现故障，直到互为备份的控制绕组与偏置绕组任何一个恢复正常，否则磁轴承无法正常工作。
8.根据权利要求7所述的飞行器用双余度线圈驱动磁轴承，其特征在于，当磁轴承处于故障工作模式一、故障工作模式二时，状态参数发生变化：
9.根据权利要求5所述的飞行器用双余度线圈驱动磁轴承，其特征在于，开始工作时，磁轴承处于正常工作模式，每隔T时间周期检测磁轴承是否故障，如果检测为否，磁轴承处于正常工作模式；如果检测为是，磁轴承在△t内进入故障工作模式，每隔T时间周期检测磁轴承是否排除故障，如果检测为是，磁轴承在△t内切换进入正常工作模式；如果检测为否，磁轴承保持故障工作模式；所述故障为真实的故障或虚拟的测试故障信号。
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2020
- 2020-12-11 CN CN202011464421.1A patent/CN112664561B/zh active Active
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