CN116488511A - 一种五自由度磁悬浮运动控制执行器 - Google Patents
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Abstract
一种五自由度磁悬浮运动控制执行器，由定子和动子部分组成，其中定子部分包括定子导磁环、轴向控制线圈、轴向线圈骨架、定子永磁体、定子叠层铁心、径向控制线圈，动子部分包括动子永磁体、导磁轴、动子叠层铁心，定子与动子之间为气隙；定子导磁环内侧中部位置为两个轴向控制线圈绕制在轴向线圈骨架上，每个定子叠层铁心有四个沿圆周方向均匀分布的磁极，每个磁极上绕制径向控制线圈，两个定子叠层铁心与定子导磁环之间为两个环形定子永磁体，两个轴向控制线圈内侧为两个环形动子永磁体，动子永磁体内侧为导磁轴，两个定子叠层铁心内侧为两个动子叠层铁心。本发明采用一体化结构，减少磁悬浮系统执行器个数，且充分利用铁磁材料构成径向和轴向磁路，从而使系统结构更简单和紧凑；本发明可实现动子的悬浮和五自由度运动控制，且沿轴向可以长行程运动。
Description
技术领域
本发明涉及一种五自由度磁悬浮运动控制执行器，属于磁悬浮技术领域。
背景技术
磁悬浮技术利用磁力实现对物体的支承和运动控制，具有无接触、无磨损、无需润滑、寿命长、精度高等优点。根据电磁力作用机制的不同，可将其分为洛伦兹力和磁阻力。洛伦兹型磁力与电流和磁场均为线性关系，便于控制且精度高。磁阻型磁力与控制电流为非线性关系，为了在被控物体上产生正向和反向的悬浮力，并且在工作点附近形成了一个线性的磁力-电流关系，磁阻型执行器通常在悬浮物两侧为对称结构且采用差动控制策略，即一侧定子磁极的总磁场为偏置磁场与控制磁场的和，相对一侧定子磁极的总磁场则是偏置磁场与控制磁场的差。洛伦兹型和磁阻型执行器内部均需要一个偏置磁场，使其正常工作或实现线性控制。偏置磁场可由激励线圈或永磁体产生，使用永磁体提供偏置磁场则不需要施加偏置电流，可有效减小线圈及功放电路中的损耗及相伴的发热，且在相同尺寸条件下永磁体可产生更强的磁场，因此更具优势。无论采用上述何种类型磁力方案，磁悬浮系统需要多个执行器才能够使物体完全悬浮以及控制其在不同方向的运动，导致整个系统结构复杂、体积较大。
发明内容
在此处本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种五自由度磁悬浮运动控制执行器。
本发明的技术解决方案为：一种五自由度磁悬浮运动控制执行器，由定子和动子部分组成，其中定子部分包括定子导磁环、轴向控制线圈、轴向线圈骨架、定子永磁体、定子叠层铁心、径向控制线圈，动子部分包括动子永磁体、导磁轴、动子叠层铁心，定子与动子之间为气隙；定子导磁环内侧中部位置为两个轴向控制线圈绕制在轴向线圈骨架上，每个定子叠层铁心有四个沿圆周方向均匀分布的磁极，每个磁极上绕制径向控制线圈，两个定子叠层铁心与定子导磁环之间为两个环形定子永磁体，两个轴向控制线圈内侧为两个环形动子永磁体，动子永磁体内侧为导磁轴，两个定子叠层铁心内侧为两个动子叠层铁心。
所述的定子叠层铁心和动子叠层铁心均采用导磁性能良好的材料叠压制成，定子导磁环和导磁轴均采用导磁性能良好的软磁材料制成，径向控制线圈和轴向控制线圈均采用漆包线绕制，轴向线圈骨架采用绝缘非金属材料制成，定子永磁体和动子永磁体均采用钕铁硼或钐钴硬磁材料，定子永磁体沿轴向磁化，动子永磁体沿辐向磁化。
上述方案的原理是：一种五自由度磁悬浮运动控制执行器，动子永磁体产生磁场，其磁路如图1中带箭头实线所示，处在磁场中的轴向控制线圈通入电流会受安培力作用，同时在动子永磁体上产生轴向反作力使动子沿轴向运动，通过调节轴向控制线圈电流的大小和方向，可改变轴向电磁力的大小和方向，从而控制动子在Z轴方向的运动；定子永磁体为径向磁极差动控制提供偏置磁场，其磁路如图1中带箭头虚线所示，径向控制线圈通入电流产生径向控制磁场，以一侧Y通道为例，其磁路如图2中带箭头双点画线所示，通过调节径向控制线圈电流的大小和方向，可改变径向控制磁场的大小和方向，从而可调节相应磁极总的磁场，控制动子受到的径向电磁力，实现动子在X、Y方向的平动以及绕X、Y轴的转动。
本发明与现有技术相比的优点在于： 本发明采用五自由度一体化结构，减少磁悬浮系统执行器个数，且充分利用铁磁材料构成径向和轴向磁路，从而使系统结构更简单和紧凑；本发明可实现动子的悬浮和五自由度运动控制，且沿轴向可以长行程运动。
附图说明
图1为本发明的一种五自由度磁悬浮运动控制执行器剖视图。
图2为本发明的一种五自由度磁悬浮运动控制执行器侧视图。
具体实施方式
如图1所示，一种五自由度磁悬浮运动控制执行器，由定子和动子部分组成，其中定子部分包括定子导磁环(1)、轴向控制线圈(2)、轴向线圈骨架(3)、定子永磁体(4)、定子叠层铁心(5)、径向控制线圈(6)，动子部分包括动子永磁体(7)、导磁轴(8)、动子叠层铁心(9)，定子与动子之间为气隙；定子导磁环(1)内侧中部位置为两个轴向控制线圈(2)绕制在轴向线圈骨架(3)上，两个轴向控制线圈(2)可反向串联或并联，每个定子叠层铁心(5)有四个沿圆周方向均匀分布的磁极，每个磁极上绕制径向控制线圈(6)，两个定子叠层铁心(5)与定子导磁环(1)之间为两个定子永磁体(4)，定子永磁体(4)优先采用整环结构，也可以采用多块拼接构成环形结构，两个定子永磁体(4)均沿轴向充磁且极性相同，两个轴向控制线圈(2)内侧为两个动子永磁体(7)，动子永磁体(7)优先采用整环结构，也可以采用多块拼接构成环形结构，两个动子永磁体(7)均沿辐向充磁且极性相反，动子永磁体(7)套装在导磁轴上(8)，两个定子叠层铁心(5)内侧为两个动子叠层铁心(9)，两个动子叠层铁心(9)装配在导磁轴(8)上。
本发明中的定子叠层铁心(5)和动子叠层铁心(9)均采用导磁性能良好的薄硅钢片叠压制成，定子导磁环(1)和导磁轴(8)均采用导磁性能良好的软磁材料制成，如电工纯铁、1J50和1J22等软磁材料，轴向控制线圈(2)与动子永磁体(7)数目相同且为偶数，轴向控制线圈(2)和径向控制线圈(6)均采用漆包线绕制而成，轴向线圈骨架(3)采用绝缘非金属材料制成，定子永磁体(4)和动子永磁体(7)均采用钕铁硼或钐钴硬磁材料，定子永磁体(4)沿轴向充磁，动子永磁体(7)沿辐向充磁，且二者磁场方向在定子导磁环(1)和导磁轴(8)中相反。
实际应用时，执行器中的动子永磁体(7)产生磁场，其磁路如图1中带箭头实线所示，在轴向控制线圈(2)通入电流会生成安培力，同时在动子永磁体(7)上产生轴向反作力使动子沿轴向运动，通过调节轴向控制线圈(2)电流的大小和方向，可改变轴向电磁力的大小和方向，从而控制动子在Z轴方向的运动；定子永磁体(4)为径向磁极差动控制提供偏置磁场，其磁路如图1中带箭头虚线所示，径向控制线圈(6)通入电流产生径向控制磁场，以Y通道为例，其磁路如图2中带箭头双点画线所示，通过调节径向控制线圈(6)电流的大小和方向，可改变径向控制磁场的大小和方向，从而可调节相应磁极总的磁场，控制动子受到的径向电磁力，实现动子在X、Y方向的平动以及绕X、Y轴的转动。综上所述，本发明可实现动子的悬浮和五自由度运动控制。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本专业领域人员公知的现有技术。
Claims (4)
1.一种五自由度磁悬浮运动控制执行器，其特征在于：由定子和动子部分组成，其中定子部分包括定子导磁环(1)、轴向控制线圈(2)、轴向线圈骨架(3)、定子永磁体(4)、定子叠层铁心(5)、径向控制线圈(6)，动子部分包括动子永磁体(7)、导磁轴(8)、动子叠层铁心(9)，定子与动子之间为气隙；定子导磁环(1)内侧中部位置为轴向控制线圈(2)绕制在轴向线圈骨架(3)上，每个定子叠层铁心(5)有四个沿圆周方向均匀分布的磁极，每个磁极上绕制径向控制线圈(6)，两个定子叠层铁心(5)与定子导磁环(1)之间为两个定子永磁体(4)，轴向控制线圈(2)内侧为动子永磁体(7)，动子永磁体(7)内侧为导磁轴(8)，两个定子叠层铁心(5)内侧为两个动子叠层铁心(9)。
2.根据权利要求1所述的一种五自由度磁悬浮运动控制执行器，其特征在于：定子永磁体(4)沿轴向充磁，动子永磁体(7)沿辐向充磁，且二者磁场方向在定子导磁环(1)和导磁轴(8)中相反。
3.根据权利要求1所述的一种五自由度磁悬浮运动控制执行器，其特征在于：轴向控制线圈(2)与动子永磁体(7)数目相同且为偶数。
4.根据权利要求1所述的一种五自由度磁悬浮运动控制执行器，其特征在于：定子导磁环(1)、定子叠层铁心(5)、导磁轴(8)、动子叠层铁心(9)均采用导磁性能良好的软磁材料制成。
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