CN202550931U - 采用径向和轴向磁力轴承的基于力控制磁悬浮系统 - Google Patents

Abstract

一种采用径向和轴向磁力轴承的基于力控制磁悬浮系统，它包括电机、联轴器、测力轴承、两个径向磁力轴承、转子、轴向磁力轴承、电压放大器、控制器和功率放大器；电机通过联轴器与转子一端连接，转子的两端分别设置有测力轴承，述两个径向磁力轴承设置在两个测力轴承之间且分别与之对应，轴向磁力轴承对应设置在两个径向磁力轴承之间；电压放大器的输入端与测力轴承连接，输出端与控制器的输入端连接，控制器的输出端与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端分别与径向磁力轴承和轴向磁力轴承连接。本实用新型采用力控制方法代替位移控制方法，实现了转子的准悬浮，减少了电路系统的复杂性，结构简单，操作灵活，实施方便，适宜推广应用。

Description

采用径向和轴向磁力轴承的基于力控制磁悬浮系统

技术领域

本实用新型涉及一种采用径向磁力轴承和轴向磁力轴承的基于力控制磁悬浮系统，属于磁悬浮技术领域。

背景技术

目前，在磁悬浮控制系统中主要通过控制转子偏离其平衡位置的位移量，实现转子无接触状态下的稳定悬浮，这种控制系统称之为基于位移控制的磁悬浮系统。它的主要原理是通过传感器检测出转子偏离参考点的位移后，控制器将检测到的位移量变换成控制信号，然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在执行电磁铁中产生磁力从而驱动转子返回到原来的平衡位置，维持其稳定悬浮位置不变。

目前基于位移控制的磁悬浮系统在各类高速旋转机械中得到越来越广泛的应用。它具有无直接接触摩擦、无需润滑和密封以及可以主动控制等优点，由于没有机械摩擦和磨损，所以降低了工作能耗和噪声，延长了轴承的使用寿命；动力损耗小，更适用于高速运转场合；由于不需要润滑系统，所以无污染，可应用于真空超净，腐蚀性介质以及极端温度和压力等特殊工作环境。

然而，随着精密转子朝着高速度、高精度、自动化和智能化的方向发展，传统基于位移控制的磁悬浮系统的性能已经不能满足高速精密转子的需求，因为基于位移控制的磁悬浮系统具有如下缺点：第一，基于位移控制的磁悬浮系统本质是不稳定系统，必须采取控制措施保证系统稳定，控制系统设计难度大；第二，基于位移控制的磁悬浮系统在发生掉电时，转子的突然坠落对转子和磁力轴承产生很大的冲击，会对转子和磁力轴承带来致命的伤害。为了避免对磁悬浮系统造成伤害，必须提供附加保护轴承和掉电保护装置，系统复杂、成本高；第三，基于位移控制的磁悬浮系统的位移传感器不能直接安装在磁力轴承位置上，因而不能直接测得磁力轴承处的位移，这不仅导致各传感器信号之间的相互耦合，降低控制精度，而且，机械结构和控制系统也变得很复杂；第四，基于位移控制的磁悬浮系统的位移传感器测量精度受制于转轴表面的加工精度和转轴的挠度；第五，由于基于位移控制的磁悬浮系统的磁力轴承的承载力仅由磁力轴承提供，因此很难获得很高的承载能力，也难于实现高刚度；第六，基于位移控制的磁悬浮系统在磁悬浮转子稳定悬浮之前，需要提供较大的起浮力用来克服重力，也就是需要给电磁铁提供较大的起浮电流，才能使转子达到稳定的悬浮位置，因此对控制系统要求较高。

由于基于位移控制的磁悬浮系统具有上述缺点，这在很大程度上限制了高速精密转子的发展，因此，现有技术还有待于改进和发展。

实用新型内容

本实用新型为了克服以上技术的不足，针对现有磁悬浮控制系统中存在的性能与设计方面的不足，旨在提供一种采用径向和轴向磁力轴承的基于力控制磁悬浮系统，该系统测量精度高，能够保证控制精度，承载能力强，刚度高。

本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：采用径向和轴向磁力轴承的基于力控制磁悬浮系统，其特征是，包括机械装置和控制系统，所述机械装置包括电机、联轴器、测力轴承、两个径向磁力轴承、转子和轴向磁力轴承，所述控制系统包括电压放大器、控制器和功率放大器；所述电机通过联轴器与转子一端连接，所述转子的两端分别设置有测力轴承，所述两个径向磁力轴承设置在两个测力轴承之间且分别与之对应，所述轴向磁力轴承对应设置在两个径向磁力轴承之间；所述电压放大器的输入端与测力轴承连接，输出端与控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端分别与径向磁力轴承和轴向磁力轴承连接。

所述径向磁力轴承采用差动方式连接。

所述轴向磁力轴承采用差动方式连接，包括两个轴向定子和推力盘，所述推力盘固定在转子上，所述两个轴向定子设置在推力盘两侧。

所述测力轴承用以测量转子作用在测力轴承上的径向力和轴向力。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：该系统结构简单，操作灵活，性能稳定，控制器设计简单；转子与测力轴承处于准悬浮状态，减摩能力可与位移控制磁悬浮轴承媲美，减摩降阻性能可与位移控制磁悬浮轴承媲美，同样具有少无摩擦，能耗低的优点；可以直接测力，不受轴加工表面的精度和轴的挠度的影响，测量精度高，能够保证控制精度；只需控制电流，无需偏置电流，电源简单，成本低；可以取消辅助轴承，结构简化，本身就具有掉电时的自我保护作用；测力轴承不仅具有测力功能，而且还起到支撑转子的轴承的作用，承载能力强、刚度高。

附图说明

图1为本实用新型的控制原理框图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图中：1电机，2联轴器，3测力轴承，4径向磁力轴承，5转子，6轴向定子，7推力盘。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的描述：

如图1和图2所示，一种采用径向和轴向磁力轴承的基于力控制磁悬浮系统，包括机械装置和控制系统，所述机械装置包括电机1、联轴器2、测力轴承3、两个径向磁力轴承4、转子5和轴向磁力轴承，所述控制系统包括电压放大器、控制器和功率放大器。所述电机1通过联轴器2与转子5一端连接，所述转子5的两端分别设置有测力轴承3，所述两个径向磁力轴承4设置在两个测力轴承之间且分别与之对应，所述轴向磁力轴承对应设置在两个径向磁力轴承4之间；所述电压放大器的输入端与测力轴承3连接，输出端与控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端分别与径向磁力轴承4和轴向磁力轴承连接。其中，所述径向磁力轴承4采用差动方式连接；所述轴向磁力轴承采用差动方式连接，包括两个轴向定子6和推力盘7，所述推力盘7固定在转子5上，所述两个轴向定子6设置在推力盘7两侧。

一方面，所述测力轴承3同时测量转子5作用在测力轴承3上的径向力和轴向力。另一方面，所述测力轴承3能够取代传统保护轴承，起到支承转子5的轴承的作用，并且与将力信号转换为电压信号的电压放大器连接。

为了保护转子5和径向磁力轴承4，所述测力轴承3是由滑动轴承改制而成。

本实用新型的工作原理：采用径向和轴向磁力轴承的基于力控制磁悬浮系统，在结构上，取消辅助轴承，采用同时具备测力和支承功能的测力轴承3，在实现方法上，通过平衡电磁力和转子5作用在测力轴承3上的力，实现转子5准悬浮的目的，其工作原理如下：所述测力轴承3用以检测转子5作用在其上力的大小和方向，并将将检测到的力信号发送给电压放大器，所述电压放大器将接收到的力信号进行放大变换为电压信号后发送给控制器，所述控制器将电压信号转换成控制信号后发送给功率放大器，所述功率放大器将控制信号转换成控制电流信号并发送给差动径向磁力轴承4和轴向磁力轴承，径向磁力轴承4产生作用在转子5上的径向磁控制力，轴向磁力轴承产生作用在转子5上的轴向磁控制力，径向电磁控制力和轴向电磁控制力共同作用在转子5上，使得该控制合力与转子5作用在测力轴承3上力的方向相反、大小相等，从而使得转子5作用在测力轴承3上的力接近于零，根据公式F＝μN（F表示转子与力传感器之间的摩擦力，μ表示摩擦系数，N表示转子作用在力传感器上的压力），得到转子5与测力轴承3之间的摩擦力为零，获得转子5与测力轴承3之间几乎无摩擦的效果，维持转子5与轴承似接触非接触的状态，实现转子5的准悬浮。

以上所述，只是用图解说明本实用新型的一些原理，本说明书并非是要将本实用新型局限在所示所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本实用新型所申请的专利范围。

除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术。

Claims (4)

1.采用径向和轴向磁力轴承的基于力控制磁悬浮系统，其特征是，包括机械装置和控制系统，所述机械装置包括电机、联轴器、测力轴承、两个径向磁力轴承、转子和轴向磁力轴承，所述控制系统包括电压放大器、控制器和功率放大器；所述电机通过联轴器与转子一端连接，所述转子的两端分别设置有测力轴承，所述两个径向磁力轴承设置在两个测力轴承之间且分别与之对应，所述轴向磁力轴承对应设置在两个径向磁力轴承之间；所述电压放大器的输入端与测力轴承连接，输出端与控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端分别与径向磁力轴承和轴向磁力轴承连接。

2.根据权利要求1所述的采用径向和轴向磁力轴承的基于力控制磁悬浮系统，其特征是，所述径向磁力轴承采用差动方式连接。

3.根据权利要求1所述的采用径向和轴向磁力轴承的基于力控制磁悬浮系统，其特征是，所述轴向磁力轴承采用差动方式连接，包括两个轴向定子和推力盘，所述推力盘固定在转子上，所述两个轴向定子设置在推力盘两侧。

4.根据权利要求1所述的采用径向和轴向磁力轴承的基于力控制磁悬浮系统，其特征是，所述测力轴承用以测量转子作用在测力轴承上的径向力和轴向力。

Images