TWI402436B

TWI402436B - 混合式軸向磁浮軸承及其工作方法與其轉動體結構

Info

Publication number: TWI402436B
Application number: TW099146900A
Authority: TW
Inventors: 范憶華; 陳冠宇; 李應村; 廖薏琳
Original assignee: 私立中原大學
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2013-07-21
Also published as: TW201226734A; US20120169167A1; US9059610B2

Description

混合式軸向磁浮軸承及其工作方法與其轉動體結構

本發明係關於一種薄膜蒸餾用構件，特別是關於一種凝結管及過濾模組，應用於空氣間隙薄膜蒸餾(air-gap membrane distillation;AGMD)，且可提高薄膜蒸餾之通量(flux)，進而提高蒸餾速度。

【發明所屬之技術領域】

本發明係有關於一種非接觸式軸承，特別是有關於一種混合式軸向磁浮軸承。

主動式磁浮軸承為一種良好的非接觸式軸承，其技術已趨於成熟且逐漸被應用於工業應用，例如：機工具轉軸、渦輪分子幫浦(turbo-molecular pump)以及儲能飛輪(energy storage flywheels)等。然而，在縱向旋轉機制中，為了讓轉動體能夠懸浮，軸向軸承必須承受大部分的負載；因此，在這些應用中，以電磁鐵為基礎的軸向磁浮軸承將會消耗許多電力。針對此一缺點，許多研究解決電力消耗問題之文章陸續被發表，例如：Sortore C. K.,Allaire P. E.,Maslen E. H.,Humphris R. R. and Studer P. A.,“Permanent magnet biased magnetic bearings-design,construction and testing,”Proceedings of 2nd international symposium on magnetic bearings Tokyo Japan,pp. 12-4,1990.、Satoru FUKATA,Kazuyuki YUTANI and Yoshinori KOUYA,“Characteristics of Magnetic Bearing Biased with Permanent Magnets in the Stator,”JSME Int. J.,Ser. C,Vol. 41,No. 2,pp. 2006,1998.以及Xu Yanliang,Dun Yueqin,Wan Xiuhe and Kong Yu,“Analysis of Hybrid Magnetic Bearing With a Permanent Magnet in the Rotor by FEM,”IEEE Transaction on Magnetics,Vol. 42,No. 4,pp. 1363,2006，從這些資料不難發現混合式磁浮軸承比傳統主動式軸承好用。另外，亦有許多相關於永久磁鐵創新設計的研究，例如：Han W. S.,Lee C. W. and Okada Y.,“Design and control of a disk-type integrated motor-bearing system,”IEEE/ASME Tran. Mechatron.,Vol. 7(1),pp. 15-22,2002.、Okada Y.,Konish H.,Kanebako H. and Lee C. W.,“Lorentz force type self-bearing motor,”Proceedings of 7th international symposium on magnetic bearings,pp. 353-358,2000.以及Maslen E. H.,Allaire P. E.,Noh M. D. and Sortore C. K.,“Magnetic bearing design for reduced power consumption,”ASME J. Trib.,Vol. 118,pp. 839-846,1996.

然而，上述揭露之混合式軸向磁浮軸承設計雖然解決電力消耗問題，但並未考量磁通量之耦合，以致於電磁鐵所產生的磁通量將通過永久磁鐵，亦即，當電磁鐵動作時，永久磁鐵將會被磁化(magnetizing)及消磁化(de magnetizing)，而此狀態將會影響永久磁鐵的磁性表現，甚至減短永久磁鐵的壽命。

有鑑於上述之缺點，本發明係提供一種混合式軸向磁浮軸承，可改進習知電力消耗量太大之缺點，並且解決習知永久磁鐵之磁性被改變之問題。

本發明之目的之一，係利用一永久磁鐵結構之磁力充當一混合式軸向磁浮軸承之偏壓力，藉此降低電力消耗。

本發明之另一目的，係利用兩電磁鐵所產生之磁力校調一轉動體之平衡，並與一永久磁鐵結構之磁力耦合，藉此避免改變永久磁鐵結構之磁性。

本發明揭露一種混合式軸向磁浮軸承，其包含：一第一電磁鐵；一第二電磁鐵；以及一轉動體，位於此第一與此第二電磁鐵之間，此轉動體具有一永久磁鐵結構，此永久磁鐵結構之位置相對於此第一與此第二電磁鐵之位置，其中第一與第二電磁鐵係分別位於一第一固定體與一第二固定體，且第一固定體係一第一固定片，第二固定體係一第二固定片，而第一與第二電磁鐵係包含兩環狀線圈，且轉動體係包含碟狀結構，而永久磁鐵結構係包含複數個圓弧形永久磁鐵，複數個圓弧形永久磁鐵係以等距圓心方式排列，其中複數個圓弧形永久磁鐵之數量為7。藉以利用此永久磁鐵結構之磁力充當偏壓力以降低電力消耗，並利用此第一、第二電磁鐵之磁力與此永久磁鐵結構之磁力耦合以避免改變此永久磁鐵結構之磁性。

本發明亦揭露一種轉動體結構，用於一混合式軸向磁浮軸承，並提供磁力充當此混合式軸向磁浮軸承之偏壓力以降低電力消耗，此轉動體結構包含：一本體；以及一永久磁鐵結構，嵌入此本體且兩面分別相對一第一電磁鐵與一第二電磁鐵，其中，本體係包含碟狀結構，且永久磁鐵結構係包含複數個圓弧形永久磁鐵，複數個圓弧形永久磁鐵係以等距圓心方式排列，而複數個圓弧形永久磁鐵之數量為7。藉此，利用此永久磁鐵結構之磁力充當偏壓力以降低電力消耗，並利用此第一、第二電磁鐵之磁力耦合此永久磁鐵結構之磁力以避免改變此永久磁鐵結構之磁性。

本發明更揭露一種混合式軸向磁浮軸承工作之方法，其包含：利用一永久磁鐵結構之磁力提供一偏壓力以使一轉動體磁浮，其中此永久磁鐵結構係嵌入此轉動體且兩面分別相對一第一電磁鐵與一第二電磁鐵；以及利用此第一與此第二電磁鐵之磁力校調此轉動體之平衡及耦合此永久磁鐵結構之磁力以避免改變此永久磁鐵結構之磁性，其中，轉動體係包含碟狀結構且永久磁鐵結構係包含複數個圓弧形永久磁鐵，而複數個圓弧形永久磁鐵係以等距圓心方式排列，複數個圓弧形永久磁鐵之數量為7，此外，第一與該第二電磁鐵係分別位於一第一固定體與一第二固定體，且第一固定體係一第一固定片，第二固定體係一第二固定片，而第一與該第二電磁鐵係包含兩環狀線圈，且第一與該第二電磁鐵係由一PD控制器所控制。

本發明將詳細描述一些實施例如下。然而，除了所揭露之實施例外，本發明亦可以廣泛地運用在其他之實施例施行。本發明之範圍並不受該些實施例之限定，乃以其後之申請專利範圍為準。而為提供更清楚之描述及使熟悉該項技藝者能理解本發明之發明內容，圖示內各部分並沒有依照其相對之尺寸而繪圖，某些尺寸與其他相關尺度之比例會被突顯而顯得誇張，且不相關之細節部分亦未完全繪出，以求圖示之簡潔。

請參照第一A圖，其為本發明之一較佳實施例100之立體剖面圖。一轉動體120係位於一第一固定體110A與一第二固定體110B之間，且第一、第二固定體110A、110B係分別具有一第一電磁鐵112A與一第二電磁鐵112B，而轉動體120係具有一磁性結構122(例如：永久磁鐵)，其位置相對於第一、第二電磁鐵112A、112B之位置。在本實施例中，第一、第二固定體110A、110B係分別為第一、第二碟狀固定片(stator disk)且上下相對，而第一、第二電磁鐵112A、112B係分別內嵌於(或固定於)第一、第二固定體110A、110B相對之內側表面，其中第一、第二電磁鐵112A、112B係分別為一環狀線圈；而在本實施例中，永久磁鐵結構122亦為一環狀結構以相對應於第一、第二電磁鐵112A、112B。藉此，利用永久磁鐵結構122之磁力充當偏壓力以降低電力消耗，並利用第一、第二電磁鐵112A、112B之磁力與永久磁鐵結構122之磁力耦合，以避免改變永久磁鐵結構122之磁性。請再參照第一A圖，由永久磁鐵結構122所產生之磁路(magnetic circuit)係以實線表示；而由第一、第二電磁鐵112A、112B所產生之磁路係以虛線表示，此部分將於稍後說明。

請參照第一B圖，其為第一A圖所示之較佳實施例100之一較佳轉動體120實施例之示意圖。轉動體120包含一本體(即轉動體120本身)與一永久磁鐵結構122，用於混合式軸向磁浮軸承，並提供磁力充當偏壓力以降低混合式軸向磁浮軸承之電力消耗。在本實施例中，永久磁鐵結構122係嵌入轉動體120，且其兩面分別相對第一、第二電磁鐵112A、112B(參照第一A圖)，其中，轉動體120係碟狀轉動體(rotor disk)；永久磁鐵結構122係包含複數個圓弧形永久磁鐵以等距圓心方式排列成環狀，而在本實施例中，永久磁鐵結構122係包含7個圓弧形永久磁鐵，然不限於此，其數量可依實際需求作調整。

請參照第二圖，其為第一A圖所示之較佳實施例100之工作方法磁路分析圖。本實施例係利用一永久磁鐵結構122之磁力提供一偏壓力使一轉動體120磁浮，藉此減少電力消耗，其中，永久磁鐵結構122係嵌入轉動體120且其兩面分別相對一第一電磁鐵112A與一第二電磁鐵112B。而在本實施例中，永久磁鐵結構122係包含7個圓弧形永久磁鐵以等距圓心方式排列成環狀，然其數量可依實際需求作調整。在本實施例中，轉動體120為碟狀轉動體。本實施例亦利用第一、第二電磁鐵112A、112B之磁力校調轉動體120之平衡以及耦合永久磁鐵結構122之磁力，藉此避免改變永久磁鐵結構122之磁性。在本實施例中，第一、第二電磁鐵112A、112B係分別為一環狀線圈且分別內嵌(或固定)於一第一碟狀固定體110A與一第二碟狀固定體110B，其中，第一、第二電磁鐵112A、112B係由一比例-微分(Proportional & Derivative；PD)控制器所控制。

請再參照第二圖，永久磁鐵結構122所提供的磁通量係由軸心方向往外通過轉動體120，然後沿著軸桿方向分別穿越轉動體120與第一、第二固定體110A、110B之間的氣隙(air-gap)，並由外往軸心方向分別穿越第一、第二固定體110A、110B，然後沿著軸桿方向分別穿越第一、第二固定體110A、110B與轉動體120之間的氣隙回到永久磁鐵結構122，其磁路如第二圖虛線箭頭迴路所示。而第一、第二電磁鐵112A、112B所提供的磁通量係由外往內通過第一固定體110A，然後沿著軸桿方向分別穿越第一固定體110A與轉動體120間的氣隙、轉動體120以及轉動體120與第二固定體110B間的氣隙，並由內往外通過第二固定體110B，然後沿著軸桿方向穿越第二固定體110B與轉動體120間的氣隙、轉動體120以及轉動體120與第一固定體110A間的氣隙回到第一固定體110A，其磁路如第二圖實線箭頭迴路所示。在此要說明的是，上述磁通量路徑係僅用以說明本實施例，並非用以限制本發明之實施。

由永久磁鐵結構122於氣隙所導致的磁通量可以表示為：

其中，μ₀ 為空氣磁導係數；A_g 為固定體112A、112B剖面面積；A_p 為永久磁鐵122剖面面積；b為永久磁鐵122長度；μ為永久磁鐵122在工作點消磁曲線的極點；B₀ 為稀土永久磁鐵122剩餘磁通量密度；G為均勻氣隙；z為轉動體120自平衡點之位移。

而電磁鐵磁路迴路方程式可以表示為：

其中，，因此

而在氣隙的總磁通量則可表示為：

因此，轉動體120所受的磁力為：

由以上方程式可知，軸向磁浮軸承所受的磁力係正比於在氣隙的磁通量，而磁通量可由線圈電流加以改變，因此只要改變線圈電流，即可控制軸向磁浮軸承所受的磁力，亦即，在本實施例中，軸向磁浮軸承所受的磁力與電磁鐵線圈電流大小有關，與距離無關。

請參照第三A~第三C圖，其等分別為第一A圖所示較佳實施例100在線圈電流為0A、1A以及3A時，其氣隙磁通量密度示意圖。本實施例利用有限元素分析軟體建立有限元素法(finite element method；FEM)模式加以模擬，由電磁鐵線圈所產生的磁通量將改變氣隙的磁通量。請先參照第三A圖，當電磁鐵線圈電流為0A時，第三A圖所呈現的僅為永久磁鐵的磁通量密度。而在第三B圖與第三C圖，當線圈電流分別為1A與3A時，由於線圈電流為順時鐘方向，因此上面氣隙的磁通量將減少，而下面氣隙的磁通量將增加，分別如第三B、第三C圖所示。在此要特別強調的是，經由比較永久磁鐵的磁通量密度並無明顯改變，亦即，根據模擬結果，本實施例之永久磁鐵的磁通量並不會被線圈電流所改變，換句話說，藉由控制線圈電流方向與電流強度將可調整(降低或增加)氣隙的磁通量，但並不會改變永久磁鐵的磁性。

請參照第四圖，其為第一A圖所示之較佳實施例100之磁通量密度模擬分析曲線圖。由於FEM模式係以2D模擬，而轉動體內側與外側剖面面積相同，但2D FEM剖面面積分析模式並不均勻，因此模擬結果磁通量密度並非均勻散布。然而利用所量測的磁通量密度資料，即可求出轉動體所受的磁力，如表一所示。

請參照第五A、第五B圖，其等分別為本發明之一較佳實施例(第一A圖所示之較佳實施例100)之電流-磁力以及位移-磁力特性關係曲線圖。本實施例係設置於CNC裝置上，利用荷重元(Load Cell)量測磁力量，從第五A圖的關係曲線與數據可以得到電流-磁力係數ki大約為350 N/A；而從第五B圖的關係曲線與數據可以得到位移-磁力係數kd大約為245000 N/m。

在此要強調的是，本發明所揭露的混合式軸向磁浮軸承(HMB)，其永久磁鐵的磁通量並不會受電磁鐵線圈電流影響而損壞，並且根據模擬結果，其特性與一般傳統主動式磁浮軸承相似，但其僅需0.24 W的電力消耗即可磁浮0.9 kg的轉動體，因此本發明係可降低磁浮軸承之電力消耗。請參照表二，其為本發明之一較佳實施例參數，其僅說明本發明而並非用以限制本發明之實施。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其他為脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍。

100．．．一較佳實施例

110A、110B．．．固定體

112A、112B．．．電磁鐵

120．．．轉動體

122．．．永久磁鐵

Ag．．．固定體剖面面積

Ap．．．永久磁鐵剖面面積

B．．．永久磁鐵長度

G．．．氣隙

Z．．．偏移量

ψ1、ψ2、ψe．．．磁通量

F1、F2．．．磁力

第一A圖係本發明之一較佳實施例之立體剖面圖；

第一B圖係本發明之一較佳轉動體實施例之示意圖；

第二圖係第一A圖所示實施例之磁路分析圖；

第三A~三C圖係本發明之一較佳實施例在線圈電流為0A、1A以及3A時，其氣隙(air-gap)磁通量密度示意圖；

第四圖係本發明之一較佳實施例之磁通量密度模擬分析曲線圖；

第五A圖係本發明之一較佳實施例之電流-磁力特性關係曲線圖；以及

第五B圖係本發明之一較佳實施例之位移-磁力特性關係曲線圖。

100．．．一較佳實施例

110A、110B．．．固定體

112A、112B．．．電磁鐵

120．．．轉動體

122．．．永久磁鐵結構

Claims

一種混合式軸向磁浮軸承，其包含：一第一電磁鐵；一第二電磁鐵；以及一轉動體，係位於該第一與該第二電磁鐵之間，該轉動體係具有一永久磁鐵結構，且該永久磁鐵結構之位置係相對於該第一與該第二電磁鐵之位置。
如申請專利範圍第1項所述之混合式軸向磁浮軸承，其中該第一與該第二電磁鐵係分別位於一第一固定體與一第二固定體。
如申請專利範圍第2項所述之混合式軸向磁浮軸承，其中該第一固定體係一第一固定片，該第二固定體係一第二固定片。
如申請專利範圍第1項所述之混合式軸向磁浮軸承，其中該第一與該第二電磁鐵係包含兩環狀線圈。
如申請專利範圍第1項所述之混合式軸向磁浮軸承，其中該轉動體係包含碟狀結構。
如申請專利範圍第1項所述之混合式軸向磁浮軸承，其中該永久磁鐵結構係包含複數個圓弧形永久磁鐵。
如申請專利範圍第6項所述之混合式軸向磁浮軸承，其中該複數個圓弧形永久磁鐵係以等距圓心方式排列。
如申請專利範圍第6項所述之混合式軸向磁浮軸承，其中該複數個圓弧形永久磁鐵之數量為7。
一種轉動體結構，用於一混合式軸向磁浮軸承，並提供磁力充當該混合式軸向磁浮軸承之偏壓力以降低電力消耗，該轉動體結構包含：一本體；以及一永久磁鐵結構，係嵌入該本體並兩面分別相對一第一電磁鐵與一第二電磁鐵。
如申請專利範圍第9項所述之轉動體結構，其中該本體係包含碟狀結構。
如申請專利範圍第9項所述之轉動體結構，其中該永久磁鐵結構係包含複數個圓弧形永久磁鐵。
如申請專利範圍第11項所述之轉動體結構，其中該複數個圓弧形永久磁鐵係以等距圓心方式排列。
如申請專利範圍第11項所述之轉動體結構，其中該複數個圓弧形永久磁鐵之數量為7。
一種混合式軸向磁浮軸承工作方法，其包含：利用一永久磁鐵結構之磁力提供一偏壓力使一轉動體磁浮，其中該永久磁鐵結構係嵌入該轉動體且兩面分別相對一第一電磁鐵與一第二電磁鐵；以及利用該第一與該第二電磁鐵之磁力校調該轉動體之平衡。
如申請專利範圍第14項所述之混合式軸向磁浮軸承工作方法，其中該轉動體係包含碟狀結構。
如申請專利範圍第14項所述之混合式軸向磁浮軸承工作方法，其中該永久磁鐵結構係包含複數個圓弧形永久磁鐵。
如申請專利範圍第16項所述之混合式軸向磁浮軸承工作方法，其中該複數個圓弧形永久磁鐵係以等距圓心方式排列。
如申請專利範圍第16項所述之混合式軸向磁浮軸承工作方法，其中該複數個圓弧形永久磁鐵之數量為7。
如申請專利範圍第14項所述之混合式軸向磁浮軸承工作方法，其中該第一與該第二電磁鐵係分別位於一第一固定體與一第二固定體。
如申請專利範圍第19項所述之混合式軸向磁浮軸承工作方法，其中該第一固定體係一第一固定片，該第二固定體係一第二固定片。
如申請專利範圍第14項所述之混合式軸向磁浮軸承工作方法，其中該第一與該第二電磁鐵係包含兩環狀線圈。
如申請專利範圍第14項所述之混合式軸向磁浮軸承工作方法，其中該第一與該第二電磁鐵係由一PD控制器所控制。