CN104533948B - 一种永磁偏置外转子四自由度主被动混合磁轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种永磁偏置外转子四自由度主被动混合磁轴承，它由导磁体、永磁体、定转子铁心、激磁线圈、阻尼线圈组成，8个定子铁心组成磁轴承A、B两端8个磁极，每个定子磁极绕制有激磁线圈，2个转子永磁体和2个定子永磁体分别位于磁轴承转子和定子上，永磁体之间由导磁体连接，定转子永磁体之间的导磁体分别向外突出两个被动部分定子导磁环和被动部分转子导磁环，中间定子导磁体上绕制轴向阻尼线圈；激磁线圈提供径向平动、径向扭转主动控制，永磁偏置磁通提供轴向平动被动控制，阻尼线圈提供轴向平动阻尼。本发明解决了四自由度主被动混合磁轴承一体化设计和轴向被动自由度弱阻尼问题，具有小体积、低功耗和高稳定性的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种非接触磁轴承，特别是一种径向平动、径向扭转四自由度主动控制、轴向平动一自由度被动悬浮的永磁偏置外转子四自由度主被动混合磁轴承，可作为磁悬浮飞轮、磁悬浮控制力矩陀螺等机械设备中转子的无接触支承。
背景技术
磁悬浮轴承是一种新型高性能支承结构，具有非接触、无磨损、不需润滑、微振动等优点，是高精度、长寿命、高速转子***的理想支承方式。磁悬浮轴承根据悬浮力的提供形式可分为电磁磁轴承和永磁磁轴承，其中电磁磁轴承可以通过改变激磁线圈的控制电流改变悬浮力的大小，因此又称其为主动磁轴承；永磁磁轴承靠永磁体之间的作用力或永磁体与磁性材料的磁阻力进行悬浮支承，悬浮力不可以主动控制，因此又称其为被动磁轴承。主动磁轴承控制精度高，承载力大，转子动态特性主动可控，但是其开环不稳定，需要一套由传感器、控制器、功放等组成的闭环反馈控制***，功耗大，受空间环境和电子器件的影响可靠性低；被动磁轴承悬浮精度不如主动磁轴承高，但是其结构简单，不需要控制***，不消耗能量，可靠性高。主被动混合磁轴承结合了两者优点，在精度、稳定性要求高的自由度采用主动磁轴承控制，在控制性能要求不严格的自由度采用被动磁轴承支承，从而实现磁轴承总体性能最优。
仅靠永磁被动力不能实现五自由度的全悬浮支承，需要至少在一个自由度上进行主动控制，因此磁轴承可以根据主动控制的自由度个数来划分，包括：一自由度主被动混合磁轴承、二自由度主被动混合磁轴承、三自由度主被动混合磁轴承、四自由度主被动混合磁轴承和五自由度全主动磁轴承。一般情况下，被动自由度的个数越多，***的控制越简单，体积重量也越小；主动自由度的个数越多，需要的控制越复杂，体积重量也越大。被动磁轴承对转子的控制力是与位移有关的回复力，缺少与速度有关的阻尼作用，因此被动自由度抗外部扰动的能力差，容易与周期性干扰形成共振。为解决被动磁轴承无阻尼的问题，需要增加外部阻尼器。阻尼器可分为接触式阻尼器和非接触阻尼器。对于高速转子***，为了保持转子不接触悬浮支承的特点，首选非接触式阻尼器。磁阻尼器是典型的非接触式阻尼器之一，其工作原理也与磁轴承类似，便于与磁轴承集成设计。因此，对主被动混合磁轴承进行综合设计，使被动自由度具有磁阻尼的能力，对提高主被动混合磁轴承的控制精度和推广主被动混合磁轴承的应用范围具有现实的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种体积小、集成度高、被动自由度阻尼作用大的永磁偏置外转子四自由度主被动混合磁轴承。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种永磁偏置外转子四自由度主被动混合磁轴承，由定子铁心(1)、激磁线圈(2)、工作气隙(3)、转子铁心(4)、定子永磁体(5)、转子永磁体(6)、转子导磁体(7)、定子导磁体(8)、被动部分定子导磁环(9)、被动部分转子导磁环(10)、被动磁间隙(11)、阻尼线圈(12)组成，其中8个定子铁心(1)组成磁轴承A、B两端8个磁极，其中每端4个定子铁心(1)组成了磁轴承X、Y正负方向上的定子磁极，它们之间通过定子导磁体(8)连接，每个定子磁极绕制有激磁线圈(2)，定子铁心(1)外部为整环的转子铁心(4)，定子铁心(1)外表面与转子铁心(4)内表面留有一定的间隙，形成工作气隙(3)，转子铁心(4)外部为转子导磁体(7)，两个转子永磁体(6)位于上下两个转子导磁体(7)之间，两个转子永磁体(6)之间由中间的转子导磁体(7)连接，中间的转子导磁体(7)内表面在径向内侧方向上突出两个被动部分转子导磁环(10)，两个定子永磁体(5)位于上下2个定子导磁体(8)之间，两个定子永磁体(5)之间由中间的定子导磁体(8)连接，中间的定子导磁体(8)外表面在径向外侧方向上突出两个被动部分定子导磁环(9)，被动部分定子导磁环(9)外表面与被动部分转子导磁环(10)内表面留有一定的间隙，形成被动磁间隙(11)，在两个被动部分定子导磁环(9)之间的定子导磁体(8)上绕制阻尼线圈(12)，所述的阻尼线圈(12)可以为轴向平动自由度提供磁阻尼控制力，且有两种基本的提供阻尼的方法：其一是通过外部电阻将阻尼线圈(12)闭合，转子轴向运动导致通过阻尼线圈(12)的永磁磁通变化，在阻尼线圈(12)内出现与转子轴向运动具有一定相位差的感应电流，形成一定的被动阻尼作用；其二是通过对阻尼线圈(12)的主动控制为轴向平动提供主动阻尼，此时需要一套闭环反馈控制***，由阻尼线圈(12)改变被动磁间隙(11)处的磁通量及其形成的轴向平动回复力，即可以提供主动磁阻尼。
所述的定子铁心(1)和转子铁心(4)的轴向长度相等。
所述的被动部分定子导磁环(9)和被动部分转子导磁环(10)的轴向长度相等。
所述的两个定子永磁体(5)几何尺寸、材料和充磁强度相同；两个转子永磁体(6)几何尺寸、材料和充磁强度相同，永磁体沿轴向充磁；两个定子永磁体(5)的充磁方向相同，两个转子永磁体(6)的充磁方向相同，定子永磁体(5)和转子永磁体(6)的充磁方向相反，由此形成闭环的永磁磁路。
所述的定子永磁体(5)和转子永磁体(6)采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成。
所述的定子导磁体(7)、转子导磁体(8)、被动部分定子导磁环(9)、被动部分转子导磁环(10)均采用导磁性能良好的材料，如电工纯铁、1J50或硅钢任意一种制成。
本发明的基本原理是：转子永磁体、转子导磁体、转子磁极、工作气隙、定子磁极、定子导磁体、定子永磁体构成永磁磁路，用以在工作气隙处形成永磁偏置磁场，承担磁轴承所受的径向力；转子永磁体和定子永磁磁阻大，起到隔离电励磁磁通的作用，每一端X、Y正方向的定子磁极、工作气隙、转子磁极通过导磁体与负方向的转子磁极、工作气隙、定子磁极构成电励磁磁路，提供磁轴承径向的主动控制力；定子铁心和转子铁心的轴向长度相等，工作气隙的永磁偏置磁场提供轴向平动自由度的被动悬浮力；转子轴向运动导致工作气隙变化，永磁磁路的磁阻随之变化，进而永磁磁通也随着变化，由于永磁磁通穿过了阻尼线圈，在阻尼线圈内产生感应电动势，将阻尼线圈通过外加电阻闭合，阻尼线圈内形成感应电流，此感应电流与转子的轴向运动存在相位差，感应电流对转子轴向运动具有阻尼的作用。此外，通过对阻尼线圈进行主动控制，可以为轴向自由度提供主动控制作用，包括磁阻尼作用。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的永磁偏置外转子四自由度主被动混合磁轴承可以根据需要改变主动控制的自由度个数，如当仅对转子的径向平动进行主动控制时，可以形成径向平动两自由度主动控制、径向扭转和轴向平动被动控制的二自由度主被动混合磁轴承；当对转子的径向平动和一个径向扭转方向进行主动控制而其他自由度被动控制时，可以形成三自由度主被动混合磁轴承；当仅对转子的径向平动和扭转进行主动控制时，可以形成四自由度主被动磁轴承混合磁轴承；当对转子的径向平动和扭转进行主动控制，同时通过阻尼线圈为轴向平动提供一定的主动控制作用，则可以形成类似于五自由度的全主动悬浮。
(2)阻尼线圈可以为轴向平动自由度提供磁阻尼控制力，相比于现有的轴向被动磁悬浮轴承，轴向运动具有更高的稳定性和精度。
(3)本发明采用一体化的磁轴承结构，磁轴承轴向尺寸小，制造和安装方便。
(4)以本发明为基本的结构形式，通过改变永磁体的位置和个数，可以变异出一系列性能具有不同侧重点的一体化主被动混合磁轴承。
附图说明
图1为本发明的永磁偏置外转子四自由度主被动混合磁轴承轴向截面图；
图2为本发明的永磁偏置外转子四自由度主被动混合磁轴承端面图；
图3为本发明的永磁偏置外转子四自由度主被动混合磁轴承轴向主动磁阻尼控制策略流程图。
具体实施方式
如图1、2所示，为本发明的永磁偏置外转子四自由度主被动混合磁轴承技术解决方案，即本发明的基本形式，它由8个定子铁心1、8个激磁线圈2、2个转子铁心4、2个定子永磁体5、2个转子永磁体6、3个转子导磁体7、3个定子导磁体8、2个被动部分定子导磁环9、2个被动部分转子导磁环10、1个阻尼线圈12组成，8个定子铁心1组成了磁轴承A、B两端X、Y方向的定子磁极，其中每4个定子铁心1组成了磁轴承一端X、Y方向上的4个定子磁极，2个定子导磁体8分别连接磁轴承A、B两端的4个定子铁心1，每个定子磁极绕制有激磁线圈2，定子铁心1外部为整环的转子铁心4，定子铁心1外表面与转子铁心4内表面留有一定的间隙，形成工作气隙3，2个转子永磁体6位于上下2个转子铁心4之间，2个转子永磁体6和2个转子铁心4由3个转子导磁体7连接，中间的转子导磁体7内表面在径向内侧方向上突出2个被动部分转子导磁环10，2个定子永磁体5位于上下2个定子导磁体8之间，2个定子永磁体5之间由另外一个定子导磁体8连接，中间的定子导磁体8外表面在径向外侧方向上突出2个被动部分定子导磁环9，被动部分定子导磁环9外表面与被动部分转子导磁环10内表面留有一定的间隙，形成被动磁间隙11，2个被动部分定子导磁环9之间的定子导磁体8上绕制有阻尼线圈12，用以形成对轴向运动的阻尼作用。
上述本发明技术方案中的定子铁心1和转子铁心4的轴向长度相等，被动部分定子导磁环9和被动部分转子导磁环10的轴向长度相等；每个定子永磁体5的几何尺寸、材料、充磁强度等特性相同，每个转子永磁体6的几何尺寸、材料、充磁强度等特性相同，沿轴向充磁，两个定子永磁体5的充磁方向相同，两个转子永磁体6的充磁方向相同，定转子永磁体的充磁方向相反,由此形成闭环的永磁磁路。定子永磁体5和转子永磁体6采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成；定子导磁体7、转子导磁体8、被动部分定子导磁环9、被动部分转子导磁环10均用导磁性能良好的材料制成，如电工纯铁、1J50、各种硅钢合金钢、铸铁、铸钢和1J79磁性材料；定子铁心1、转子铁心4可用导磁性能良好的电工薄钢板如电工纯铁、1J50、1J79磁性材料冲压迭制而成。激磁线圈2、阻尼线圈12用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。
阻尼线圈12可以为轴向运动提供被动磁阻尼和主动磁阻尼，其中被动磁阻尼可以描述为：转子轴向运动导致工作气隙3变化，永磁磁路的磁阻随之变化，进而永磁磁通也随之变化，由于永磁磁通穿过了阻尼线圈12，在阻尼线圈12内产生感应电动势，将阻尼线圈12通过外部电阻闭合，阻尼线圈12内形成感应电流，由感应电流形成的感应磁通阻碍穿过阻尼线圈12的总磁通的变化，反映到力学特性上为阻碍转子的运动，此感应电流与转子的轴向运动存在相位差，对转子轴向运动具有阻尼的作用；主动磁阻尼可以描述为：当转子轴向发生偏移时，工作气隙3和被动磁间隙11处的磁通在轴向上形成回复力，且回复力的大小与磁通量的大小成正比，其中被动磁间隙11处的磁通可以通过阻尼线圈12进行主动控制，进而按照一定的控制策略可以为轴向平动提供主动磁阻尼。如图3所示，首先由外部轴向位移传感器检测转子的位置和运动方向，与转子运动相反的方向即为所需阻尼力的方向，由于磁阻尼作用力是由回复力的变化等效而来，因而所需阻尼力的方向就是所需回复力变化的方向，最后根据转子的位置和所需回复力变化的方向就可以决定回复力绝对值的增大和减小，进而决定阻尼线圈12控制电流的增大和减小，具体为：当转子位置的偏移方向与所需回复力的变化方向相同时，减小回复力的绝对值，即减小阻尼线圈12的控制电流；当转子位置偏移的方向与所需回复力的变化方向相反时，增大回复力的绝对值，即增大阻尼线圈12的控制电流。
Claims (6)
1.一种永磁偏置外转子四自由度主被动混合磁轴承，由定子铁心(1)、激磁线圈(2)、工作气隙(3)、转子铁心(4)、定子永磁体(5)、转子永磁体(6)、转子导磁体(7)、定子导磁体(8)、被动部分定子导磁环(9)、被动部分转子导磁环(10)、被动磁间隙(11)、阻尼线圈(12)组成，其特征在于：8个定子铁心(1)组成磁轴承A、B两端8个磁极，其中每端4个定子铁心(1)组成了磁轴承X、Y正负方向上的定子磁极，它们之间通过定子导磁体(8)连接，每个定子磁极绕制有激磁线圈(2)，定子铁心(1)外部为整环的转子铁心(4)，定子铁心(1)外表面与转子铁心(4)内表面留有一定的间隙，形成工作气隙(3)，转子铁心(4)外部为转子导磁体(7)，两个转子永磁体(6)位于上下两个转子导磁体(7)之间，两个转子永磁体(6)之间由中间的转子导磁体(7)连接，中间的转子导磁体(7)内表面在径向内侧方向上突出两个被动部分转子导磁环(10)，两个定子永磁体(5)位于上下2个定子导磁体(8)之间，两个定子永磁体(5)之间由中间的定子导磁体(8)连接，中间的定子导磁体(8)外表面在径向外侧方向上突出两个被动部分定子导磁环(9)，被动部分定子导磁环(9)外表面与被动部分转子导磁环(10)内表面留有一定的间隙，形成被动磁间隙(11)，在两个被动部分定子导磁环(9)之间的定子导磁体(8)上绕制阻尼线圈(12)，所述的阻尼线圈(12)可以为轴向平动自由度提供磁阻尼控制力，且有两种基本的提供阻尼的方法：其一是通过外部电阻将阻尼线圈(12)闭合，转子轴向运动导致通过阻尼线圈(12)的永磁磁通变化，在阻尼线圈(12)内出现与转子轴向运动具有一定相位差的感应电流，形成一定的被动阻尼作用；其二是通过对阻尼线圈(12)的主动控制为轴向平动提供主动阻尼，此时需要一套闭环反馈控制***，由阻尼线圈(12)改变被动磁间隙(11)处的磁通量及其形成的轴向平动回复力，即可以提供主动磁阻尼。
2.根据权利要求1所述的一种永磁偏置外转子四自由度主被动混合磁轴承，其特征在于：所述的定子铁心(1)和转子铁心(4)的轴向长度相等。
3.根据权利要求1所述的一种永磁偏置外转子四自由度主被动混合磁轴承，其特征在于：所述的被动部分定子导磁环(9)和被动部分转子导磁环(10)的轴向长度相等。
4.根据权利要求1所述的一种永磁偏置外转子四自由度主被动混合磁轴承，其特征在于：所述的两个定子永磁体(5)几何尺寸、材料和充磁强度相同；两个转子永磁体(6)几何尺寸、材料和充磁强度相同，永磁体沿轴向充磁；两个定子永磁体(5)的充磁方向相同，两个转子永磁体(6)的充磁方向相同，定子永磁体(5)和转子永磁体(6)的充磁方向相反，由此形成闭环的永磁磁路。
5.根据权利要求1所述的一种永磁偏置外转子四自由度主被动混合磁轴承，其特征在于：所述的定子永磁体(5)和转子永磁体(6)采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种永磁偏置外转子四自由度主被动混合磁轴承，其特征在于：所述的定子导磁体(7)、转子导磁体(8)、被动部分定子导磁环(9)、被动部分转子导磁环(10)均采用导磁性能良好的材料，由电工纯铁、1J50或硅钢任意一种制成。
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