CN109026995B - 一种抗磁悬浮微型轴承转子*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗磁悬浮微型转子***，包括：悬浮***、旋转驱动***，所述悬浮***和旋转驱动***相对放置，中间有工作气隙，所述悬浮***包括悬浮转子和磁场提供装置，所述悬浮转子为圆片形，位于磁场提供装置上方，悬浮转子与磁场提供装置之间为通过磁场形成的悬浮气隙，所述悬浮转子采用抗磁性材料制作，磁场提供装置采用电磁铁或永磁体，旋转驱动***采用磁场驱动***或电涡流驱动***。本发明的抗磁悬浮微型转子***实现了抗磁悬浮轴承转子***主动旋转功能，可降低了转子旋转时的涡流损耗，实现轴承的微型化，无需任何能量输入，即可以实现常温、被动、无摩擦、静态稳定悬浮，悬浮稳定。
Description
技术领域
本发明公开了一种抗磁悬浮微型转子***，属于磁悬浮轴承技术领域。
背景技术
轴承作为最为重要的机械基础件之一，广泛应用于各类机械设备中。随着人们对机械产品的轻量化、微型化和精密化等需求的日益增长，作为微机电***的关键设备之一，微型轴承引起了相关领域的高度关注。
早期的微型轴承主要为干摩擦轴承，采用微加工技术设计和制造微型轴承。但由于尺度效应，随着微型机械几何尺寸减小，表面积与体积之比变大，机械接触式轴承的损耗比急剧增加。
抗磁悬浮是利用抗磁性物质的抗磁性使其在磁场中稳定悬浮的技术，最初于18世纪年发现，但由于抗磁力自身非常微弱，研究人员当时并未对抗磁悬浮进行深入的研究。直到近30年来，随着微细制造与强磁场技术的发展，抗磁悬浮相关研究及应用才开始兴起。抗磁悬浮不受恩绍(Earnshaws)定理的限制，可以实现常温、被动、无摩擦、静态稳定悬浮。在尺度效应下，抗磁悬浮力与被悬浮物重力之比随尺度降低而增大，在微型转子中具有极大的应用前景。
在本发明之前，在抗磁悬浮微型轴承转子方面，国内外相关研究处于起步阶段，大部分研究侧重于抗磁悬浮轴承转子的物理特性研究。而对于旋转功能的实现，大多数学者采用气体作为动力源，对如何主动实现抗磁悬浮轴承转子***的旋转驱动功能研究成较少。例如在文献Cansiz A,Hull J R.Stable load-carrying and rotational losscharacteristics of diamagnetic bearings[J].IEEE transactions on magnetics,2004,40(3):1636-1641.中，作者采用氮气吹动抗磁悬浮转子运行，并在转子停止气体推动后，利用抗磁悬浮转子降速的特性，推算出抗磁悬浮轴承的损耗特性。
发明内容
发明目的：本发明针对现有微型干摩擦轴承损耗较大，而新型的抗磁悬浮微型轴承转子***不具备自主旋转驱动的局限性，提出了一种抗磁悬浮微型轴承转子***。
技术方案：
一种抗磁悬浮微型转子***，包括：悬浮***、旋转驱动***，所述悬浮***和旋转驱动***相对放置，中间有工作气隙，所述悬浮***包括悬浮转子和磁场提供装置，所述悬浮转子为圆片形，位于磁场提供装置上方，悬浮转子与磁场提供装置之间为通过磁场形成的悬浮气隙，所述悬浮转子采用抗磁性材料制作，磁场提供装置采用电磁铁，所述电磁铁包括圆柱型抗磁性器件、环型抗磁性器件、第一线圈绕组和第二线圈绕组，圆柱型抗磁性器件嵌套在环型抗磁性器件中；圆柱型抗磁性器件的直径与环型抗磁性器件的内径相同，圆柱型抗磁性器件的长度大于环型抗磁性器件的长度，且嵌套时候保持两者上平面平齐，圆柱型抗磁性器件下端未嵌套在环型抗磁性器件的部分，外部设置有第一线圈绕组，第一线圈绕组通过电流产生电磁场，环型抗磁性器件外圈设置有第二线圈绕组，第二线圈绕组通过电流产生电磁场，且第二线圈绕组与第一线圈绕组中通过的电流方向相反，产生两个相反的磁场。
进一步地，磁场提供装置采用永磁体代替电磁铁，所述永磁体包括圆柱型永磁体器件和环型永磁体器件，圆柱型永磁体器件嵌套在环型永磁体器件中，圆柱型永磁体器件的直径与环型永磁体器件的内径相同，高度相等，圆柱型永磁体器件置于环型永磁体器件内环中，且圆柱型永磁体器件与环型永磁体器件的充磁方向相反。
进一步地，所述抗磁性器件的材料为热解石墨。
进一步地，悬浮转子的直径大于圆柱型抗磁性器件的直径，两者差值为0～+5mm。
进一步地，永磁体的材料为钕铁硼。
进一步地，悬浮转子的直径大于圆柱型永磁体器件的直径，两者差值为0～+5mm。
进一步地，第二线圈绕组的匝数大于等于第一线圈绕组的匝数，且第二线圈绕组中通过的电流大于等于第一线圈绕组中通过的电流。
进一步地，所述旋转驱动***采用磁场驱动***，磁场驱动***包括驱动电机定子、三相交流电源，所述驱动电机定子包括定子铁芯、定子铁芯绕组，定子基板，定子铁芯绕组与三相交流电源连接，驱动电机定子设置在悬浮转子的上方，驱动电机定子与悬浮转子间有工作气隙，定子铁芯与悬浮转子相对放置，驱动电机的定子基板为圆形，驱动电机的定子的直径与悬浮转子直径相同，定子铁芯包括多个铁芯单元，以定子基板圆心为中心，等间隔角度设置在定子基板上，驱动时，定子铁芯绕组中通入三相交变的电流，产生三相旋转的平面磁场，三相旋转的平面磁场驱动抗磁性材料制作的悬浮转子进行旋转。
进一步地，所述旋转驱动***采用电涡流驱动***，电涡流驱动***包括电机、电源，电机包括圆形电机转子与圆型磁极，圆形电机转子采用薄铝片制作，与悬浮转子两者同心粘合在一起，圆型磁极与电机转子相邻，圆型磁极设置在电机转子上方，圆型磁极与电机转子间有气隙，圆型磁极由扇型永磁片组成，永磁片为N-S交替布置，电机接通电源，圆型磁极旋转，圆形电机转子上产生电涡流，推动悬浮转子和圆形电机转子一起旋转。
进一步地，所述铁芯单元为三角形。
有益效果：
(1)本发明的抗磁悬浮微型转子***实现了抗磁悬浮轴承转子***主动旋转功能；
(2)抗磁悬浮轴承的抗磁悬浮力与转子重力比同转子表面积呈正相关，因此在尺度效应下，悬浮力与转子重力之比随尺度降低而增大，可实现轴承的微型化；
(3)抗磁悬浮不受Earnshaws定理的限制，无需任何能量输入，即可以实现常温、被动、无摩擦、静态稳定悬浮；
(4)提供了环型悬浮磁场，降低了转子旋转时的涡流损耗；
(5)两种驱动方案均保证了转子圆型片状结构，便于转子加工与制备；
(6)本发明的磁场驱动***采用磁场驱动方案和电涡流驱动方案，与静电场驱动相比，可以保证悬浮稳定，避免旋转驱动力破坏抗磁悬浮力。
附图说明
图1为悬浮***总体结构示意图如图。
图2为浴盆型磁场能量分布示意图。
图3为采用电磁铁产生浴盆型磁场能量分布的磁场时，磁场产生装置结构俯视图。
图4为采用电磁铁产生浴盆型磁场能量分布的磁场时，磁场产生装置结构侧视图。
图5为采用永磁体产生浴盆型磁场能量分布的磁场时，磁场产生装置结构俯视图。
图6为采用永磁体产生浴盆型磁场能量分布的磁场时，磁场产生装置结构侧视图。
图7为采用磁场方案驱动时，整个***侧视图。
图8为采用磁场方案驱动时，驱动电机的结构布置仰视图。
图9为采用电涡流方案驱动时，整个***侧视图。
图10为采用电涡流方案驱动时，驱动磁极的结构布置仰视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明公开了一种抗磁悬浮微型转子***，包括：悬浮***、旋转驱动***，悬浮***和旋转驱动***相对放置，两者不接触，中间有工作气隙，悬浮***包括悬浮转子1和磁场提供装置2，如图1所示，磁场提供装置2使悬浮转子1悬浮，旋转驱动***可带动悬浮转子1转动，悬浮转子1为圆片形，其直径为20mm，厚度0.5mm，位于磁场提供装置2上方，悬浮转子1与磁场提供装置2之间为通过磁场形成的悬浮气隙；如图2所示，磁场提供装置2可产生浴盆型磁场能量分布，悬浮转子1采用抗磁性材料制作，抗磁性器件的材料为热解石墨；磁场提供装置2采用电磁铁，具体结构如图3、如4所示，电磁铁包括圆柱型抗磁性器件3、环型抗磁性器件4、第一线圈绕组5和第二线圈绕组6，圆柱型抗磁性器件3嵌套在环型抗磁性器件4中；圆柱型抗磁性器件3的直径与环型抗磁性器件4的内径相同，圆柱型抗磁性器件3的长度大于环型抗磁性器件4的长度，且嵌套时候保持两者上平面平齐，圆柱型抗磁性器件3下端未嵌套在环型抗磁性器件4的部分，外部设置有第一线圈绕组5，第一线圈绕组5通过电流产生电磁场，环型抗磁性器件4外圈设置有第二线圈绕组6，第二线圈绕组6通过电流产生电磁场，且第二线圈绕组6与第一线圈绕组5中通过的电流方向相反，产生两个相反的磁场。第二线圈绕组6的匝数大于等于第一线圈绕组5的匝数，且第二线圈绕组6中通过的电流大于等于第一线圈绕组5中通过的电流。悬浮转子1的直径大于圆柱型抗磁性器件3的直径，两者差值为0～+5mm。
磁场提供装置2可以采用永磁体代替电磁铁，永磁体的材料为钕铁硼Nd-Fe-B，永磁体包括圆柱型永磁体器件7和环型永磁体器件8，如图5、图6所示，圆柱型永磁体器件7嵌套在环型永磁体器件8中，产生浴盆型磁场能量分布的磁场，圆柱型永磁体器件7的直径与环型永磁体器件8的内径相同，高度相等，圆柱型永磁体器件7置于环型永磁体器件8内环中，圆柱型永磁体直径为16mm，高7mm。环型永磁体器件内径为16mm，外径为30mm，高7mm，圆柱型永磁体器件7与环型永磁体器件8的充磁方向相反，悬浮转子1的直径大于圆柱型永磁体器件7的直径，两者差值为0～+5mm。
旋转驱动***采用磁场驱动***，磁场驱动***包括驱动电机定子9、三相交流电源，驱动电机定子9包括定子铁芯10、定子铁芯绕组11，定子铁芯绕组11与三相交流电源连接，如图7、图8所示，驱动电机定子9放置在悬浮转子1的上方，驱动电机定子9与悬浮转子1间有工作气隙，定子铁芯10与悬浮转子1相对放置，驱动电机的定子基板12为圆形，驱动电机的定子9的直径与悬浮转子1直径相同，定子铁芯10包括多个铁芯单元，以定子基板12圆心为中心，等间隔角度设置在定子基板12上，驱动时，定子铁芯绕组11中通入三相交变的电流，产生三相旋转的平面磁场，由于采用抗磁性物质制作的悬浮转子1会对磁场产生抵抗作用，三相旋转的平面磁场驱动抗磁性材料制作的悬浮转子1进行旋转，驱动时，三相旋转的平面磁场的变化频率逐渐由低提升至高，悬浮转子1速度也同时开始提升。
旋转驱动***采用电涡流驱动***，电涡流驱动***包括电机15、电源，电机15包括圆形电机转子13与圆型磁极14，如图9、10所示，圆形电机转子13采用薄铝片制作，与悬浮转子1两者同心粘合在一起，圆型磁极14与电机转子13相邻，电机转子13上方设置有圆型磁极14，圆型磁极14与电机转子13间有气隙，圆型磁极14由扇型永磁片组成，永磁片为N-S交替布置，电机15接通电源，圆型磁极14旋转，圆形电机转子13上产生电涡流，推动悬浮转子1和圆形电机转子13一起旋转。本发明的磁场驱动***可以保证悬浮稳定，避免旋转驱动力破坏抗磁悬浮力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种抗磁悬浮微型转子***，其特征在于，包括：悬浮***、旋转驱动***，所述悬浮***和旋转驱动***相对放置，中间有工作气隙，所述悬浮***包括悬浮转子(1)和磁场提供装置(2)，所述悬浮转子(1)为圆片形，位于磁场提供装置(2)上方，悬浮转子(1)与磁场提供装置(2)之间为通过磁场形成的悬浮气隙，所述悬浮转子(1)采用抗磁性材料制作，磁场提供装置(2)采用电磁铁，所述电磁铁包括圆柱型抗磁性器件(3)、环型抗磁性器件(4)、第一线圈绕组(5)和第二线圈绕组(6)，圆柱型抗磁性器件(3)嵌套在环型抗磁性器件(4)中；圆柱型抗磁性材料器件(3)的直径与环型抗磁性器件(4)的内径相同，圆柱型抗磁性器件(3)的长度大于环型抗磁性器件(4)的长度，且嵌套时候保持两者上平面平齐，圆柱型抗磁性器件(3)下端未嵌套在环型抗磁性器件(4)的部分，外部设置有第一线圈绕组(5)，第一线圈绕组(5)通过电流产生电磁场，环型抗磁性器件(4)外圈设置有第二线圈绕组(6)，第二线圈绕组(6)通过电流产生电磁场，且第二线圈绕组(6)与第一线圈绕组(5)中通过的电流方向相反，产生两个相反的磁场。
2.根据权利要求1所述的一种抗磁悬浮微型转子***，其特征在于：磁场提供装置(2)采用永磁体代替电磁铁，所述永磁体包括圆柱型永磁体器件(7)和环型永磁体器件(8)，圆柱型永磁体器件(7)嵌套在环型永磁体器件(8)中，圆柱型永磁体器件(7)的直径与环型永磁体器件(8)的内径相同，高度相等，圆柱型永磁体器件(7)置于环型永磁体器件(8)内环中，且圆柱型永磁体器件(7)与环型永磁体器件(8)的充磁方向相反。
3.根据权利要求1所述的一种抗磁悬浮微型转子***，其特征在于：所述抗磁性器件的材料为热解石墨。
4.根据权利要求1所述的一种抗磁悬浮微型转子***，其特征在于：悬浮转子(1)的直径大于圆柱型抗磁性器件(3)的直径，两者差值为0～+5mm。
5.根据权利要求1所述的一种抗磁悬浮微型转子***，其特征在于：第二线圈绕组(6)的匝数大于等于第一线圈绕组(5)的匝数，且第二线圈绕组(6)中通过的电流大于等于第一线圈绕组(5)中通过的电流。
6.根据权利要求2所述的一种抗磁悬浮微型转子***，其特征在于：永磁体的材料为钕铁硼。
7.根据权利要求2所述的一种抗磁悬浮微型转子***，其特征在于：悬浮转子(1)的直径大于圆柱型永磁体器件(7)的直径，两者差值为0～+5mm。
8.根据权利要求1或2所述的一种抗磁悬浮微型转子***，其特征在于：所述旋转驱动***采用磁场驱动***，磁场驱动***包括驱动电机定子(9)、三相交流电源，所述驱动电机定子(9)包括定子铁芯(10)、定子铁芯绕组(11)，定子基板(12)，定子铁芯绕组(11)与三相交流电源连接，驱动电机定子(9)设置在悬浮转子(1)的上方，驱动电机定子(9)与悬浮转子(1)间有工作气隙，定子铁芯(10)与悬浮转子(1)相对放置，驱动电机的定子基板(12)为圆形，驱动电机的定子(9)的直径与悬浮转子(1)直径相同，定子铁芯(10)包括多个铁芯单元，以定子基板(12)圆心为中心，等间隔角度设置在定子基板(12)上，驱动时，定子铁芯绕组(11)中通入三相交变的电流，产生三相旋转的平面磁场，三相旋转的平面磁场驱动抗磁性材料制作的悬浮转子(1)进行旋转。
9.根据权利要求1或2所述的一种抗磁悬浮微型转子***，其特征在于：所述旋转驱动***采用电涡流驱动***，电涡流驱动***包括电机(15)、电源，电机(15)包括圆形电机转子(13)与圆型磁极(14)，圆形电机转子(13)采用薄铝片制作，与悬浮转子(1)两者同心粘合在一起，圆型磁极(14)与电机转子(13)相邻，圆型磁极(14)设置在电机转子(13)上方，圆型磁极(14)与电机转子(13)间有气隙，圆型磁极(14)由扇型永磁片组成，永磁片为N-S交替布置，电机(15)接通电源，圆型磁极(14)旋转，圆形电机转子(13)上产生电涡流，推动悬浮转子(1)和圆形电机转子(13)一起旋转。
10.根据权利要求8所述的一种抗磁悬浮微型转子***，其特征在于：所述铁芯单元为三角形。
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