能夠平衡磁懸浮軸承中靜態(tài)載荷的方法及其結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種能夠平衡磁懸浮軸承中靜態(tài)載荷的方法及其結(jié)構(gòu)；所述能夠平衡磁懸浮軸承中靜態(tài)載荷的方法，其對(duì)于需要平衡靜態(tài)載荷的自由度，采用磁極面積不相等的兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵，以使得由靜態(tài)荷載所產(chǎn)生的控制電流趨于零即可。由此可知：本發(fā)明通過(guò)將采用差動(dòng)形式的磁懸浮軸承中的兩個(gè)電磁鐵磁極面積大小設(shè)計(jì)為不同的方法進(jìn)行靜態(tài)載荷的平衡，簡(jiǎn)化了流體機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了流體機(jī)械的效率和可靠性。
【專利說(shuō)明】能夠平衡磁懸浮軸承中靜態(tài)載荷的方法及其結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種能夠平衡磁懸浮軸承中靜態(tài)載荷的方法及其結(jié)構(gòu)，屬于磁懸浮軸承領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]主動(dòng)磁懸浮軸承是利用電磁力將被懸浮物懸浮于空間、使被懸浮物與定子之間實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械接觸的一種高性能軸承。與傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承相比，主動(dòng)磁懸浮軸承有兩大優(yōu)點(diǎn):1.沒(méi)有機(jī)械接觸，無(wú)需潤(rùn)滑系統(tǒng)，不存在滑油泄漏污染問(wèn)題；2.支承力可控。因此主動(dòng)磁懸浮軸承不僅可以應(yīng)用于高轉(zhuǎn)速、真空、超凈及極端溫度和壓力等特殊工作環(huán)境；而且可以利用其支承力可控的特點(diǎn)對(duì)被懸浮物的振動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)平衡，減小系統(tǒng)的振動(dòng)，提高系統(tǒng)的性能，在高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械(鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、泵和汽輪機(jī)等)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]采用主動(dòng)磁懸浮軸承支承時(shí)，往往存在一定的靜態(tài)載荷(如重力、流體壓力等)，通常主動(dòng)磁懸浮軸承在任一自由度上均采用面積相等的一對(duì)差動(dòng)電磁鐵結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，由于靜態(tài)載荷的存在，將會(huì)使兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵勵(lì)磁線圈中的電流不相等，即一個(gè)線圈電流大，一個(gè)線圈電流小。如靜態(tài)載荷大的話，將使其中的一個(gè)線圈電流過(guò)大而影響其使用壽命，嚴(yán)重的會(huì)使線圈燒壞，造成嚴(yán)重事故。因此，必須采取有效方法對(duì)靜態(tài)載荷予以平衡，來(lái)保證機(jī)械的可靠運(yùn)行。對(duì)于由流體機(jī)械葉輪產(chǎn)生的沿軸向的流體壓力(靜態(tài)載荷)，目前一般采用以下兩種平衡方法:(I)在被懸浮物上設(shè)置平衡盤(pán)，選擇合適的安裝位置，使平衡盤(pán)的兩側(cè)保持一定的氣壓差，從而產(chǎn)生一個(gè)與葉輪產(chǎn)生的沿軸向的流體壓力相反的載荷，從而平衡掉一部分靜態(tài)載荷，這種方法的不足是需要增加一個(gè)平衡盤(pán)而且會(huì)降低效率；(2)在流體機(jī)械葉輪產(chǎn)生的沿軸向的流體壓力的反方向施加一個(gè)電磁力或永磁力，從而平衡掉一部分靜態(tài)載荷，這種方法的不足是需要增加磁鐵，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本發(fā)明的新結(jié)構(gòu)是采用磁極面積不相等的差電磁鐵，磁極面積大的電磁鐵提供的電磁力有兩方面的作用，一是實(shí)現(xiàn)磁懸浮，二是平衡靜態(tài)載荷。在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的磁懸浮軸承基本相同，均是采用一對(duì)差動(dòng)的電磁鐵，差別僅僅是差動(dòng)的電磁鐵的磁極面積不相等，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠平衡磁懸浮軸承中靜態(tài)載荷的方法，其采用磁極面積不相等的兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵，即可以平衡掉前述兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵所處的自由度上所具有的靜態(tài)載荷；本發(fā)明能夠有效平衡靜態(tài)載荷、工藝簡(jiǎn)單且可靠。
[0005]為實(shí)現(xiàn)以上的技術(shù)目的，本發(fā)明將采取以下的技術(shù)方案:
一種能夠平衡磁懸浮軸承中靜態(tài)載荷的方法，對(duì)于需要平衡靜態(tài)載荷的自由度，采用磁極面積不相等的兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵，以使得由靜態(tài)荷載所產(chǎn)生的控制電流趨于零即可。
[0006]本發(fā)明的另一技術(shù)目的是提供一種能夠平衡靜態(tài)載荷的磁懸浮軸承新結(jié)構(gòu)，在任一自由度上，均具有兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵，所述的各自由度上對(duì)應(yīng)的兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵中，處于需要平衡靜態(tài)載荷的自由度上的兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵的磁極面積不相等。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，處于需要平衡靜態(tài)載荷的自由度上的兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵中，電磁力方向與靜態(tài)載荷方向相同的差動(dòng)電磁鐵的磁極面積相對(duì)于電磁力方向與靜態(tài)載荷方向相反的差動(dòng)電磁鐵的磁極面積較小。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在需要平衡靜態(tài)載荷的自由度上的兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵的磁極面積的比例，按照所需平衡的靜態(tài)載荷大小而定。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述磁懸浮軸承新結(jié)構(gòu)為徑向磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述磁懸浮軸承新結(jié)構(gòu)為軸向磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)。
[0011]根據(jù)以上的技術(shù)方案，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下的優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明通過(guò)將采用差動(dòng)形式的磁懸浮軸承中的兩個(gè)電磁鐵磁極面積大小設(shè)計(jì)為不同的方法進(jìn)行靜態(tài)載荷的平衡，簡(jiǎn)化了流體機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了流體機(jī)械的效率和可靠性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為傳統(tǒng)的磁懸浮原理圖，一對(duì)差動(dòng)電磁鐵的磁極面積相等。
[0013]圖2為本發(fā)明的磁懸浮原理圖，一對(duì)差動(dòng)電磁鐵的磁極面積不相等。
[0014]圖3為本發(fā)明的8極(兩對(duì)差動(dòng)電磁鐵)徑向磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)，每一對(duì)差動(dòng)電磁鐵的磁極面積不相等，能夠平衡垂直向下的重力或其他力F。
[0015]圖4為本發(fā)明的一種軸向磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)，一對(duì)差動(dòng)電磁鐵的磁極面積不相等，能夠平衡向左的軸向力F。
[0016]圖5為本發(fā)明的另一種軸向磁懸浮軸承，其中一個(gè)電磁鐵的磁極從圖4中的軸向移到了徑向，相當(dāng)于減小了這個(gè)電磁鐵的磁極面積。

【具體實(shí)施方式】
[0017]以下將結(jié)合附圖詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0018]本發(fā)明所述能夠平衡磁懸浮軸承中靜態(tài)載荷的方法，對(duì)于需要平衡靜態(tài)載荷的自由度，采用磁極面積不相等的兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵，以使得由靜態(tài)荷載所產(chǎn)生的控制電流趨于零即可；由此可知，本發(fā)明將一個(gè)自由度上的兩個(gè)電磁鐵的磁極面積大小設(shè)計(jì)為不同，使兩個(gè)電磁鐵在氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度和線圈電流相等的情況下，通過(guò)面積大小不同所產(chǎn)生的電磁力差來(lái)平衡被懸浮物上的靜態(tài)載荷。
[0019]本發(fā)明根據(jù)上述的技術(shù)理念，提供了一種能夠平衡靜態(tài)載荷的磁懸浮軸承新結(jié)構(gòu)，在任一自由度上，均具有兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵，所述的各自由度上對(duì)應(yīng)的兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵中，處于需要平衡靜態(tài)載荷的自由度上的兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵的磁極面積不相等；處于需要平衡靜態(tài)載荷的自由度上的兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵中，電磁力方向與靜態(tài)載荷方向相同的差動(dòng)電磁鐵的磁極面積相對(duì)于電磁力方向與靜態(tài)載荷方向相反的差動(dòng)電磁鐵的磁極面積較小；在需要平衡靜態(tài)載荷的自由度上的兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵的磁極面積的比例，按照所需平衡的靜態(tài)載荷大小而定。
[0020]以下將結(jié)合幾個(gè)實(shí)施例詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的可行性。
[0021]圖1是磁懸浮的基本原理圖,在垂直方向米用一對(duì)差動(dòng)形式的電磁鐵，其中1、2為電磁鐵，3為被懸浮物。通常情況，一對(duì)差動(dòng)電磁鐵即上下電磁鐵的磁極面積相等，氣隙中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為:

? NI
2 j
其中#為線圈匝數(shù);/為通入線圈中的電流為被懸浮物與電磁鐵之間的氣隙；為真空磁導(dǎo)率為電磁鐵的磁極面積。所產(chǎn)生的電磁力為:

『B2A μ?ΑΝ2Ι2
當(dāng)被懸浮物受到一個(gè)靜態(tài)載荷F作用時(shí)，為了使被懸浮物仍然懸浮在平衡位置，上下電磁鐵所產(chǎn)生的電磁力將不再相等，即上下電磁鐵線圈中的電流不再相等,此時(shí)上下電磁鐵電磁力的合力為:
『P r M0MI2 Γμ0 +Ims2 H2l M0AN210Isi
Zi0 = Z11 - #2 =---1A-) - {-J J=-2-
4 %X0X0
其中Iq為無(wú)靜態(tài)載荷、被懸浮物處于平衡位置(一對(duì)差動(dòng)電磁鐵的中間)時(shí)的偏置電流;/m為由于靜態(tài)載荷而產(chǎn)生的控制電流為被懸浮物處于平衡位置時(shí)，電磁鐵與被懸浮物之間的氣隙。
[0022]當(dāng)靜態(tài)載荷為Z7時(shí),應(yīng)該有: ψ _ /^o I Ο! m _ F (I)
、 X02
當(dāng)主動(dòng)磁懸浮軸承設(shè)計(jì)完成后，A, N, 10和A為固定值，隨著靜態(tài)載荷的增加，控制電流人也會(huì)隨著增加，上電磁鐵中的實(shí)際電流為(Λ)+人)，下電磁鐵中的實(shí)際電流為(J0-1)，導(dǎo)致上下電磁鐵線圈中的電流差加大。從而使一個(gè)電磁鐵工作在大電流，另一個(gè)電磁鐵工作在小電流，從而使一個(gè)電磁鐵的勵(lì)磁線圈溫度偏高，這種差動(dòng)形式的主動(dòng)磁懸浮軸承可靠性偏低。
[0023]當(dāng)采用上下電磁鐵磁極面積次、為不同時(shí)(磁極面積次、為的最佳比例是使控制電流人=0)，假定人=0，根據(jù)圖2，當(dāng)被懸浮物仍然懸浮在平衡位置時(shí)，上下兩個(gè)電磁鐵電磁力的合力為:
Bi a? P MtAN2 ,,o、2 Λ4^2/?β、2 Mo^2f A A、
F0 = F1-P2 =: ■:1—) — - V~) ?:~~AA - ^2/
4 X04 Xq 4?
當(dāng)靜態(tài)載荷為Z7時(shí)，應(yīng)該有:
^ (2)
式(2 )表明，靜態(tài)載荷可以通過(guò)一對(duì)磁極面積不相等的差動(dòng)電磁鐵來(lái)平衡，而不會(huì)導(dǎo)致差動(dòng)電磁鐵勵(lì)磁線圈電流不相等的情況。
[0024]對(duì)于徑向磁懸浮軸承，可設(shè)計(jì)成如圖3所示2對(duì)極差動(dòng)結(jié)構(gòu)，即8極電磁鐵結(jié)構(gòu)(也可以是12極、16極、18極或24極)，每一對(duì)極的兩個(gè)電磁鐵的面積不相等，能夠平衡向下的重力或其他的力F，其中1、2、5、6為電磁鐵，3為被懸浮物，4為勵(lì)磁線圈。
[0025]對(duì)于軸向磁懸浮軸承，可以設(shè)計(jì)成如圖4所示的電磁鐵結(jié)構(gòu)，左邊電磁鐵的磁極面積小，右邊電磁鐵的磁極面積大，能夠平衡向左的軸向力F，其中1、2為電磁鐵，3為被懸浮物；4為勵(lì)磁線圈。可以采用如圖5所示的電磁鐵結(jié)構(gòu)，左邊電磁鐵的外環(huán)磁極從圖4中的軸向移到了圖5中的徑向，相當(dāng)于減小了一半的磁極面積，也可以平衡向左的軸向力F，其中1、2為電磁鐵，3為被懸浮物；4為勵(lì)磁線圈。
【權(quán)利要求】
1.一種能夠平衡磁懸浮軸承中靜態(tài)載荷的方法，其特征在于:對(duì)于需要平衡靜態(tài)載荷的自由度，采用磁極面積不相等的兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵，以使得由靜態(tài)荷載所產(chǎn)生的控制電流趨于零即可。
2.一種能夠平衡靜態(tài)載荷的磁懸浮軸承新結(jié)構(gòu)，在任一自由度上，均具有兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵，其特征在于，所述的各自由度上對(duì)應(yīng)的兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵中，處于需要平衡靜態(tài)載荷的自由度上的兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵的磁極面積不相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述能夠平衡靜態(tài)載荷的磁懸浮軸承新結(jié)構(gòu)，其特征在于，處于需要平衡靜態(tài)載荷的自由度上的兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵中，電磁力方向與靜態(tài)載荷方向相同的差動(dòng)電磁鐵的磁極面積相對(duì)于電磁力方向與靜態(tài)載荷方向相反的差動(dòng)電磁鐵的磁極面積較小。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述能夠平衡靜態(tài)載荷的磁懸浮軸承新結(jié)構(gòu)，其特征在于，在需要平衡靜態(tài)載荷的自由度上的兩個(gè)差動(dòng)電磁鐵的磁極面積的比例，按照所需平衡的靜態(tài)載荷大小而定。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述能夠平衡靜態(tài)載荷的磁懸浮軸承新結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述磁懸浮軸承新結(jié)構(gòu)為徑向磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述能夠平衡靜態(tài)載荷的磁懸浮軸承新結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述磁懸浮軸承新結(jié)構(gòu)為軸向磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】F16C32/04GK104214218SQ201410387668
【公開(kāi)日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月7日
【發(fā)明者】徐龍祥, 金超武 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)