一種環(huán)狀磁極結(jié)構(gòu)以及具有環(huán)狀磁極結(jié)構(gòu)的軸向磁軸承的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)，特別涉及一種環(huán)狀磁極結(jié)構(gòu)以及具有環(huán)狀磁極結(jié)構(gòu)的軸向磁軸承。
【背景技術(shù)】
[0002]磁懸浮軸承是通過定轉(zhuǎn)子之間的磁力作用，支承轉(zhuǎn)子懸浮于空間設(shè)定位置的新型機(jī)電一體化軸承。由于其轉(zhuǎn)子和定子之間沒有任何機(jī)械接觸，故無磨損，大大降低了機(jī)械能耗和噪音，且無需潤滑、無油污染、使用壽命長，適用于高速、真空等特殊環(huán)境。近年來，國際上已將磁懸浮軸承成功應(yīng)用于機(jī)床、離心壓縮機(jī)、真空分子泵、人工心臟等設(shè)備。
[0003]傳統(tǒng)五自由度磁懸浮軸承系統(tǒng)由兩組徑向磁軸承和一組軸向磁軸承組成，分別控制徑向四個平動自由度和軸向的一個平動自由度，每組磁軸承都通過各個自由度上的位移傳感器、控制器和功率放大器等器件，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，提供各自自由度懸浮所需的磁力，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在空間中的五自由度懸浮。傳統(tǒng)五自由度磁懸浮系統(tǒng)缺點(diǎn)是體積較大，功耗高。某一自由度磁軸承提供多自由度承載力的磁懸浮系統(tǒng)，能夠降低主動控制的自由度，減小系統(tǒng)功耗和體積。
[0004]傳統(tǒng)軸向磁軸承的徑向承載力較小，在軸向磁軸承提供徑向懸浮力的系統(tǒng)中，徑向難以承受大的干擾力；徑向剛度低，難以在徑向發(fā)生位移后迅速回到平衡位置。其物理原因在于磁極結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)為圓形平面，外側(cè)磁極為單一環(huán)狀平面，當(dāng)發(fā)生徑向位移時，氣隙磁通中軸向磁通比例較高，徑向磁通分量較小，因此導(dǎo)致徑向力與徑向剛度較小。徑向承載力直接決定了磁軸承系統(tǒng)的徑向懸浮性能，提高軸向磁軸承徑向承載力和剛度，是軸向磁軸承實(shí)現(xiàn)單自由度主動控制磁懸浮系統(tǒng)的關(guān)鍵。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的就是為了解決上述技術(shù)問題，提供了一種環(huán)狀磁極結(jié)構(gòu)以及具有環(huán)狀磁極結(jié)構(gòu)的軸向磁軸承，采用環(huán)狀磁極結(jié)構(gòu)，使得軸向磁軸承磁極間的氣隙磁場中，磁通軸向分量比例降低，磁通徑向分量比例增加，從而達(dá)到提高軸向磁軸承徑向力與徑向剛度的目的。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:
[0007]一種環(huán)狀磁極結(jié)構(gòu)，包括:鐵心的內(nèi)側(cè)磁極和外側(cè)磁極；所述內(nèi)側(cè)磁極為圓柱狀，外側(cè)磁極為圓筒狀，內(nèi)側(cè)磁極設(shè)置在外側(cè)磁極的內(nèi)部；在所述內(nèi)側(cè)磁極和外側(cè)磁極的同一側(cè)端面上至少有一個端面開有至少一圈溝槽，所述溝槽在內(nèi)外側(cè)磁極端面上形成同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)。
[0008]所述鐵心為定子鐵心，與所述定子鐵心磁極相對的轉(zhuǎn)子鐵心的磁極結(jié)構(gòu)與所述定子鐵心磁極結(jié)構(gòu)相同，并且內(nèi)側(cè)磁極和外側(cè)磁極端面的同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸相同；
[0009]通過環(huán)狀磁極結(jié)構(gòu)改變定轉(zhuǎn)子鐵心氣隙磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場分布，從而增強(qiáng)定子鐵心與轉(zhuǎn)子鐵心之間的徑向作用力。
[0010]一種具有環(huán)狀磁極結(jié)構(gòu)的軸向磁軸承，其特征是，包括磁懸浮轉(zhuǎn)子，沿所述磁懸浮轉(zhuǎn)子的軸向兩端分別設(shè)置用于提供轉(zhuǎn)子軸向懸浮力與徑向懸浮力的軸向磁軸承，所述轉(zhuǎn)子軸向兩端的軸向磁軸承成對稱分布；
[0011]所述磁懸浮轉(zhuǎn)子鐵心和定子鐵心的磁極均為環(huán)狀磁極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵心與定子鐵心的磁極相對布置，磁極結(jié)構(gòu)以及內(nèi)側(cè)磁極和外側(cè)磁極端面的同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸均相同。
[0012]通過控制兩側(cè)軸向磁軸承與轉(zhuǎn)子之間氣隙處的磁通，產(chǎn)生軸向恢復(fù)力，使轉(zhuǎn)子在軸向保持主動的穩(wěn)定懸??；
[0013]當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生某一徑向位移時，軸向磁軸承與轉(zhuǎn)子之間的電磁力將產(chǎn)生徑向分力，所述徑向分力方向與轉(zhuǎn)子徑向位移方向相反，指向軸心，所述徑向分力使轉(zhuǎn)子回到徑向平衡位置，從而保持轉(zhuǎn)子的徑向懸??；
[0014]當(dāng)轉(zhuǎn)子沿徑向軸發(fā)生微小角偏移時，所述兩側(cè)軸向磁軸承的徑向分力產(chǎn)生一個恢復(fù)力矩，使轉(zhuǎn)子回到平衡位置。
[0015]在所述轉(zhuǎn)子軸向或者徑向分別設(shè)置軸向位移傳感器，所述軸向位移傳感器與控制器連接，所述控制器分別通過功率放大器與磁懸浮轉(zhuǎn)子軸向兩端軸向磁軸承的線圈連接。
[0016]所述軸向位移傳感器設(shè)置在轉(zhuǎn)子徑向時，轉(zhuǎn)子上布置用于提供傳感器信號源的永磁環(huán)，永磁環(huán)采用軸向充磁，永磁環(huán)位置與傳感器處于同一軸向位置。
[0017]如果轉(zhuǎn)子徑向選擇被動懸浮，則不需要安裝徑向位移傳感器；
[0018]如果轉(zhuǎn)子徑向需要主動控制，則需要在轉(zhuǎn)子徑向安裝用于測量轉(zhuǎn)子徑向位移的徑向位移傳感器，徑向位移傳感器共有四個，布置在轉(zhuǎn)子外側(cè)，分為兩組，每組兩個傳感器成90度垂直安裝，對徑向位移進(jìn)行檢測。
[0019]所述軸向磁軸承為電磁軸承或者電磁永磁混合磁軸承。
[0020]本實(shí)用新型有益效果:
[0021](I)采用環(huán)狀磁極后，軸向磁軸承的徑向力與徑向剛度得到明顯增強(qiáng)；可以選擇內(nèi)側(cè)磁極采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)、外側(cè)磁極采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)或者內(nèi)外側(cè)磁極同時采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)等不同結(jié)構(gòu)，調(diào)控軸向磁軸承的徑向力與徑向剛度。
[0022](2)本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，只需在磁極處利用機(jī)械加工工藝，將磁極面加工成多環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其余結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)磁軸承結(jié)構(gòu)基本一致，或者將多環(huán)狀磁極結(jié)構(gòu)應(yīng)用到本實(shí)用新型的軸向磁軸承結(jié)構(gòu)中，利用軸向磁軸承的徑向力，作為轉(zhuǎn)子徑向懸浮力，從而省去了徑向磁軸承。
[0023](3)當(dāng)發(fā)生徑向位移時，這種結(jié)構(gòu)減小了磁極間軸向磁通的比例，增加了磁極間徑向磁通的比例，從而使定子與轉(zhuǎn)子之間的徑向力增加。
[0024](4)研宄表明，通過改變環(huán)狀磁極的徑向厚度可以改變軸向磁軸承的軸向力和徑向力。針對不同軸向和徑向負(fù)載，可以只改變環(huán)狀磁極參數(shù)，改變軸向磁軸承軸向與徑向懸浮特性。
[0025](5)本實(shí)用新型的軸向磁軸承結(jié)構(gòu)將磁懸浮系統(tǒng)主動控制自由度降低到最低，省去了多余主動自由度控制所需的控制器、功率放大器、電磁線圈等部件，簡化了五自由度磁懸浮軸承支撐結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0026]圖1為本實(shí)用新型環(huán)狀磁極用于軸向磁軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為本實(shí)用新型環(huán)狀磁極軸向磁軸承定子端面圖；
[0028]圖3為本實(shí)用新型環(huán)狀磁極軸向磁軸承轉(zhuǎn)子端面圖；
[0029]圖4為本實(shí)用新型軸向位移傳感器沿徑向布置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖5為本實(shí)用新型徑向位移傳感器布置結(jié)構(gòu)徑向剖面示意圖；
[0031]圖6 (a)為無徑向位移時傳統(tǒng)磁軸承氣隙磁場分布圖；
[0032]圖6(b)為無徑向位移時環(huán)狀磁極磁軸承氣隙磁場分布圖；
[0033]圖7 (a)為發(fā)生徑向位移時傳統(tǒng)磁軸承氣隙磁場分布圖；
[0034]圖7 (b)為發(fā)生徑向位移時環(huán)狀磁極磁軸承氣隙磁場對比圖；
[0035]其中，1.定子鐵心，2.線圈，3.轉(zhuǎn)子鐵心，4.磁路磁通，5.轉(zhuǎn)子，6.外側(cè)磁極，7.內(nèi)側(cè)磁極，8.徑向位移傳感器，9.控制器，10.軸向位移傳感器，11.功率放大器，12.溝槽，13.永磁環(huán)。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0037]一種環(huán)狀磁極結(jié)構(gòu)，包括:鐵心的內(nèi)側(cè)磁極7和外側(cè)磁極6 ;所述內(nèi)側(cè)磁極7為圓柱狀，外側(cè)磁極6為圓筒狀，內(nèi)側(cè)磁極6設(shè)置在外側(cè)磁極7的內(nèi)部；在所述內(nèi)側(cè)磁極6和外側(cè)磁極7的端面上至少有一個端面開有至少一圈溝槽12，所述溝槽12在內(nèi)外側(cè)磁極端面上形成同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)。
[0038]該環(huán)狀磁極結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用到傳統(tǒng)磁軸承結(jié)構(gòu)中，只需在磁極處利用機(jī)械加工工藝，將磁極面加工成多環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其余結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)磁軸承結(jié)構(gòu)基本一致。定子鐵心I的內(nèi)側(cè)磁極7為圓柱狀，外側(cè)磁極6為圓筒狀，在內(nèi)外側(cè)磁極端面處有溝槽12結(jié)構(gòu)，使磁極面形成多個同心圓環(huán)形狀；轉(zhuǎn)子鐵心3磁極與定子鐵心I相對，表面溝槽結(jié)構(gòu)相同，也為多個同心圓環(huán)形狀，并且轉(zhuǎn)子鐵心的環(huán)狀磁極尺寸與定子鐵心相同。
[0039]通過環(huán)狀磁極結(jié)構(gòu)改變定轉(zhuǎn)子鐵心氣隙磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場分布，從而增強(qiáng)定子鐵心I與轉(zhuǎn)子鐵心3之間的徑向作用力。
[0040]該環(huán)