專(zhuān)利名稱(chēng)：恒流源偏置磁懸浮軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種磁懸浮軸承，特別是一種利用恒流源來(lái)提供偏置磁場(chǎng)的主動(dòng) 磁懸浮軸承。
背景技術(shù)：
磁懸浮軸承是利用磁場(chǎng)力將轉(zhuǎn)軸懸浮在空中并無(wú)機(jī)械摩擦無(wú)需潤(rùn)滑地高速 旋轉(zhuǎn)的一種新型高性能軸承，它由轉(zhuǎn)子和定子組成，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 其位置由傳感器檢測(cè)，位置偏移信號(hào)經(jīng)控制器和功率放大器(簡(jiǎn)稱(chēng)為功放)后轉(zhuǎn)變 為電流信號(hào)反饋給定子電磁鐵，改變電磁吸力，從而使轉(zhuǎn)子保持在平衡位置附近。 由于磁懸浮軸承具有一系列的優(yōu)良品質(zhì)，它從根本上改變了傳統(tǒng)的支承形式，在 航空航天、能源交通、機(jī)械工程、機(jī)器人等高新技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
按照磁力的提供方式，磁懸浮軸承可分為混合磁懸浮軸承(永磁偏置磁懸浮 軸承)、有源磁懸浮軸承(主動(dòng)磁懸浮軸承)和無(wú)源磁懸浮軸承(被動(dòng)磁懸浮軸 承)。永磁偏置磁懸浮軸承由于采用永磁鐵產(chǎn)生靜態(tài)偏置磁場(chǎng)，由電磁鐵來(lái)產(chǎn)生 控制磁場(chǎng)，結(jié)構(gòu)中只有控制繞組，在差動(dòng)控制下一個(gè)自由度上的控制繞組需要一 個(gè)功放來(lái)提供控制電流，五個(gè)自由度需要五個(gè)功放，對(duì)于航空、航天等功耗要求 較高的場(chǎng)合有很好的應(yīng)用前景。但不足之處是結(jié)構(gòu)復(fù)雜和偏置磁場(chǎng)不可控。
主動(dòng)磁懸浮軸承其機(jī)械結(jié)構(gòu)不含永磁鐵，偏置磁場(chǎng)和控制磁場(chǎng)都是由電磁鐵 產(chǎn)生的，偏置電流產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，控制電流產(chǎn)生控制磁場(chǎng)，故而其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可 控性好。傳統(tǒng)的主動(dòng)磁懸浮軸承，其繞組是電流疊加式的，即同一個(gè)繞組中既有 偏置電流又有控制電流，這樣， 一個(gè)自由度上的兩組繞組需要兩個(gè)功放來(lái)分別提 供不同的電流，五個(gè)自由度就需要十個(gè)功放。相比永磁偏置磁懸浮軸承，其五個(gè) 自由度上需要的功放個(gè)數(shù)增加了一倍，功耗也相應(yīng)增加。
恒流源偏置磁懸浮軸承是結(jié)合傳統(tǒng)的主動(dòng)磁懸浮軸承磁場(chǎng)可控和永磁偏置 磁懸浮軸承功耗低的特點(diǎn)提出的一種新型的主動(dòng)磁懸浮軸承。它由一個(gè)獨(dú)立可控 的功放來(lái)提供偏置磁場(chǎng)，取代了永磁偏置磁懸浮軸承中的永磁鐵，而它的控制繞 組和永磁偏置磁懸浮軸承相同，差動(dòng)控制下一個(gè)自由度上由一個(gè)功放來(lái)提供控制 電流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種功耗低且接線(xiàn)簡(jiǎn)單的主動(dòng)磁懸浮軸承。 本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下措施來(lái)達(dá)到一種恒流源偏置磁懸浮軸承，包括轉(zhuǎn)子和定子，其特征在于在每個(gè)定子磁 極上套裝兩套獨(dú)立的匝數(shù)相同的繞組， 一套為偏置繞組，另一套為控制繞組，八 個(gè)定子磁極上的偏置繞組依次串聯(lián)，使得磁極極性按照S極、N極、N極、S極、 S極、N極、N極、S極分布，將偏置繞組的輸入端和輸出端連接至恒流源功放電 路，產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)；定子磁極的單自由度上的控制繞組用串聯(lián)或者并聯(lián)方式連接 起來(lái)，將控制繞組的輸入端和輸出端連接至控制系統(tǒng)功放電路，產(chǎn)生控制磁場(chǎng)， 使得在轉(zhuǎn)子兩側(cè)磁極的極性相反。五個(gè)自由度上的控制繞組就需要五個(gè)功放。這 樣五自由度的磁懸浮軸承一共就需要六個(gè)功放。
其次， 一個(gè)自由度上的兩組控制繞組即四個(gè)接頭通過(guò)串聯(lián)或者并聯(lián)的接線(xiàn)方 式連接，最終只有一個(gè)輸入接頭， 一個(gè)輸出接頭，那么五個(gè)自由度的控制繞組一 共有十個(gè)接頭，而五個(gè)自由度的偏置繞組即十個(gè)接頭通過(guò)串連的方式連接起來(lái)， 最終一個(gè)輸入接頭， 一個(gè)輸出接頭，則整個(gè)電路中共有十二個(gè)接頭。
本發(fā)明的積極效果是-
本發(fā)明減少了功放的個(gè)數(shù)，降低了功耗和簡(jiǎn)化了磁懸浮軸承的接線(xiàn)。


圖l為本發(fā)明的原理圖2為本發(fā)明的徑向磁懸浮軸承定子硅鋼疊片剖面圖； 圖3為本發(fā)明徑向磁懸浮軸承磁通分布圖； 圖4為本發(fā)明的偏置繞組的接線(xiàn)示意圖5為本發(fā)明的控制繞組接線(xiàn)示意圖；其中圖(a)為控制繞組串聯(lián)方式接 線(xiàn)；圖(b)為控制繞組并聯(lián)方式接線(xiàn)。
圖2中l(wèi)轉(zhuǎn)子，2線(xiàn)圈骨架，3磁極，4偏置繞組，5控制繞組，6連接壓 板的孔；
圖3中實(shí)線(xiàn)為偏置繞組產(chǎn)生的磁通方向，虛線(xiàn)為控制繞組產(chǎn)生的磁通方向； 圖5中7根據(jù)y方向控制信號(hào)產(chǎn)生的控制電流，8根據(jù)x方向控制信號(hào)產(chǎn) 生的控制電流。
具體實(shí)施例方式
傳統(tǒng)的主動(dòng)磁懸浮軸承，其線(xiàn)圈的繞制是電流疊加式，即偏置磁場(chǎng)和控制磁 場(chǎng)是由偏置電流和控制電流在同一個(gè)繞組中疊加后產(chǎn)生的，而恒流源偏置磁懸浮 軸承,其線(xiàn)圈的繞制是磁場(chǎng)疊加式，即偏置電流和控制電流分別通過(guò)不同的繞組， 產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)和控制磁場(chǎng)疊加在一起。附圖1中，每個(gè)磁極上既有偏置繞組，又有控制繞組，其中通過(guò)的電流分別 為偏置電流和控制電流。轉(zhuǎn)子上下某一氣隙中的磁場(chǎng)是由偏置繞組與控制繞組分 別產(chǎn)生磁場(chǎng)后疊加而成的合成磁場(chǎng)。圖示偏置電流可由一恒流源功放提供，產(chǎn)生 偏置磁場(chǎng)；控制電流由加在線(xiàn)圈兩端的一雙向功放提供，產(chǎn)生控制磁場(chǎng)?？刂齐?流是由系統(tǒng)根據(jù)擾動(dòng)力與擾動(dòng)位移量的大小和方向而產(chǎn)生的。從該圖可以看出， 系統(tǒng)的靜態(tài)工作點(diǎn)可由一個(gè)獨(dú)立于控制系統(tǒng)的外部恒流源功放提供。因而具有如 下特點(diǎn)-
系統(tǒng)用一個(gè)外部恒流源，故靜態(tài)工作點(diǎn)一致性好，便于統(tǒng)一調(diào)整。 控制系統(tǒng)不必提供偏置電流，因此設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，便于調(diào)整控制參數(shù)，可大 大減少功放部分的損耗，采用成本較低的開(kāi)關(guān)管。
控制電流是雙方向變化的，采用的功放電路與電流疊加式不同。 上下控制線(xiàn)圈采用的是反串聯(lián)方式連接，可使上下控制線(xiàn)圈只用一個(gè)功放驅(qū) 動(dòng)，這就減少了一個(gè)功放，減少了驅(qū)動(dòng)元件的數(shù)量。
附圖2給出了一個(gè)恒流源偏置徑向磁懸浮軸承的定子硅鋼片截面圖。垂直方 向上的兩對(duì)磁極構(gòu)成一個(gè)自由度，每個(gè)磁極通過(guò)骨架2分別放置偏置繞組4和控 制繞組5，偏置繞組提供偏置磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子靜態(tài)平衡；控制繞組提供控制磁場(chǎng)， 當(dāng)轉(zhuǎn)子受到干擾時(shí)，轉(zhuǎn)子受到控制磁場(chǎng)產(chǎn)生的控制力，回到平衡位置。當(dāng)轉(zhuǎn)子受 到向下的不平衡擾動(dòng)時(shí)，由于轉(zhuǎn)子受到的偏置繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)力大小是一致的， 使垂直方向上這個(gè)自由度的上磁極偏置繞組和控制繞組產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)和控制 磁場(chǎng)方向相同，磁場(chǎng)相加；下磁極上偏置繞組和控制繞組產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)和控制 磁場(chǎng)方向相反，磁場(chǎng)相減，所以轉(zhuǎn)子受到的向上的磁場(chǎng)力大于向下的磁場(chǎng)力，轉(zhuǎn) 子回到了平衡位置。當(dāng)轉(zhuǎn)子受到向上的不平衡擾動(dòng)時(shí)，上下控制線(xiàn)圈所產(chǎn)生的控 制磁場(chǎng)的方向與上面提到的擾動(dòng)的分析情況正好相反，即轉(zhuǎn)子受到的向下的磁場(chǎng) 力大于向上的磁場(chǎng)力，轉(zhuǎn)子能夠回到平衡位置。通過(guò)孔6用兩塊壓板將磁極組疊 片定位，然后將疊片組壓緊，并將壓板和疊片組焊在一起，最后加工固定好的疊 片內(nèi)、外圓和端面，使之達(dá)到設(shè)計(jì)要求尺寸，即為磁懸浮軸承定子。
附圖3為徑向磁懸浮軸承磁通分布圖，圖中實(shí)線(xiàn)為偏置繞組產(chǎn)生的偏置磁 通，虛線(xiàn)為控制繞組產(chǎn)生的控制磁通。圖示偏置繞組和控制繞組產(chǎn)生四個(gè)閉合的 偏置磁通回路和控制磁通回路，其中轉(zhuǎn)子上方和左方偏置磁通和控制磁通方向一 致，疊加后磁場(chǎng)得到加強(qiáng)，轉(zhuǎn)子受到向上和向左的電磁力增大了；而下方和右方 偏置磁通和控制磁通方向相反，疊加后磁場(chǎng)減弱了，轉(zhuǎn)子受到的向下的和向右的電磁力減小了 。在一個(gè)自由度上轉(zhuǎn)子兩邊相對(duì)的方向上電磁力變化的方向是相反 的。因此能使轉(zhuǎn)子始終處于平衡位置，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。
附圖4以一個(gè)兩自由度的徑向磁懸浮軸承中為例給出了偏置繞組的接線(xiàn)方 式，八個(gè)磁極上的偏置繞組按照?qǐng)D中SN磁極、NS磁極、SN磁極、NS磁極這種 對(duì)應(yīng)的隔磁方式進(jìn)行連接，同時(shí)各個(gè)磁極上的偏置繞組要串連在一起，得到一個(gè) 總的輸入和輸出。
附圖5同樣以一個(gè)兩自由度的徑向磁懸浮軸承為例給出了對(duì)應(yīng)的控制繞組 的接線(xiàn)方式，圖5 (a)是串聯(lián)方式接線(xiàn)，圖5 (b)是并聯(lián)方式接線(xiàn)，圖中轉(zhuǎn)子 上方和下方的兩對(duì)磁極構(gòu)成一個(gè)自由度，左邊和右邊的兩對(duì)磁極又構(gòu)成了一個(gè)自 由度。以上方和下方的磁極所構(gòu)成的自由度為例，每對(duì)磁極上的兩個(gè)控制繞組是 串聯(lián)在一起，對(duì)應(yīng)附圖4產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)，該自由度上所產(chǎn)生的控制磁場(chǎng)的方向 為偏置繞組在上方一對(duì)磁極左邊磁極定子與轉(zhuǎn)子空隙之間的磁場(chǎng)方向?yàn)镾時(shí)， 控制繞組所對(duì)應(yīng)的位置產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向也為S;偏置繞組在下方一對(duì)磁極左邊磁 極定子與轉(zhuǎn)子空隙之間的磁場(chǎng)方向?yàn)镹，則控制繞組所對(duì)應(yīng)的位置產(chǎn)生的磁場(chǎng)方 向?yàn)镾。同理可產(chǎn)生控制繞組左右方向上磁極的磁場(chǎng)方向。對(duì)控制繞組來(lái)說(shuō)，一 個(gè)自由度上的兩對(duì)磁極上的控制繞組采用串聯(lián)或者并聯(lián)的方式連接在一起，他們 的磁極分布在轉(zhuǎn)子的兩邊正好是相反的。
權(quán)利要求
1、 一種恒流源偏置磁懸浮軸承，包括轉(zhuǎn)子和定子，其特征在于在每個(gè)定 子磁極(3)上套裝兩套獨(dú)立的匝數(shù)相同的繞組， 一套為偏置繞組(4)，另一套 為控制繞組(5)，八個(gè)定子磁極(3)上的偏置繞組依次串聯(lián)，使得磁極極性按照 S極、N極、N極、S極、S極、N極、N極、S極分布，將偏置繞組的輸入端和輸 出端連接至恒流源功放電路，產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)；定子磁極(3)的單自由度上的控 制繞組用串聯(lián)或者并聯(lián)方式連接起來(lái)，將控制繞組的輸入端和輸出端連接至控制 系統(tǒng)功放電路，產(chǎn)生控制磁場(chǎng)，使得在轉(zhuǎn)子兩側(cè)磁極的極性相反。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒流源偏置磁懸浮軸承，其特征在于所述單自 由度上控制繞組的串聯(lián)方式是，單自由度上的兩套控制繞組經(jīng)串聯(lián)后接到控制系 統(tǒng)功放電路。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒流源偏置磁懸浮軸承，其特征在于所述單自 由度上控制繞組的并聯(lián)方式是，單自由度上的兩套控制繞組經(jīng)并聯(lián)后接到控制系 統(tǒng)功放電路。
全文摘要
一種恒流源偏置磁懸浮軸承，屬磁懸浮軸承。該磁懸浮軸承包括定子和轉(zhuǎn)子，在定子磁極(3)上同時(shí)套裝偏置繞組(4)和控制繞組(5)，將所有偏置繞組都串聯(lián)在一起，使用一個(gè)獨(dú)立的功率放大器(功放)使偏置繞組通過(guò)恒定的電流提供偏置磁通，每個(gè)自由度上的控制繞組用串聯(lián)或者并聯(lián)的接線(xiàn)方式連接在一起，使用一個(gè)開(kāi)關(guān)功放。本發(fā)明和傳統(tǒng)的主動(dòng)磁懸浮軸承相比較，減少了功放的個(gè)數(shù)，減少了功耗，同時(shí)也簡(jiǎn)化了接線(xiàn)，而相對(duì)永磁偏置磁懸浮軸承，其偏置磁場(chǎng)是可控的。
文檔編號(hào)F16C32/04GK101311571SQ20071019014
公開(kāi)日2008年11月26日 申請(qǐng)日期2007年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月19日
發(fā)明者張艷花, 徐龍祥, 金超武 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)