本發(fā)明涉及一種磁懸浮軸承，具體是一種永磁偏置五自由度磁懸浮軸承，屬于磁懸浮領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

早在1842年，英國物理學(xué)家Earnshaw就對(duì)磁懸浮軸承技術(shù)進(jìn)行了研究和論述，磁懸浮軸承技術(shù)的基本原理是利用定子鐵心與轉(zhuǎn)子鐵心之間的磁場(chǎng)力來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的無接觸支承。由于定、轉(zhuǎn)子之間沒有機(jī)械接觸，磁懸浮軸承具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.能夠承受極高的轉(zhuǎn)速。采用磁懸浮軸承支承的轉(zhuǎn)軸可以在超臨界、每分鐘數(shù)十萬轉(zhuǎn)的工況下運(yùn)行，其圓周速度只受轉(zhuǎn)軸材料強(qiáng)度的限制。通常來說，在軸頸直徑相同的情況下，采用磁懸浮軸承支承的轉(zhuǎn)軸能達(dá)到的轉(zhuǎn)速比采用滾動(dòng)軸承支承的轉(zhuǎn)軸大約高2倍，比采用滑動(dòng)軸承支承的轉(zhuǎn)軸大約高3倍。德國FAG公司通過試驗(yàn)得出：滾動(dòng)軸承的dn值，即軸承平均直徑與主軸極限轉(zhuǎn)速的乘積，約為2.5～3×10⁶mm·r/min，滑動(dòng)軸承的dn值約為0.8～2×10⁶mm·r/min，磁懸浮軸承的dn值約為4～6×10⁶mm·r/min。

2.摩擦功耗較小。在10000r/min時(shí)，磁懸浮軸承的功耗大約只有流體動(dòng)壓潤滑支承的6％，只有滾動(dòng)支承的17％，節(jié)能效果明顯。

3.壽命長，維護(hù)成本低。由于磁懸浮軸承依靠磁場(chǎng)力懸浮轉(zhuǎn)軸，定、轉(zhuǎn)子之間無機(jī)械接觸，因此不存在由磨擦、磨損和接觸疲勞所帶來的壽命問題，所以磁懸浮軸承的壽命與可靠性均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的機(jī)械軸承。

4.無需添加潤滑劑。由于定、轉(zhuǎn)子之間不存在機(jī)械摩擦，工作時(shí)不需要添加潤滑劑，因此不存在潤滑劑對(duì)環(huán)境所造成的污染問題，在禁止使用潤滑劑和禁止污染的場(chǎng)合，如真空設(shè)備、超凈無菌室等場(chǎng)合，磁懸浮軸承有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)磁場(chǎng)建立方式的不同，磁懸浮軸承可分為永磁型、電磁偏置型和永磁偏置型三種類型。

永磁型磁懸浮軸承主要利用磁性材料之間固有的斥力或吸力(如永磁材料之間，永磁材料與軟磁材料之間)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的懸浮，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能量損耗少，但剛度和阻尼也都比較小。

電磁偏置型磁懸浮軸承由通入直流電的偏磁繞組在氣隙中建立偏置磁場(chǎng)，由通入大小和方向都受到實(shí)時(shí)控制的交變電流的控制繞組來在氣隙中建立控制磁場(chǎng)，這兩個(gè)磁場(chǎng)在氣隙中的疊加和抵消產(chǎn)生了大小和方向都可以主動(dòng)控制的磁場(chǎng)吸力，從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，這種類型的磁懸浮軸承剛度大，可以精密控制，但產(chǎn)生單位承載力所需的體積、重量和功耗也都比較大。

永磁偏置型磁懸浮軸承采用永磁材料替代偏磁線圈來產(chǎn)生所需的偏置磁場(chǎng)，能夠較大程度地降低磁懸浮軸承的能量損耗，隨著磁懸浮軸承技術(shù)在航空航天、能量存儲(chǔ)以及能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)磁懸浮軸承的功耗、體積、性能等方面提出了越來越高的要求，永磁偏置型磁懸浮軸承的特點(diǎn)使它在這些領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，永磁偏置型磁懸浮軸承技術(shù)也成為磁懸浮軸承技術(shù)研究與發(fā)展的一個(gè)重要方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：針對(duì)背景技術(shù)中提及的現(xiàn)有技術(shù)中的永磁型磁懸浮軸承、電磁偏置型磁懸浮軸承以及永磁偏置型磁懸浮軸承存在的缺點(diǎn)。

本發(fā)明的目的是提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，能夠?qū)崿F(xiàn)五自由度主動(dòng)控制且徑向兩個(gè)自由度磁場(chǎng)的磁路無耦合的永磁偏置五自由度磁懸浮軸承。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種五自由度永磁偏置磁懸浮軸承，包括環(huán)形轉(zhuǎn)子，在環(huán)形轉(zhuǎn)子的軸心處設(shè)置環(huán)形軸向定子，在環(huán)形軸向定子的外表面上均布外凸設(shè)置四個(gè)用于設(shè)置控制繞組A的“U”字型繞組架，“U”字型繞組架的兩個(gè)懸臂分別位于環(huán)形轉(zhuǎn)子的兩側(cè)且兩個(gè)懸臂與環(huán)形轉(zhuǎn)子的側(cè)面均有間隙，在“U”字型繞組架的兩個(gè)懸臂上均設(shè)置控制繞組A；

在環(huán)形軸向定子的兩個(gè)側(cè)面上均設(shè)置環(huán)形永磁體，兩個(gè)環(huán)形永磁體與環(huán)形軸向定子同心；

兩個(gè)環(huán)形永磁體均連接環(huán)形徑向定子，兩個(gè)環(huán)形徑向定子與環(huán)形軸向定子同心；兩個(gè)環(huán)形徑向定子的外表面上均外凸對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)用于設(shè)置控制繞組B的“L”字型繞組架，“L”字型繞組架位于環(huán)形轉(zhuǎn)子的內(nèi)部且“L”字型繞組架的端部與環(huán)形轉(zhuǎn)子的內(nèi)壁之間有間隙；兩個(gè)環(huán)形徑向定子上的四個(gè)“L”字型繞組架呈十字型設(shè)置，在“L”字型繞組架上均設(shè)置控制繞組B；

位于“L”字型繞組架上的控制繞組B與“U”字型繞組架上的控制繞組A交替設(shè)置。

本發(fā)明技術(shù)方案中的五自由度永磁偏置磁懸浮軸承，四組控制繞組A用來控制轉(zhuǎn)子一個(gè)軸向自由度和兩個(gè)翻轉(zhuǎn)自由度；被永磁體和環(huán)形軸向定子隔開的環(huán)形徑向定子上的控制繞組B用來控制轉(zhuǎn)子的兩個(gè)徑向自由度，兩個(gè)軸向充磁的永磁環(huán)同極相對(duì)放置，為磁懸浮軸承提供偏置磁場(chǎng)。

有益效果

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果：

本發(fā)明五自由度永磁偏置磁懸浮軸承，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，能夠?qū)崿F(xiàn)五自由度主動(dòng)控制且徑向兩個(gè)自由度磁場(chǎng)的磁路無耦合。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是徑向定子中的偏置磁場(chǎng)。

圖3是徑向定子中的控制磁場(chǎng)。

圖4是軸向定子中的偏置磁場(chǎng)。

圖5是軸向定子中的控制磁場(chǎng)A。

圖6是軸向定子中的控制磁場(chǎng)B。

其中，1、控制繞組A；2、環(huán)形徑向定子；3、環(huán)形軸向定子；4、永磁體；5、控制繞組B；6、環(huán)形轉(zhuǎn)子；7、“U”字型繞組架；71、懸臂；8、“L”字型繞組架。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的內(nèi)容更加明顯易懂，以下結(jié)合附圖1-圖6和具體實(shí)施方式做進(jìn)一步的描述。

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明的五自由度永磁偏置磁懸浮軸承，包括環(huán)形轉(zhuǎn)子6，兩個(gè)環(huán)形徑向定子2，兩個(gè)永磁體4和環(huán)形軸向定子3。

兩個(gè)環(huán)形徑向定子2，兩個(gè)永磁體4和環(huán)形軸向定子3均位于環(huán)形轉(zhuǎn)子6的內(nèi)部，環(huán)形軸向定子3設(shè)置在環(huán)形轉(zhuǎn)子6的軸心處，在環(huán)形軸向定子3的外表面上均布外凸設(shè)置四個(gè)用于設(shè)置控制繞組A的“U”字型繞組架7，“U”字型繞組架的兩個(gè)懸臂71分別位于環(huán)形轉(zhuǎn)子的兩側(cè)且兩個(gè)懸臂與環(huán)形轉(zhuǎn)子的側(cè)面均有間隙，在“U”字型繞組架的兩個(gè)懸臂上均設(shè)置控制繞組A1。

兩個(gè)環(huán)形永磁體4分別設(shè)置在環(huán)形軸向定子3的兩個(gè)側(cè)面上，兩個(gè)環(huán)形永磁體4與環(huán)形軸向定子3同心，兩個(gè)環(huán)形永磁體為軸向充磁且兩個(gè)環(huán)形永磁體同極相對(duì)設(shè)置。

兩個(gè)環(huán)形徑向定子2分別連接兩個(gè)環(huán)形永磁體4，兩個(gè)環(huán)形徑向定子與環(huán)形軸向定子同心；兩個(gè)環(huán)形徑向定子的外表面上均外凸對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)用于設(shè)置控制繞組B的“L”字型繞組架8，“L”字型繞組架位于環(huán)形轉(zhuǎn)子的內(nèi)部且“L”字型繞組架的端部與環(huán)形轉(zhuǎn)子的內(nèi)壁之間有間隙；兩個(gè)環(huán)形徑向定子上的四個(gè)“L”字型繞組架呈十字型設(shè)置，在“L”字型繞組架上均設(shè)置控制繞組B5；位于“L”字型繞組架上的控制繞組B與“U”字型繞組架上的控制繞組A交替設(shè)置。

本發(fā)明技術(shù)方案中的五自由度永磁偏置磁懸浮軸承，四組控制繞組A用來控制轉(zhuǎn)子一個(gè)軸向自由度和兩個(gè)翻轉(zhuǎn)自由度；被永磁體和環(huán)形軸向定子隔開的環(huán)形徑向定子上的控制繞組B用來控制轉(zhuǎn)子的兩個(gè)徑向自由度，兩個(gè)軸向充磁的永磁環(huán)同極相對(duì)放置，為磁懸浮軸承提供偏置磁場(chǎng)。

徑向自由度控制工作原理：

如圖2所示，以徑向某個(gè)自由度的控制為例，永磁體建立的偏置磁場(chǎng)如圖1所示，若轉(zhuǎn)子受到一個(gè)向右的擾動(dòng)使其偏離參考位置，則位移傳感器將偏移量傳遞給控制器，控制器控制功率放大器在繞組中通入電流，從而產(chǎn)生控制磁場(chǎng)，如圖3所示。

此時(shí)，左側(cè)氣隙中偏置磁場(chǎng)方向與控制磁場(chǎng)方向一致，氣隙磁密增強(qiáng)，右側(cè)氣隙中偏置磁場(chǎng)方向與控制磁場(chǎng)方向相反，氣隙磁密減小，轉(zhuǎn)子受到一個(gè)向左的力將其拉回參考位置。

通過兩組這樣的徑向定子就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子徑向兩個(gè)自由度的懸浮。

軸向自由度及翻轉(zhuǎn)自由度控制工作原理：

如圖4所示，軸向定子中的偏置磁場(chǎng)如圖4所示。若轉(zhuǎn)子受到一個(gè)向上的擾動(dòng)使其偏離參考位置，則位移傳感器將偏移量傳遞給控制器，控制器控制功率放大器在繞組中通入電流，從而產(chǎn)生控制磁場(chǎng)，如圖5所示。

此時(shí)，左側(cè)下面氣隙中偏置磁場(chǎng)方向與控制磁場(chǎng)方向一致，氣隙磁密增強(qiáng)，左側(cè)上面氣隙中偏置磁場(chǎng)方向與控制磁場(chǎng)方向相反，氣隙磁密減小；右側(cè)下面氣隙中偏置磁場(chǎng)方向與控制磁場(chǎng)方向一致，氣隙磁密增強(qiáng)，右側(cè)上面氣隙中偏置磁場(chǎng)方向與控制磁場(chǎng)方向相反，氣隙磁密減小，轉(zhuǎn)子受到一個(gè)向下的力將其拉回參考位置。

若轉(zhuǎn)子受到一個(gè)順時(shí)針的擾動(dòng)使其偏離參考位置，則位移傳感器將偏移量傳遞給控制器，控制器控制功率放大器在繞組中通入電流，從而產(chǎn)生控制磁場(chǎng)，如圖6所示。此時(shí)，左側(cè)下面氣隙中偏置磁場(chǎng)方向與控制磁場(chǎng)方向一致，氣隙磁密增強(qiáng)，左側(cè)上面氣隙中偏置磁場(chǎng)方向與控制磁場(chǎng)方向相反，氣隙磁密減??；右側(cè)下面氣隙中偏置磁場(chǎng)方向與控制磁場(chǎng)方向相反一致，氣隙磁密減小增強(qiáng)，右側(cè)上面氣隙中偏置磁場(chǎng)方向與控制磁場(chǎng)方向一致，氣隙磁密增強(qiáng)，轉(zhuǎn)子受到一個(gè)逆時(shí)針的力將其拉回參考位置。

綜合上述，此種結(jié)構(gòu)的磁懸浮軸承能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子五個(gè)自由度位移的控制。

本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相通或采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。

凡本發(fā)明說明書中未作特別說明的均為現(xiàn)有技術(shù)或者通過現(xiàn)有的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)，應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。