一種由軸向磁軸承實現(xiàn)轉子五自由度懸浮結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁懸浮結構，特別涉及一種由軸向磁軸承實現(xiàn)轉子五自由度懸浮結構。
【背景技術】
[0002]磁懸浮軸承又簡稱為磁軸承，是利用定子和轉子之間的磁力相互作用，支承轉子懸浮于空間的一種機電裝置。由于轉子與定子之間不存在機械接觸，所以磁懸浮軸承的轉子可達到很高的轉速，并且具有無機械磨損、功耗低、噪音小、壽命長、無需潤滑等優(yōu)點，特別適合高速、真空、超潔凈和核電等特殊的應用場合。
[0003]磁懸浮軸承系統(tǒng)要實現(xiàn)對轉子的無接觸支撐，需要對其在空間的五個自由度進行控制。傳統(tǒng)的磁懸浮結構利用兩組徑向電磁軸承和一組軸向電磁軸承來實現(xiàn)轉子空間的五自由度懸浮。每一組徑向磁懸浮軸承控制轉子徑向的兩個平動自由度，軸向磁懸浮軸承控制轉子軸向的平動自由度。這種磁懸浮結構目前被廣泛應用于精密機械加工、航空航天、天然氣輸運、核電等行業(yè)。該結構有兩個缺點，一是因為每組磁軸承都需要相應傳感器、功率放大器、控制部分等，因此該種結構復雜，功耗高。另外一個缺點是，由于徑向軸承與徑向電機并排放置，增加了轉子的軸向長度，因而帶來的系統(tǒng)體積增大，同時轉子撓性增強，給系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制帶來了難度，因而在磁懸浮人工心臟泵等領域應用受到限制。
[0004]現(xiàn)有的五自由度磁懸浮支撐技術是利用永磁軸承、電磁軸承或混合磁軸承在五個自由度上分別布置，分別控制轉子在五個自由度上的位置。其常見結構如下:
[0005](I)徑向與軸向均使用電磁軸承(或混合磁軸承)結構，這種結構中五個自由度均需要配置相應的位移傳感器、功率放大器、控制器等硬件，除了增加空間和重量，還會增加系統(tǒng)的功耗使用永磁軸承會占用空間，增加重量。
[0006](2)徑向永磁軸承和軸向電磁軸承(或混合磁軸承)結構，這種結構因為使用了徑向永磁軸承，因此省去了徑向的位移傳感器和控制硬件，但是仍然需要徑向軸承支撐才能實現(xiàn)徑向懸浮。
[0007](3)徑向電磁軸承(或混合磁軸承)，省去了軸向磁軸承，但需要控制徑向4個平動自由度，需要對應的四套位移傳感器、功率放大器、控制器等硬件。以上結構的特點是雖然將主動自由度降低，但徑向結構仍比較復雜，另外每個自由度的主動磁軸承均對各自自由度進行調控，不能夠實現(xiàn)單一自由度磁軸承對多自由度懸浮進行調控。
[0008]綜上所述，以上磁懸浮結構都未將主動控制自由度降為最低(I個)，從而在空間體積與系統(tǒng)功耗方面未做到最優(yōu)。

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明的目的就是為了解決上述技術問題，提供了一種由軸向磁軸承實現(xiàn)轉子五自由度懸浮結構，利用軸向一個自由度布置的磁軸承，實現(xiàn)了轉子在五個自由度上的懸浮，簡化了五自由度磁懸浮結構，節(jié)省了磁懸浮支撐結構的體積、功耗，為微型化、低功耗特殊環(huán)境中磁懸浮的應用提供了解決方案。
[0010]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0011]一種由軸向磁軸承實現(xiàn)轉子五自由度懸浮結構，包括磁懸浮轉子，沿所述磁懸浮轉子的軸向兩端分別設置用于提供轉子軸向懸浮力與徑向懸浮力的軸向磁軸承，所述轉子軸向兩端的軸向磁軸承成對稱分布；在所述轉子軸向或者徑向分別設置軸向位移傳感器，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子軸向兩端軸向磁軸承的線圈連接。
[0012]所述控制器通過功率放大器控制兩側軸向磁軸承中的電流，從而控制兩側軸向磁軸承與轉子之間氣隙處的磁通，產生軸向恢復力，使轉子在軸向保持主動的穩(wěn)定懸?。?br>[0013]當轉子發(fā)生某一徑向位移時，軸向磁軸承與轉子之間的電磁力將產生徑向分力，所述徑向分力方向與轉子徑向位移方向相反，指向軸心，所述徑向分力使轉子回到徑向平衡位置，從而保持轉子的徑向懸??；
[0014]當轉子沿徑向軸發(fā)生微小角偏移時，所述兩側軸向磁軸承的徑向分力產生一個恢復力矩，使轉子回到平衡位置。
[0015]所述軸向磁軸承為電磁軸承，所述電磁軸承包括定子鐵心和電磁線圈，定子鐵心內側為圓柱形磁極，線圈繞制在內外側磁極之間。
[0016]所述轉子包括:兩側磁極以及中間連接部件，其中兩側磁極內側為圓柱形，外側為筒狀，與軸向磁軸承的磁極對應，中間連接部件為非導磁材料，用于連接兩側磁極形成一體。
[0017]所述軸向位移傳感器設置在轉子徑向時，轉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。
[0018]如果轉子徑向選擇被動懸浮，則不需要安裝徑向位移傳感器；
[0019]如果轉子徑向需要主動控制，則需要在轉子徑向安裝用于測量轉子徑向位移的徑向位移傳感器，徑向位移傳感器共有四個，布置在轉子外側，分為兩組，每組兩個傳感器成90度垂直安裝，對徑向位移進行檢測，所述徑向位移傳感器分別與控制器連接。
[0020]本發(fā)明有益效果:
[0021]I)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構。
[0022]2)利用軸向磁軸承的徑向力，作為轉子徑向懸浮力，從而省去了徑向磁軸承。
[0023]3)本發(fā)明的五自由度磁軸承系統(tǒng)，徑向可以不施加主動控制，通過軸向磁軸承的徑向力實現(xiàn)轉子的徑向被動懸浮。
[0024]4)本發(fā)明的五自由度磁軸承系統(tǒng)，可以在徑向添加徑向位移傳感器，通過改變軸向磁軸承中的電流，對轉子的徑向和軸向同時實施主動控制。實現(xiàn)軸向與徑向的同時主動控制。
【附圖說明】
[0025]圖1為軸向電磁磁軸承實現(xiàn)轉子五自由度懸浮結構圖；
[0026]圖2(a)為軸向磁軸承實現(xiàn)轉子五自由度懸浮系統(tǒng)軸向懸浮示意圖；
[0027]圖2(b)為軸向磁軸承實現(xiàn)轉子五自由度懸浮系統(tǒng)徑向懸浮示意圖；
[0028]圖2(c)為軸向磁軸承實現(xiàn)轉子五自由度懸浮系統(tǒng)沿徑向軸轉動懸浮示意圖；
[0029]圖3為本發(fā)明軸向磁軸承實現(xiàn)五自由度懸浮系統(tǒng)示意圖；
[0030]圖4為本發(fā)明軸向位移傳感器沿軸向布置結構示意圖；
[0031]圖5為本發(fā)明軸向位移傳感器沿徑向布置結構示意圖；
[0032]圖6為本發(fā)明徑向位移傳感器布置結構徑向剖面示意圖；
[0033]圖7為本發(fā)明徑向位移傳感器布置結構軸向剖面示意圖。
[0034]其中，1.定子鐵心，2.轉子鐵心，3.轉子，4.線圈，5.軸向位移傳感器，6.徑向位移傳感器，7.控制器，8.功率放大器，9.永磁環(huán)。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。
[0036]本發(fā)明軸向磁軸承實現(xiàn)五自由度懸浮結構示意