一种同极型单环混合磁轴承的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种同极型单环混合磁轴承。解决现有混合磁轴承所存在的磁极只具有支承属性，不能进行动态分配，以及需要安装转子传感器的问题。轴承包括定子、转子和控制系统，定子包括轴承外壳，至少6组以上偶数组的电磁体，以及与电磁体数量对应的永磁组合块，永磁组合块与电磁体相交替均匀间隔安装在装配圈内侧上，装配圈固定在轴承外壳内。本发明优点是：实现磁极支承和阻尼属性分开，能对磁极属性进行动态分配，使得磁轴承的平衡性更好；结构合理，更方便与空间上的安装和使用，对转子位移的检测采用自传感技术，内部无需放置任何转子位移传感器，保证了转子系统的稳定性，降低了成本，无需占用空间，维护及校准简单。
【专利说明】一种同极型单环混合磁轴承
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，尤其是涉及一种能对磁极进行多态分配、平衡性更好的同极型单环混合磁轴承。
【背景技术】
[0002]磁悬浮轴承又简称为磁轴承，是利用定子和转子之间的磁力作用将转子悬浮于空间，使定子和转子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承。由于定、转子之间不存在机械上的接触，所以磁悬浮轴承的转子可达到很高的运转转速，并且具有机械磨损小、能耗低、寿命长、无润滑和无污染等优点，特别适合高速、真空、超洁净和核等特殊的应用场合。
[0003]磁悬浮轴承按照磁力的提供方式，可分为主动磁轴承(AMB, Active MagneticBearing)、被动磁轴承(PMB, Passive Magnetic Bearing)和混合磁轴承(HMB, HybridMagnetic Bearing)。
[0004]混合磁轴承利用永久磁铁产生的磁场取代主动磁悬浮轴承中电磁铁产生的静态偏置磁场，又称为永磁偏置磁轴承，具有降低功率放大器的功耗，减少电磁铁的匝数，缩小磁轴承的体积等优点；同时其电磁线圈就成为了控制线圈，具备更加灵活的控制性能，与之配套的功放也可以进一步减小体积、降低功耗。
[0005]目前有许多混合磁轴承，其一般结构包括定子、转子，定子上同一圆周平面上一般只设置3到4个磁极，通过控制这些磁极的弹性力来调节转子的平衡，但转子在转动过程中可能会出现陀螺现象，尤其是章动模态，导致磁轴承不平衡，而现有磁轴承的磁极一般都只表现为支承特性，不易调节，甚至造成磁轴承损坏。还有一些混合磁轴承，其永磁体与电磁体安装结构布置不合理，如永磁体横向设置在电磁体之间或是设置在电磁体后部，这增加了轴承的尺寸，不方便空间上的安装和使用。另外现有混合磁轴承都要在轴承内放置转子位移传感器，以满足检测要求，但存在传感器成本高，安装及布线占空间，维护及校准比较困难。
[0006]如专利号为201220379576.X，名称为一种径向磁轴承电涡流传感器一体化结构的中国实用新型专利，其包括四路径向位移传感器探头、控制转子悬浮的永磁偏置混合磁轴承，该永磁偏置混合磁轴承包括两层的磁极和中间的永磁体构成，每次磁极具有四个，在同一圆周上相隔90度分布。该磁轴承通过控制磁极上的支承力来调节转子的平衡。该专利就存在上述的缺点:定子上同一圆周平面上一般只设置3到4个磁极，通过控制这些磁极的弹性力来调节转子的平衡，但转子在转动过程中可能会出现陀螺现象，尤其是章动模态，导致磁轴承不平衡，不易调节，甚至造成磁轴承损坏；在轴承内需放置转子位移传感器，存在传感器成本高，安装及布线占空间，维护及校准比较困难。
【发明内容】
[0007]本发明主要是解决现有混合磁轴承所存在的磁极只具有支承属性，不能进行动态分配，容易出现陀螺效应的问题，提供了一种具有多个磁极，能够对磁极进行支承和阻尼属性动态分配，平衡性更好的同极型单环混合磁轴承。
[0008]本发明第二个发明目的是解决现有混合磁轴承结构不合理，不方便空间上安装和使用的问题，提供了一种结构合理、尺寸小的、安装方便的同极型单环混合磁轴承。
[0009]本发明另一发明目的是解决了现有混合磁轴承需要在轴承内设置转子位移传感器，成本高，安装及布线占空间，维护及校准困难的问题，提供了一种无需安装传感器的同极型单环混合磁轴承。
[0010]本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:一种同极型单环混合磁轴承，包括定子、转子和控制系统，定子包括轴承外壳，至少η组电磁体，以及与电磁体
数量对应的永磁组合块,其中n=6+2k，k=0、l、2、3......,所述永磁组合块与电磁体相交替均
匀间隔安装在装配圈内侧上，装配圈固定在轴承外壳内。本发明中永磁组合块为整个轴承提供了基础支承刚度，即轴承静态刚度。多个电磁体环绕构成电磁环阵列，一个电磁体形成一个磁极，形成了多磁极。电磁极对于气隙宽度变化产生支承刚度即表现为弹性力，并能对转子速度变化产生对应的阻尼。控制电流可以使磁极支承刚度变为零，从而完全表现为电磁阻尼，因此可以控制相应磁极表现为支承刚度磁极或是支承阻尼磁极。采用至少6组以上的偶数组电磁体，这样通过对磁极的动态分布，使得一些磁极表现为支承刚度磁极，一些磁极表现为阻尼磁极。采用多磁极可以进行动态分布，这与一般四磁极的磁轴承不同，本发明既有表现为支承刚度的磁极，也有表现为电磁阻尼的磁极，将支承刚度和阻尼分开，实现两者独立。在保持转子平衡的同时，还能通过电磁阻尼的磁极有效抑制强陀螺效应中的章动模态，明显减少转的振动，使得磁轴承的平衡性更好，满足高精度加工的特殊要求。
[0011]用于控制轴承支承力和阻尼力处在径向的同一平面内，并可以动态调整、独立操纵，相对于以往轴承中支承和阻尼控制分开在不同的操纵平面，使得轴向尺寸明显减小。
[0012]作为一种优选方案，所述永磁组合块由三块永磁体组合构成，位于中间的永磁体的N极朝向轴承中心，位于两侧的永磁体的N极朝向中间的永磁体。三块永磁体通过这种排列方式构成海尔贝克离散阵列，该结构使得永磁体表面磁感应强度更大，远超过单块磁铁的磁感应强度，这样永磁组合块构成的整个环形阵列表现出内一侧磁场强度明显增强，外一侧磁场强度明显减弱，磁场增强侧为磁力轴承提供更大的承载力。
[0013]作为一种优选方案，所述电磁体包括设置在两侧处的磁极头，线圈绕在磁极头上，每组电磁体位于同一圆周平面上的磁极头的极性相同。该若干组电磁体构成一环形阵列，位于环形阵列上处于同一圆周平面上的磁极头的极性相同，即构成了同极型结构，同极型结构具有系统功耗低，径向尺寸小等特点。
[0014]作为一种优选方案，所述装配圈内侧上均间隔设置有楔形槽，该楔形槽为上窄下宽的燕尾结构，所述永磁组合块和电磁体都是与楔形槽相配合的上窄下宽的梯形结构，永磁组合块和电磁体插入在楔形槽内。采用装配圈装配永磁组合块和电磁体，并采用楔形配合方式，使得组装更加方便快捷，且这些永磁组合块和电磁体间隔安装在装配圈内，构成了一个单环结构，实现了所有永磁组合块和电磁体都分布在同一面上即装配圈内侧面上，使得整个轴承的轴向尺寸大幅度减小，更方便与空间上的安装和使用，另外单环的结构可以利用多个轴承配合适用于各种类型的转轴，单环结构使得轴承的生产标准化，工程应用范围更加广泛。装配圈采用隔磁材料制成，使得磁体件彼此独立、磁路互不影响。
[0015]作为一种优选方案，所述轴承外壳内壁上靠近一侧端口处设置有一圈阻挡沿，所述装配圈安装入轴承外壳内后卡在阻挡沿上，在装配圈相对阻挡沿的另一端上紧压有固定环，固定环与轴承外壳内壁过盈配合，在轴承外壳的两端外通过螺纹方式连接有轴承端盖。该结构装配方便快捷，更方便大范围生产。
[0016]作为一种优选方案,所述控制系统包括与电磁体数量对应的开关对、功放驱动器、数字信号处理器，开关对连接在电源上，开关对包括两个串联的开关，每个电磁体对应连接一个开关对，电磁体的线圈一端接地，另一端连接至其对应的开关对两个开关连接之间，所述功放驱动器控制连接各开关对，数字信号处理器与功放驱动器连接，数字信号处理器还分别连接到各电磁体的线圈绕组以及各开关对与电源负极的连接点上。电磁体线圈采用多相星形连接，运用平衡电阻网络构建中心电位，使得各相独立控制，为控制解耦算法提供方便。开关对连接在直流电源正负极间，正电压Vdc+和负电压VDC_
[0017]给定的电流加载在电磁体的线圈上，功放驱动器发送驱动信号控制各开关对工作，通过控制开关功率管的电压占空比的不同而产生周期内平均值不同的电流，从而控制线圈上的电流大小。功放驱动器的PWM信号的驱动方式可以有两种:其一是通过正弦波对三角波的调制产生；载波正弦波的初相位使磁极相位依次相差60度并调制其工作电压幅值来形成磁场偏向力，该工作方式是一种交流驱动的磁力相变轴承。其二是通过对各相线圈独立工作其工作电流，形成稳定且可动态调整的电磁场，从而形成磁场偏向力，该工作方式是一种直流或准直流驱动的磁力轴承。功放驱动器的PWM信号，通过改变载波频率使得PWM信号的频率覆盖从低频到高频的叫宽频带，以此来适应磁轴承转子从低速到高速的运行调节。另外数字信号处理器连接至各开关对与电源负极连接的点上，对该点电压进行采集分析，以提供过流保护。
[0018]作为一种优选方案，所述数字信号处理器包括有ADC单元和CPU单元，所述ADC单元与CPU单元连接，
[0019]ADC单元与各电磁体的线圈相连，以及连接到各开关对与电源负极的连接点上，CPU单元与功放驱动器连接。ADC单元对各电磁体线圈上的电流，以及各开关对与电源负极连接点处的电流值进行采集，并将这些采集的信息进行模式转换后发送给CPU单元进行处理。CPU单元对各电磁体线圈处采集的电流值进行计算处理后得到转子相对各磁极的位移值和位移变通率，CPU单元根据位置值和位移变通量分析转子振动量和章动模态量情况，并判断是否提高相应磁极弹性力以及增加相应磁极的阻尼力，然后CPU单元发送指令给功放驱动器，由功放驱动器控制对应磁极的开关对工作，控制各磁极线圈上的电流大小，从而控制磁极上弹性力或阻尼力，同时功放驱动器还通过控制开关对工作，在各磁极线圈上产生自传感所需的高频小信号。本发明对转子位移的检测采用自传感技术，内部无需放置任何转子位移传感器，而是通过在线圈上加载高频小信号实现，这使得本发明传感器和轴承磁极的工作面完全重合，这种自传感的方式实现了无相差测量，保证了转子系统的稳定性。功放驱动器控制开关对在线圈上产生自传感所需的高频信号，也产生对电磁体控制的控制电流信号，两个信号是叠加的。
[0020]因此，本发明具有的优点是:1.采用多磁极，将磁极支承和阻尼属性分开，实现独立，能够对磁极属性进行动态分配，能有效抑制强陀螺效应中的章动模态，明显减少转的振动，使得磁轴承的平衡性更好，满足高精度加工的特殊要求；2.结构合理，使得整个轴承的轴向尺寸大幅度减小，更方便与空间上的安装和使用，并可以利用多个轴承配合适用于各种类型的转轴，另外使得轴承的生产标准化，工程应用范围更加广泛；3.[0021]对转子位移的检测采用自传感技术，内部无需放置任何转子位移传感器，使得本发明传感器和轴承磁极的工作面完全重合，实现了无相差测量，保证了转子系统的稳定性，降低了成本，无需占用空间，维护及校准简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]附图1是本发明的一种结构爆炸示意图；
[0023]附图2是本发明的一种剖面结构示意图；
[0024]附图3是本发明中控制系统的一种电路结构示意图；
[0025]附图4是本发明中永磁组合块的一种磁路示意图；
[0026]附图5是本发明中控制方法的一种流程示意图；
[0027]附图6是本发明中6磁极的一种简易示意图。
[0028]1-轴承外壳 2-装配圈 3-永磁组合块 4-电磁体 5-磁极头6_永磁体7-楔形槽8-固定环9-端盖10-阻挡沿11-数字信号处理器12-开关对13-功放驱动器14-ADC单元15-CPU单元
【具体实施方式】
[0029]下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0030]实施例:
[0031]本实施例一种同极型单环混合磁轴承，磁轴承包括有定子、转子和控制系统。如图1所不，定子包括有轴承外壳I，在轴承外壳内设置有电磁体4和永磁组合块3构成的内芯，本实施例中采用6极磁轴承，该电磁体具有6组，永磁组合块对应的也具有6组。电磁体上两侧位置处设置有磁极头5，磁极头上绕有线圈。永磁组合块由三块永磁体6组合构成，三块永磁体采用海尔贝克离散阵列排列结构，如图4所示，永磁体上方为转子，位于中间的永磁体的N极朝向轴承中心的转子，位于两侧的永磁体的N极朝向中间的永磁体。永磁组合块和电磁体相交替均匀间隔安装在装配圈2内侧上，装配圈内侧上均间隔设置有楔形槽7，该楔形槽为上窄下宽的燕尾结构，永磁组合块和电磁体都是与楔形槽相配合的上窄下宽的梯形结构，永磁组合块和电磁体插入在楔形槽内。该电磁体采用同极型，在电磁体装入楔形槽后，每组电磁体位于同一圆周平面上的磁极头的极性相同。
[0032]如图2所示，轴承外壳I内壁上靠近一侧端口处设置有一圈阻挡沿10，装配圈装入在轴承外壳内，卡在阻挡沿上，在装配圈相对阻挡沿的另一端上紧压有固定环8，固定环与轴承外壳内壁过盈配合，在轴承外壳的两端外通过螺纹方式连接有轴承端盖9。
[0033]如图3所示，控制系统包括6个开关对12、功放驱动器13、数字信号处理器11，数字信号处理器包括有ADC单元14和CPU单元15，ADC单元与CPU单元连接。开关对包括两个串联的开关，每个电磁体对应连接一个开关对，电磁体的线圈一端接地，另一端连接至其对应的开关对两个开关连接之间，ADC单元分别连接到每个电磁体线圈上，CPU单元与功放驱动器连接，功放驱动器控制连接各开关对。三个开关对并联在一起，这样形成两个个六相开关，由两个PWM控制。在两个六相开关与电源负极之间分别连接有电阻Rsampl和电阻Rsamp2, ADC单元还分别连接至这两个六相开关与电源负极之间上[0034]ADC单元:对各电磁体线圈上的电流进行采集，并将这些采集的信息进行模式转换后发送给CPU单元进行处理；
[0035]CUP单元:对各电磁体线圈处采集的电流值进行计算处理后得到转子相对各磁极的位移值和位移变通率，CPU单元根据位置值和位移变通量分析转子振动量和章动模态量情况，并判断是否提高相应磁极弹性力以及增加相应磁极的阻尼力，然后CPU单元发送指令给功放驱动器，由功放驱动器控制对应磁极的开关对工作，控制各磁极线圈上的电流大小，从而控制磁极上弹性力或阻尼力，同时功放驱动器还通过控制开关对工作，在各磁极线圈上产生自传感所需的高频小信号。
[0036]磁轴承控制系统的控制方法为:
[0037]包括对转子位移的检测，对磁极弹性力或阻尼力的调节
[0038]转子位移的检测过程为:由CPU单元控制多相开关给各电磁体线圈加载高频小信号，在线圈上产生反应转子位移信号的感生电流，ADC单元采集各电磁体线圈上的电流，传输给CPU单元，CPU单元对采样电流值进行计算得到各电磁体相对转子的位移值和位移变
换量；
[0039]CPU单元对采样电流值信息计算包括对信息进行抗混叠滤波、快速傅里叶变换、kalman滤波和二阶离散TD。
[0040]该计算的具体过程为:
[0041]a.设置一个或多个测量周期内的采样点数N和采样频率
【权利要求】
1.一种同极型单环混合磁轴承，包括定子、转子和控制系统，其特征在于:定子包括轴承外壳(I),至少η组电磁体(4)，以及与电磁体数量对应的永磁组合块(3 )，其中n=6+2k，k=0、l、2、3……，所述永磁组合块与电磁体相交替均匀间隔安装在装配圈(2)内侧上，装配圈固定在轴承外壳内。
2.根据权利要求1所述的一种同极型单环混合磁轴承，其特征是所述永磁组合块(3)由三块永磁体(6)组合构成，位于中间的永磁体的N极朝向轴承中心，位于两侧的永磁体的N极朝向中间的永磁体。
3.根据权利要求1所述的一种同极型单环混合磁轴承，其特征是所述电磁体(4)包括设置在两侧处的磁极头(5)，线圈绕在磁极头上，每组电磁体位于同一圆周平面上的磁极头的极性相同。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种同极型单环混合磁轴承，其特征是所述装配圈(2)内侧上均间隔设置有楔形槽(7)，该楔形槽为上窄下宽的燕尾结构，所述永磁组合块(3)和电磁体(4)都是与楔形槽相配合的上窄下宽的梯形结构，永磁组合块和电磁体插入在楔形槽内。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种同极型单环混合磁轴承，其特征是所述轴承外壳(I)内壁上靠近一侧端口处设置有一圈阻挡沿(10)，所述装配圈安装入轴承外壳内后卡在阻挡沿上，在装配圈相对阻挡沿的另一端上紧压有固定环(8)，固定环与轴承外壳内壁过盈配合，在轴承外壳的两端外通过螺纹方式连接有轴承端盖(9)。
6.根据权利要求1所述的一种同极型单环混合磁轴承，其特征是所述控制系统包括与电磁体数量对应的开关对(12)、功放驱动器(13)、数字信号处理器(11)，开关对连接在电源上，开关对包括两个串联的 开关，每个电磁体对应连接一个开关对，电磁体的线圈一端接地，另一端连接至其对应的开关对两个开关连接之间，所述功放驱动器控制连接各开关对，数字信号处理器与功放驱动器连接，数字信号处理器还分别连接到各电磁体的线圈绕组以及各开关对与电源负极的连接点上。
7.根据权利要求6所述的一种同极型单环混合磁轴承，其特征是所述数字信号处理器(11)包括有ADC单元(14)和CPU单元(15)，所述ADC单元与CPU单元连接， ADC单元与各电磁体的线圈相连，以及连接到各开关对与电源负极的连接点上，CPU单元与功放驱动器(13)连接。
【文档编号】F16C32/04GK103591138SQ201310493497
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年10月18日 优先权日:2013年10月18日
【发明者】胡雄心, 于振杰, 蒋建东, 俞思源 申请人:浙江工业大学