电致动磁轴承的制作方法

专利名称：电致动磁轴承的制作方法
电致动磁轴承背景技术
除非本文中另行指出，否则本节中描述的材料并非相对于本申请权利要求的现有技术，且不因为包括于本节中而承认其为现有技术。
磁轴承(magnetic bearing)使用磁悬浮支撑转子。通常，磁轴承利用电磁体来平衡力。具体地，电磁体调整磁轴承产生的磁场来平衡转子。也就是说，可以实时调整向电磁体施加的电流来调整磁场，以补偿转子中建立的不稳定。典型地，使用传感器来检测转子相对于静止电磁体的位置，以确定施加于每个电磁体的电流量，从而调整磁场。在一些应用中，可能优选磁轴承，因为磁轴承能够以高于传统轴承的速度进行操作。由于在几乎无摩擦的环境中操作，磁轴承通常不会遭受摩擦引起的磨损。


根据以下说明和所附权利要求，结合附图，本公开的前述和其他特征将更加清楚。 在认识到这些附图仅仅示出了根据本公开的一些实施例且因此不应被认为是限制本公开范围的前提下，通过使用附图以额外的特征和细节来描述本公开，其中
在附图中·
图I是一些示例磁轴承的示意图2是示出用于调整磁轴承中磁场的一些示例系统200的框图3是示出利用磁轴承平衡转子的一些示例方法的流程图；以及
图4是示出一些示例方法的流程以上附图全部根据本文所述的至少一些实施例来布置。发明内容
本公开描述了一种用于平衡转子的磁轴承。一些示例磁轴承可以包括安装在支撑结构上的多个电致动器。多个电致动器中的每一个可以包括间隔开的第一电极和第二电极以及位于第一电极和第二电极之间的电活性材料。多个电致动器中的每一个的电活性材料可以被配置为响应于第一电极与第一电极之间的电压差而发生形变。铁磁材料层可以固定到每个相应电致动器的第一电极的表面。每个铁磁材料层可以被配置为在电活性材料响应于电压差发生形变时相对于转子移动，并且移动铁磁材料层会导致对磁轴承中的磁场进行调整。
本公开描述了一种影响磁轴承中的磁场的系统。一些示例系统包括磁轴承，所述磁轴承包括多个电致动器，多个电致动器中的每一个包括间隔开的第一电极和第二电极以及位于二者之间的电活性材料。相应的铁磁材料层可以固定到每个第一电极的表面。每个电致动器的电活性材料可以被配置为响应于每个相应第一电极和第二电极间提供的第一电压差而发生形变，从而使每个相应铁磁材料层移动到第一位置，并影响磁轴承中的磁场。 测量电路可以与磁轴承耦合。测量电路可以被配置为测量多个电致动器中的每一个的电容。微控制器可以与磁轴承耦合。微控制器可以被配置为接收多个电致动器中的每一个的测量电容，并产生调整后的激励信号。电源可以与磁轴承和微控制器耦合。电源可以被配置为接收调整后的激励信号，并响应于接收调整后的激励信号，在每个相应第一电极和第二电极间提供第二电压差，从而使每个相应铁磁材料层移动到第二位置，并影响磁轴承中的磁场。
本公开描述了一种用于利用磁轴承来平衡转子的方法。一些示例方法可以包括 在多个电致动器中的相应电致动器上施加第一电压，所述相应电致动器具有固定到其表面的铁磁材料层。可以以第一电平施加第一电压。响应于第一电压，每个电致动器可以收缩或膨胀，从而使相应固定的铁磁材料层相对于转子移动，因而影响磁轴承中的磁场。该方法还可以包括测量多个电致动器中的每一个的电容，并确定每个相应第一电压的调整后水平。调整后水平可以是相应电致动器的测量电容的函数。该方法还可以包括在多个电致动器中的相应电致动器上施加相应第二电压。第二电压可以处于调整后水平。响应于第二电压，每个电致动器可以收缩或膨胀，从而使相应固定的铁磁材料层相对于转子移动，以改变磁轴承中磁场的形状和/或强度。
前述发明内容仅是说明性的，且不意在以任何方式进行限制。除了上述说明性方案、实施例和特征之外，通过参考附图和以下具体实施方式
，其他方案、实施例和特征将变得清楚。
具体实施方式
在以下详细说明中，参考了作为详细说明的一部分的附图。在附图中，类似符号通常表示类似部件，除非上下文另行指明。
具体实施方式
部分、附图和权利要求书中记载的示例性实施例并不是限制性的。在不脱离在此所呈现主题的精神或范围的情况下，可以利用其他实施例，且可以进行其他改变。应当理解，在此一般性记载以及附图中图示的本公开的各方案可以按照在此明确和隐含公开的多种不同配置来设置、替换、组合、分割和设计。
本公开总体涉及与通过实时移动永磁体来调整磁轴承中的磁场相关的方法、系统、设备和/或装置等。一些示例设备或系统包括磁轴承，所述磁轴承包括适于相对于转子移动永磁体以平衡转子的电致动器。例如，在一个示例中，每个电致动器包括适于响应于受电场作用而发生形变的电活性材料。该形变使附在每个电致动器表面的永磁体相对于转子移动，以平衡转子。在许多示例中，测量电路可以与每个电致动器耦合，并适于测量每个电致动器的电容。电容测量可以用于确定调整信号，以实时调整磁场。
图I是根据本公开的至少一些示例设置的一些磁轴承100的示意图示。示例磁轴承100包括支撑结构102，在支撑结构102上形成有多个电致动器104。每个电致动器104 包括顶电极106和底电极108以及位于它们之间的电活性材料110。铁磁材料层112可以设于顶电极106的顶部。多个电致动器104中的每一个可以绕转子114定位。
尽管电致动器104可以固定于支撑结构102，但是电致动器104的一部分可以被配置为响应于经受磁场而发生形变，因而使铁磁材料层112相对于转子114移动。例如，电源可以与每个电致动器104耦合，以在顶电极106和底电极108间施加电压，使顶电极106 与底电极108相吸或相斥。响应于该相吸，电活性材料110可以发生形变。也就是说，顶电极106与底电极108之间的吸引力使顶电极106沿轴(例如，从转子114的中心延伸的径向轴)的方向(例如，径向)朝向底电极108移动，从而使电活性材料10由于沿该轴收缩而发生形变。该形变使顶电极106上的铁磁材料层112远离转子114移动。当施加于顶电极的电压偏置减小到调整后的激励水平时，顶电极106远离底电极108移动，从而使电活性材料110沿轴(例如，径向轴)的方向(例如，径向)膨胀。该形变使铁磁材料层112靠近转子114移动。当每个电致动器104上的每个铁磁材料层112朝向或远离转子14移动时， 可以调整磁轴承100中的磁场。
顶电极可以包括可拉伸材料。在一些示例中，顶电极可以包括金薄层(或薄膜)、 导电有机聚合物、碳纳米管复合材料或其组合。在一些示例中，金薄层约10纳米至30纳米。 在一个示例中，金薄层大约20纳米。
在一些示例中，铁磁材料层112可以包括高各向异性永磁体，如钐钴(SmCo)和钕铁硼(NdFeB)。铁磁材料层112可以例如通过粘合剂或通过任何其它固定机制固定到顶电极106的表面。在一些示例中，铁磁材料层112可以通过柔性粘合剂(如典型用于粘合具有不同热膨胀系数的材料的柔性粘合剂)固定到顶电极106的表面。例如，在一个示例中， 粘合剂是聚氨酯粘合剂或Ul氨基甲酸酯(U1 urethane)粘合剂。在一些示例中，铁磁材料层112可以固定到顶电极，使得顶电极可以拉伸而不会使铁磁材料层拉伸。在一些示例中，可以使用标准拾放(pick-and-place)技术将铁磁材料层112安装在顶电极的顶部。在其它示例中，可以通过将薄磁膜压焊或层压到顶电极106、然后使用划线来形成铁磁材料层 112。
结构支撑可以是能够支撑由轴承中的磁场施加的力的任意材料。在一些示例中， 结构支撑可以包括塑料、复合材料、金属或其任意组合。在一个示例中，结构支撑可以包括不锈钢。
电活性材料110可以是适于响应于所施加的磁场而发生形变的任意材料。在一些示例中，电活性材料Iio可以实现小于约1%并超过约300%的拉伸或压缩。一些示例电活性材料可以包括压电陶瓷或聚合物、磁流变(magnetorheological)聚合物和电活性聚合物。一种材料相对于其他材料是否优选可以取决于磁轴承的应用和其他因素，如成本、可靠性以及位移和电压需求。在一些示例中，电活性材料110可以预应变。
在一个示例中，电活性材料可以包括压电陶瓷，如压电换能器(PZT)。例如，尽管传统的压电陶瓷提供了约O. 1%到O. 2%范围内的最大拉伸或压缩，但是该位移将足以允许对磁场做出调整。可选地，正在开发新一代压电陶瓷，可以允许超过I %的应变，以向磁场提供更大的调整，如在 Fu, Huaxiang 等，Polarization Rotation Mechanismfor Ultrahigh Electromechanical Response in Single-crystalPiezoeIectries, Nature 403，1999， 281-283中所述，在此一并引入作为参考。
在另一示例中，电活性材料可以包括压电聚合物。传统压电聚合物(如聚偏氟乙烯(PVDF)和其他共聚物)可以具有大约小于1%的最大拉伸或压缩。现代压电聚合物可以通过辐射感应的缺陷或在聚合物链中包括大的功能团来改性，并可以响应于大约每微米 100伏的电场实现超过5%的拉伸或压缩。
在另一示例中，电活性材料110可以包括电活性聚合物，如介电弹性体。在一些示例中，电活性材料110包括膜材料，如硅树脂。膜材料可以实现大于约30%的拉伸或压缩， 并在预应变膜材料的情况下，可以实现大于约100%的拉伸或压缩。因而，可以利用施加于电极间的小于Ikv的电荷来实现数十微米的位移。此外，膜材料可以在小于I毫秒的时间内响应所施加的场。
按照Earnsha原理，静态场理 论上不可能保持磁轴承中转子的稳定性。因而，可以实时调整磁轴承产生的磁场，以保持转子稳定。通常，可以通过调整磁体与转子之间的距离来调整磁场。在每次调整之后，可以进行测量，以检测磁体与转子之间的距离，因而检测从磁场施加的力。基于检测到的力，可以进行调整以平衡转子。
如下所述，不但每个电致动器104可以用作致动器，而且每个电致动器104还可以用作感测磁轴承100内施加的力的传感器。感测到的力可以用于确定施加到每个相应电致动器104的电压的调整后水平。也就是说，基于每个电致动器104经受的力，可以调整后施加于每个电致动器104的激励水平，以相应地调整磁场。
每个电致动器104可以用作感测力的传感器，其中可以通过测量电容来确定感测到的力。具体地，每个电致动器104包括设于顶电极106与底电极08之间的电活性材料 110，因而在由电极形成的极板之间构成电容器。测量电路(未示出)可以与每个电致动器 104耦合，以测量电容。测量电路可以在磁轴承100外部或与磁轴承100集成在一起。所测量的电容可以用于计算施加到每个电致动器104的力。在一些示例中，在测量电致动器 104的电容之前，可以将电源与每个电致动器104去耦，以实现稳态。由于施加于每个电致动器104的磁场，顶电极106可以与底电极108相吸或相斥，引发电活性材料110的形变。 也就是说，电活性材料110可以沿朝向转子中心的径向收缩或拉伸。测量电路可以用于测量每个电致动器104的电容。根据每个电致动器104的测量电容，可以计算每个电致动器 104的顶电极106与底电极108之间的距离，以确定电活性材料110的位移。使用电活性材料110的已知材料特性和电活性材料110的位移，可以计算施加于每个电致动器的力。可以结合磁轴承100的几何结构来分析施加于每个电致动器104的每一个力，以确定要施加于电致动器104的调整后的磁场或调整后的激励电压电平。
图2是示出根据本公开的至少一些示例设置的、用于调整磁轴承中的磁场的一些示例系统200的框图。示例系统包括磁轴承210,如图I描述的示例磁轴承100,测量电路 220，微控制器230、电源240和功率放大器250。在一些示例中，微控制器230包括存储器， 或者可以耦合到外部存储器。磁轴承210可以与测量电路220耦合，测量电路220可以与微控制器230耦合。微控制器230可以与电源240和功率放大器250耦合，功率放大器250 可以与磁轴承210耦合，或者在一些示例中，电源240可以直接与磁轴承210耦合。电源 240可以被配置为向每个电致动器选择性地提供偏置电压或电流。
微控制器230可以被配置为向电源240提供激励信号，以使电源240在磁轴承210 中的每个电致动器上提供电压差。类似地，功率放大器250可以包括分别与磁轴承210中的相应电致动器耦合的多个功率放大器。在这些实施例中，磁轴承210中的每个电致动器可以单独寻址，并因而接收单独确定的激励水平。具体地，微控制器230可以被配置为将每个单独寻址的激励水平与相应的功率放大器耦合。每个功率放大器可以被配置为将放大后的电压差耦合至磁轴承210中的相应电致动器。通过将调整后的电压或电流耦合至每个相应的电致动器，可以改变磁轴承210中磁场的形状和/或强度。
如上所述，每个电致动器包括通过顶电极和底电极及之间的电活性材料构成的电容器。测量电路220可以被配置为测量与每个电致动器中的每个电容器相关联的电容(SP， 顶电极与底电极之间的等效电容)。在一些示例中，测量电路220包括多个测量电路，每个测量电路与磁轴承210中的相应电致动器耦合。每个电容测量可以用于确定每个电致动器 的位置。在一些示例中，在测量每个电致动器的电容之前，微控制器230可以向电源240提 供去激励信号，使电源与电致动器104去耦，并使得电致动器104能够实现稳态。微控制器230可以被配置为向测量电路220提供测量信号。响应于该测量信号， 测量电路220可以被配置为测量每个电致动器的电容。然后，可以从测量电路220向微控 制器230提供测量电容。使用每个电致动器的测量电容及已知几何结构和材料特性，微控 制器230可以被配置为使用下式计算顶电极与底电极之间的距离
d=A*K/C其中，A =顶或底电极之一的面积；C =电容；d=距离；以及K=介电常数。特定电致动器上的两个电极之间的距离可以用于确定正施加于相应电致动器的 力。假设电活性材料呈现线性行为，顶电极和底电极之间的距离可以用于使用下式来计算 正施加于电活性材料的力 F=F2*A*Ad/d1 其中， E =电活性材料的弹性模量；F =电活性材料在拉伸或压缩时所施加的力；A =电活性材料在拉伸或压缩之前的面积；Cl1 =在拉伸或压缩之前顶电极和底电极之间的距离；以及Λ d =顶电极和底电极之间的改变距离。在另一示例中，查找表(LUT)或算法可以用于确定正施加于电活性材料的力。例 如，在一个示例中，在电活性材料呈现非线性行为时可以使用LUT。LUT可以将测量电容与 力相关。也就是说，根据电致动器的测量电容，可以访问LUT以确定正施加于该电致动器的 估计力。尽管图2示出了可以在微处理器中存储LUT和存储器，但是应当理解，可以在单独 的设备中存储LUT和存储器。根据正施加于每个电致动器的力的分布和磁轴承的几何结构，可以对每个激励信 号进行校正，以调整正施加于每个电致动器的电量，从而稳定转子。例如，在理想状态，转子 在每个电致动器上施加对称的力。因此，微处理器可以被配置为比较相对侧的致动器，并相 应地调整激励水平。一旦调整了施加于每个电致动器的电量，便可以移除电源并如上所述 重新计算力。因此，示例系统200可以继续加电、去电并测量电容、以及使用测量电容来调 整要施加的电量的循环。在一些示例中，可以基于距离的改变来确定顶电极与底电极之间的距离，而非根 据电容器的材料特性计算距离。在这些示例中，在使磁轴承处于弛豫(relaxed)状态(即， 不向磁轴承加电)时，针对每个电致动器进行电容器测量。假设每个电致动器中电极之一 的面积和介电常数保持恒定。因而，可以使用电容的改变，利用下式计算距离的改变
权利要求
1.一种用于平衡转子的磁轴承，所述磁轴承包括支撑结构；安装在支撑结构上的多个电致动器，所述多个电致动器中的每一个包括间隔开的第一电极和第二电极以及位于第一电极和第二电极之间的电活性材料，其中所述多个电致动器中的每一个的电活性材料被配置为响应于第一电极与第一电极之间的电压差而发生形变； 以及多个铁磁材料层，每个铁磁材料层固定到相应电致动器的第一电极的表面，每个铁磁材料层被配置为在电活性材料响应于电压差而发生形变时相对于转子移动，其中移动铁磁材料层导致对磁轴承中的磁场进行调整。
2.根据权利要求I所述的磁轴承，其中每个电致动器能够被单独寻址。
3.根据权利要求2所述的磁轴承，其中针对每个电致动器，每个电致动器各自的第一电极和第二电极之间的电压差是不同的。
4.根据权利要求I所述的磁轴承，其中第一电极包括金薄层、导电有机聚合物、碳纳米管复合材料或其组合之一。
5.根据权利要求I所述的磁轴承，其中电活性材料包括压电陶瓷、压电聚合物、和/或介电弹性体中至少之一。
6.根据权利要求I所述的磁轴承，其中铁磁材料层包括厚度小于约10微米的铁磁材料薄膜。
7.根据权利要求I所述的磁轴承，其中铁磁材料层以柔性粘合剂固定于顶电极。
8.一种用于影响磁轴承中的磁场的系统，所述系统包括磁轴承，所述磁轴承包括多个电致动器，所述多个电致动器中的每一个包括间隔开的第一电极和第二电极以及位于二者之间的电活性材料，相应的铁磁材料层固定到每个第一电极的表面，每个电致动器的电活性材料被配置为响应于在各自相应的第一电极和第二电极间提供的第一电压差而发生形变，从而使各自相应的铁磁材料层移动到第一位置，并影响磁轴承中的磁场；与磁轴承耦合的测量电路，被配置为测量所述多个电致动器中的每一个的电容；与磁轴承耦合的微控制器，被配置为接收所述多个电致动器中的每一个的测量电容， 并产生调整后的激励信号；以及与磁轴承和微控制器耦合的电源，被配置为接收调整后的激励信号，并响应于接收调整后的激励信号，在各自相应的第一电极和第二电极间提供第二电压差，从而使各自相应的铁磁材料层移动到第二位置，并影响磁轴承中的磁场。
9.根据权利要求8所述的系统，其中每个电致动器的电活性材料被配置为响应于第一电极和第二电极间的第二电压差而发生形变，从而使相应的铁磁材料层相对于转子移动， 因而调整磁轴承中磁场的形状或强度。
10.根据权利要求9所述的系统，其中每个电活性材料能够被单独寻址，以及相应第二水平的各自相应的电参数几乎同时被施加于各自相应的第一电极。
11.根据权利要求10所述的系统，其中针对每个电致动器，各自相应的第一电极和第二电极间的第一电压差是不同的。
12.根据权利要求10所述的系统，其中针对每个电致动器，各自相应的第一电极和第二电极之间的第二电压差是不同的。
13.根据权利要求8所述的系统，其中电活性材料包括压电陶瓷、压电聚合物、和/或介电弹性体中至少之一。
14.根据权利要求8所述的系统，其中铁磁材料层包括厚度小于约10微米的铁磁材料薄膜。
15.一种利用磁轴承来平衡转子的方法，所述方法包括在多个电致动器中的相应电致动器上施加相应的第一电压，所述相应电致动器具有固定到其表面的铁磁材料层，所述第一电压处于第一水平，响应于第一电压，每个电致动器收缩或膨胀，从而使相应固定的铁磁材料层相对于转子移动，因而影响磁轴承中的磁场；测量所述多个电致动器中的每一个的电容；确定各自相应的第一电压的调整后水平，调整后水平是相应电致动器的测量电容的函数；以及在所述多个电致动器中的相应电致动器施加相应的第二电压，所述第二电压处于调整后水平，响应于第二电压，每个电致动器收缩或膨胀，从而使相应固定的铁磁材料层相对于转子移动，以改变磁轴承中磁场的形状和/或强度。
16.根据权利要求15所述的方法，其中每个电致动器能够被单独寻址。
17.根据权利要求15所述的方法，其中施加于所述多个电致动器中的相应电致动器的各电压处于不同水平。
18.根据权利要求15所述的方法，其中施加相应的第一电压和施加相应的第二电压包括将电压源或电流源耦合到每个电致动器。
19.根据权利要求15所述的方法，其中确定每个电参数的调整后水平包括使用查找表，基于测量电容来确定正施加于每个电致动器的力。
20.根据权利要求15所述的方法，其中确定各自相应的第一电压的调整后水平包括 使用算法和电活性材料的已知机械特性。
21.根据权利要求15所述的方法，还包括将电压源或电流源与所述多个电致动器中的每一个去耦合，其中，将电压与所述多个电致动器中的每一个去耦合和以调整后水平在所述多个电致动器中的相应致动器上施加相应的第二电压之间的时延小于约10毫秒。
全文摘要
本公开一般性地描述了用于通过实时移动永磁体来调整磁轴承中的磁场的技术。一些示例设备或系统包括磁轴承，所述磁轴承包括适于相对于转子移动永磁体以平衡转子的电致动器。例如，在一个示例中，每个电致动器包括适于响应于受电场作用而发生形变的电活性材料。该形变使附在每个电致动器表面的永磁体相对于转子移动，以平衡转子。在许多示例中，测量电路可以与每个电致动器耦合，并适于测量每个电致动器的电容。电容测量可以用于确定调整信号，以实时调整磁场。
文档编号H02K7/09GK102947606SQ201080067598
公开日2013年2月27日 申请日期2010年6月21日 优先权日2010年6月21日
发明者塞思·米勒 申请人:英派尔科技开发有限公司