专利名称：磁悬浮硬盘单自由度性能实验台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种实验台，具体地讲涉及一种磁悬浮硬盘单自由度性能实验测试装置。
从机械原理的角度来考察磁悬浮转子系统，要支承一个旋转主轴需要限制其5个自由度，但微小磁悬浮转子系统中由于紧凑狭小的空间结构特性不可避免地带来机械、电磁场、温度场错综复杂的耦合情况，给研究工作带来困难，为了解决这一问题，在分析现有的实际加工装配和控制能力的基础上，我们首先提出采取分布研究的方法，即先设计单自由度硬盘实验台架，分析其机电耦合情况，在充分了解单自由度磁悬浮转子的基础上再进行多自由度控制磁悬浮硬盘的设计和耦合分析。
本发明的技术方案是磁悬浮硬盘单自由度性能实验台，它包括控制部分，所述的控制部分由位移传感器、A/D、DSP、D/A及其功率放大器构成，位移传感器与控制部分中的控制器连接；其特征是检测机械部分包括中心轴、磁装置，控制部分与检测机械部分相连接；磁装置为永磁或者电磁或者永磁和电磁，磁装置位于中心轴外；功率放大器与检测机械部分的定子线圈连接，控制系统通过连接在实验台上的位移传感器检测转子的位移，位移传感器把位移信号转换成电压信号，电压信号反馈到控制器，控制器发出控制信号，信号使功率放大器调整输出电流的大小从而改变电磁铁的电磁力大小，电磁力的改变使转子位移改变。
所述的检测机械部分由底板1、支撑轴2、下托盘3、隔套4、上托盘5、螺母6、承重托盘7、隔套8、中心轴9、轴向轴承定子10、线圈11、轴向推力盘12、永磁环13、隔磁铜套14、直线轴承15、螺钉16、密封隔套17组成；底板1由4个螺栓固定在带有T型槽的支架上，底板有两个通孔，支撑轴2底部与底板1的孔紧配合安装，两个支撑轴2为台阶轴结构，上托盘5、下托盘3固定在支撑轴2上，上托盘5、下托盘3之间为隔套4，上托盘5上面由螺母6紧定；上托盘5固定隔磁铜套14，下托盘3固定轴向轴承定子10，隔磁铜套14与上托盘5过渡配合，通过螺钉16使其与上托盘锁紧，隔磁铜套14内粘接有永磁环13，下托盘3支承固定轴向定子10；承重托盘7由螺钉与中心轴9相固定，轴向推力盘12、直线轴承15与中心轴9相套。
所述的检测机械部分由底板1、支撑轴2、下托盘3、隔套4、上托盘5、螺母6、承重托盘7、隔套8、中心轴9、轴向轴承定子10、轴向推力盘12、永磁环13、隔磁铜套14、直线轴承15、螺钉16、密封隔套17组成；上托盘5、下托盘3相同并固定在支撑轴2上，中心轴9上下都设有凹槽，凹槽内粘接两个永磁环13，上托盘5上隔磁铜套14内设有永磁环13，四个永磁环13呈内外径向布置结构，两个相同的上托盘5固定在支撑轴上，中心轴上下都有凹槽，粘接两个永磁环，中心轴上的永磁环与上托盘5上隔磁铜套14内的永磁环13处于同一个平面上。
所述的检测机械部分由底板1、支撑轴2、下托盘3、隔套4、上托盘5、螺母6、承重托盘7、隔套8、中心轴9、轴向轴承定子10、轴向推力盘12、永磁环13、隔磁铜套14、直线轴承15、螺钉16、密封隔套17组成；上托盘5、下托盘3相同并固定在支撑轴2上，中心轴9上下都设有凹槽，凹槽内粘接两个永磁环13，上托盘5上隔磁铜套14内设有永磁环13，四个永磁环13呈径向布置结构，两个相同的上托盘5固定在支撑轴上，中心轴上下都有凹槽，粘接两个永磁环，中心轴上的永磁环与上托盘5上隔磁铜套14内的永磁环13处于上下相吸的位置。
所述的检测机械部分由底板1、支撑轴2、下托盘3、隔套4、螺母6、承重托盘7、隔套8、中心轴9、轴向轴承定子10、线圈11、轴向推力盘12、隔磁铜套14、直线轴承15、螺钉16、密封隔套17组成；两个下托盘3固定在支撑轴2上，中心轴9设有一个小台阶与轴向推力盘12紧配合，推力盘12上下分别设有线圈11，线圈11位于轴向轴承定子10内，采用两个相同的下托盘固定在支撑轴上，中心轴的形状与混合控制的不同，没有凹槽，只有一个小台阶紧配合推力盘，间隙靠更换不同高度的隔套来实现，中心轴靠直线轴承支撑。
本发明能够充分有效地研究单自由度磁悬浮转子在不同参数条件下机械动态特性，不同磁场屏蔽条件下的磁场分布及温度场的分布情况，还可以模拟出在电磁、永磁、永磁电磁混合三种不同条件下磁悬浮转子的不同控制和机械动态特性。通过选用不同的零件组合成不同的结构，可以在同一个实验台架上做不同的轴向悬浮实验，测量转子静止条件下的特性。通过该实验台可以全面地对单自由度磁悬浮转子进行分析和研究，在此基础上便于今后对五自由度磁悬浮硬盘转子的研究。
图1是本发明的三维结构示意2是本发明的总装配工程3是图2局部放大图(永磁电磁混合控制结构图)图4是转子三维示意5是全永磁控制(内外径向永磁环)的结构示意6是全永磁控制(径向永磁环相同)的结构示意7是全电磁控制结构图其中1-底板、2-支撑轴、3-下托盘、4-隔套、5-上托盘、6-螺母、7-承重托盘、8-隔套、9-中心轴、10-轴向轴承定子、11-线圈、12-轴向推力盘、13-永磁环、14-隔磁铜套、15-直线轴承、16-螺钉、17-密封隔套。
实例1本发明的永磁电磁混合控制结构，如图1、图2、图3、图4所示，所述的检测机械部分由底板1、支撑轴2、下托盘3、隔套4、上托盘5、螺母6、承重托盘7、隔套8、中心轴9、轴向轴承定子10、线圈11、轴向推力盘12、永磁环13、隔磁铜套14、直线轴承15、螺钉16、密封隔套17组成；底板1由4个螺栓固定在带有T型槽的支架上，底板有两个通孔，支撑轴2底部与底板1的孔紧配合安装，两个支撑轴2为台阶轴结构，上托盘5、下托盘3固定在支撑轴2上，上托盘5、下托盘3之间为隔套4，上托盘5上面由螺母6紧定；上托盘5固定隔磁铜套14，下托盘3固定轴向轴承定子10，隔磁铜套14与上托盘5过渡配合，通过螺钉16使其与上托盘锁紧，隔磁铜套14内粘接有永磁环13，下托盘3支承固定轴向定子10；承重托盘7由螺钉与中心轴9相固定，轴向推力盘12、直线轴承15与中心轴9相套。上托盘5上面由螺母6紧定，拆卸和装配都很简单，便于更换托架，另外这种结构敞开性好，利于进行各种实验的测量。
如图3所示，本发明的永磁电磁混合控制结构及工作原理下托盘装有直线轴承和轴向定子，定子内装有铜丝缠绕的线圈，直线轴承为法兰式结构，通过4个螺钉固定，轴向定子靠紧定螺钉与下托盘固定，上托盘也类似安装有直线轴承和铜套。中心轴为台阶轴形式，上下端分别由安装在上、下托盘的法兰式直线轴承支承，限制其径向位移，在轴向方向可以灵活地上下运动，中心轴与推力盘采用不同的材料紧配合在一起，中心轴中部还有一凹槽，槽内也用强力胶粘接一个永磁环，永磁环与铜套内的一样，头部用螺钉连接一个承重盘，可以把不同重量的砝码放在承重盘上，中心轴、推力盘、承重盘构成的转子装配图如图4所示。在定子线圈不通电的条件下，上托盘铜套内的磁环与转子的磁环由于有吸力，使中心轴的上台阶面与铜套的端面贴合在一起，当下托盘定子内的线圈通额定电流后产生一个电磁场，这个电磁场会对推力盘产生向下的拉力，通过控制系统调整电磁力的大小，当电磁力与永磁环产生的吸力相当时，转子就会处于悬浮状态。
为了能够实现一个实验台架完成多种组合控制方式的实验工作，实验台的上下托盘设计成可自由拆换配对使用的形式。上托盘主要是用来固定铜套的，下托盘是用来固定轴向轴承定子的，下托盘与上托盘的外形尺寸不同，铜套与上托盘过渡配合，通过螺钉使其与上托盘锁紧，铜套内粘接有永磁环，下托盘用来支承固定轴向定子。
实例2本发明的全永磁控制(内外径向永磁环)的结构，如图5所示，所述的检测机械部分由底板1、支撑轴2、下托盘3、隔套4、上托盘5、螺母6、承重托盘7、隔套8、中心轴9、轴向轴承定子10、轴向推力盘12、永磁环13、隔磁铜套14、直线轴承15、螺钉16、密封隔套17组成；上托盘5、下托盘3相同并固定在支撑轴2上，中心轴9上下都设有凹槽，凹槽内粘接两个永磁环13，上托盘5上隔磁铜套14内设有永磁环13，四个永磁环13呈内外径向布置结构，两个相同的上托盘5固定在支撑轴上，中心轴上下都有凹槽，粘接两个永磁环，中心轴上的永磁环与上托盘5上隔磁铜套14内的永磁环13处于同一个平面上。
本发明的全永磁结构及工作原理采用两个相同的上托盘固定在支撑轴上，中心轴如图所示上下都有凹槽，粘接两个永磁环，永磁环与上托盘铜套内的永磁环规格一样。工作原理对相同的永磁环都两两产生吸力，当控制适当的间隙，可以使中心轴达到悬浮状态。在这种结构中，永磁环还可以采用大环与小环在同一个平面的形式，工作原理和前面的类似。
实例3本发明的全永磁控制(径向永磁环相同)的结构如图6所示，所述的检测机械部分由底板1、支撑轴2、下托盘3、隔套4、上托盘5、螺母6、承重托盘7、隔套8、中心轴9、轴向轴承定子10、轴向推力盘12、永磁环13、隔磁铜套14、直线轴承15、螺钉16、密封隔套17组成；上托盘5、下托盘3相同并固定在支撑轴2上，中心轴9上下都设有凹槽，凹槽内粘接两个永磁环13，上托盘5上隔磁铜套14内设有永磁环13，四个永磁环13呈径向布置结构，两个相同的上托盘5固定在支撑轴上，中心轴上下都有凹槽，粘接两个永磁环，中心轴上的永磁环与上托盘5上隔磁铜套14内的永磁环13处于上下相吸的位置。
本发明的全永磁结构及工作原理采用两个相同的上托盘固定在支撑轴上，中心轴如图所示上下都有凹槽，粘接两个永磁环，永磁环与上托盘铜套内的永磁环规格一样。工作原理对相同的永磁环都两两产生吸力，当控制适当的间隙，可以使中心轴达到悬浮状态。在这种结构中，永磁环还可以采用大环与小环在同一个平面的形式，工作原理和前面的类似。
实例4本发明的全电磁控制结构，如图7所示，所述的检测机械部分由底板1、支撑轴2、下托盘3、隔套4、螺母6、承重托盘7、隔套8、中心轴9、轴向轴承定子10、线圈11、轴向推力盘12、隔磁铜套14、直线轴承15、螺钉16、密封隔套17组成；两个下托盘3固定在支撑轴2上，中心轴9设有一个小台阶与轴向推力盘12紧配合，推力盘12上下分别设有线圈11，线圈11位于轴向轴承定子10内，采用两个相同的下托盘固定在支撑轴上，中心轴的形状与混合控制的不同，没有凹槽，只有一个小台阶紧配合推力盘，间隙靠更换不同高度的隔套来实现，中心轴靠直线轴承支撑。
本发明的全电磁控制结构及工作原理拆下上托盘，采用两个相同的下托盘固定在支撑轴上，中心轴的形状与混合控制的不同，没有凹槽，只有一个小台阶紧配合推力盘，间隙靠更换不同高度的隔套来实现。工作原理上下两个定子内的线圈通额定电流后均产生电磁场，电磁场会对推力盘产生拉力，通过控制系统调整电磁力的大小，当上下电磁力相当时，转子就会处于悬浮状态。采用两个相同的下托盘固定在支撑轴上，中心轴的形状与混合控制的不同，没有凹槽，只有一个小台阶紧配合推力盘，间隙靠更换不同高度的隔套来实现，中心轴靠直线轴承支撑。
权利要求
1.磁悬浮硬盘单自由度性能实验台，它包括控制部分，所述的控制部分由位移传感器、A/D、DSP、D/A及其功率放大器构成，位移传感器与控制部分中的控制器连接；其特征是检测机械部分包括中心轴、磁装置，控制部分与检测机械部分相连接；磁装置为永磁或者电磁或者永磁和电磁，磁装置位于中心轴外；功率放大器与检测机械部分的线圈连接，控制系统通过连接在实验台上的位移传感器检测转子的位移，位移传感器把位移信号转换成电压信号，电压信号反馈到控制器，控制器发出控制信号，信号使功率放大器调整输出电流的大小从而改变电磁铁的电磁力大小，电磁力的改变使转子位移改变。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮硬盘单自由度性能实验台，其特征是所述的检测机械部分由底板(1)、支撑轴(2)、下托盘(3)、隔套(4)、上托盘(5)、螺母(6)、承重托盘(7)、隔套(8)、中心轴(9)、轴向轴承定子(10)、线圈(11)、轴向推力盘(12)、永磁环(13)、隔磁铜套(14)、直线轴承(15)、螺钉(16)、密封隔套(17)组成；底板(1)由4个螺栓固定在带有T型槽的支架上，底板有两个通孔，支撑轴(2)底部与底板(1)的孔紧配合安装，两个支撑轴(2)为台阶轴结构，上托盘(5)、下托盘(3)固定在支撑轴(2)上，上托盘(5)、下托盘(3)之间为隔套(4)，上托盘(5)上面由螺母(6)紧定；上托盘(5)固定隔磁铜套(14)，下托盘(3)固定轴向轴承定子(10)，隔磁铜套(14)与上托盘(5)过渡配合，通过螺钉(16)使其与上托盘锁紧，隔磁铜套(14)内粘接有永磁环(13)，下托盘(3)支承固定轴向定子(10)；承重托盘(7)由螺钉与中心轴(9)相固定，轴向推力盘(12)、直线轴承(15)与中心轴(9)相套。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮硬盘单自由度性能实验台，其特征是所述的检测机械部分由底板(1)、支撑轴(2)、下托盘(3)、隔套(4)、上托盘(5)、螺母(6)、承重托盘(7)、隔套(8)、中心轴(9)、轴向轴承定子(10)、轴向推力盘(12)、永磁环(13)、隔磁铜套(14)、直线轴承(15)、螺钉(16)、密封隔套(17)组成；上托盘(5)、下托盘(3)相同并固定在支撑轴(2)上，中心轴(9)上下都设有凹槽，凹槽内粘接两个永磁环(13)，上托盘(5)上隔磁铜套(14)内设有永磁环(13)，四个永磁环(13)呈内外径向布置结构，两个相同的上托盘(5)固定在支撑轴上，中心轴上下都有凹槽，粘接两个永磁环，中心轴上的永磁环与上托盘(5)上隔磁铜套(14)内的永磁环(13)处于同一个平面上。
4.根据权利要求1所述的磁悬浮硬盘单自由度性能实验台，其特征是所述的检测机械部分由底板(1)、支撑轴(2)、下托盘(3)、隔套(4)、上托盘(5)、螺母(6)、承重托盘(7)、隔套(8)、中心轴(9)、轴向轴承定子(10)、轴向推力盘(12)、永磁环(13)、隔磁铜套(14)、直线轴承(15)、螺钉(16)、密封隔套(17)组成；上托盘(5)、下托盘(3)相同并固定在支撑轴(2)上，中心轴(9)上下都设有凹槽，凹槽内粘接两个永磁环(13)，上托盘(5)上隔磁铜套(14)内设有永磁环(13)，四个永磁环(13)呈径向布置结构，两个相同的上托盘(5)固定在支撑轴上，中心轴上下都有凹槽，粘接两个永磁环，中心轴上的永磁环与上托盘(5)上隔磁铜套(14)内的永磁环(13)处于上下相吸的位置。
5.根据权利要求1所述的磁悬浮硬盘单自由度性能实验台，其特征是所述的检测机械部分由底板(1)、支撑轴(2)、下托盘(3)、隔套(4)、螺母(6)、承重托盘(7)、隔套(8)、中心轴(9)、轴向轴承定子(10)、线圈(11)、轴向推力盘(12)、隔磁铜套(14)、直线轴承(15)、螺钉(16)、密封隔套(17)组成；两个下托盘(3)固定在支撑轴(2)上，中心轴(9)设有一个小台阶与轴向推力盘(12)紧配合，推力盘(12)上下分别设有线圈(11)，线圈(11)位于轴向轴承定子(10)内，2个下托盘(3)固定在支撑轴(2)上，中心轴(2)的一个小台阶与推力盘(12)紧配合，中心轴(2)由直线轴承(15)支撑。
全文摘要
本发明涉及一种实验台。磁悬浮硬盘单自由度性能实验台，它包括控制部分，所述的控制部分由位移传感器、A/D、DSP、D/A及其功率放大器构成，其特征是检测机械部分包括中心轴、磁装置，控制部分与检测机械部分相连接；磁装置为永磁或者电磁或者永磁和电磁，磁装置位于中心轴外；功率放大器与线圈连接，控制系统通过连接在实验台上的位移传感器检测转子的位移，传感器把位移信号转换成电压信号，电压信号反馈到控制器，控制器发出控制信号，信号使功率放大器调整输出电流的大小从而改变电磁铁的电磁力大小，电磁力的改变使转子位移改变。本发明可以做不同的轴向悬浮实验，测量转子静止条件下的特性。
文档编号G12B5/00GK1434460SQ0311850
公开日2003年8月6日 申请日期2003年1月21日 优先权日2003年1月21日
发明者胡业发, 周祖德, 王晓光, 江征风 申请人:武汉理工大学