專利名稱：一種單軸控制式五自由度微型磁軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非機械接觸的五自由度磁軸承，特指一種五自由度微型磁軸承， 可作為諸如磁懸浮微型電機、商業(yè)硬盤驅(qū)動器、微型渦輪機、人工心臟軸流泵、航天器用磁懸浮儲能飛輪系統(tǒng)之類要求高速、潔凈無污染、長壽命的機械設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備及衛(wèi)星、航天器中微型旋轉(zhuǎn)部件等工作場合的無接觸懸浮支承。
背景技術(shù)：
微型磁軸承是一種利用定子與轉(zhuǎn)子之間的磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空間的機電一體化精密產(chǎn)品，適用于具有空間限制的高速、超潔凈和真空等特殊場合，為使轉(zhuǎn)子能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的懸浮，需要在五自由度上都要進行約束。磁軸承的結(jié)構(gòu)一般都包括定子和轉(zhuǎn)子，在定子上纏繞控制線圈，對控制線圈進行通電產(chǎn)生磁通，利用定子與轉(zhuǎn)子之間的磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子的主動控制。因此，需要多個定子和線圈，以及相應(yīng)的多個傳感器才能實現(xiàn)各自由度的主動控制，導致磁軸承的結(jié)構(gòu)尺寸較大，各自由度懸浮力之間需要復(fù)雜的解耦控制，且磁軸承功耗高、成本高，因此不適用于有空間限制要求的工作場合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)中磁軸承的結(jié)構(gòu)尺寸較大，不能應(yīng)用于有空間限制要求場合的不足，提出一種單軸控制式五自由度微型磁軸承，從結(jié)構(gòu)上減小磁軸承的體積、降低磁軸承功耗。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案是轉(zhuǎn)子同軸固接轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)子上空套永磁體，轉(zhuǎn)軸上空套有左右布置的2個相同的法蘭盤，2個法蘭盤間設(shè)有1個轉(zhuǎn)子、2個環(huán)形的定子磁軛、軸向充磁的1個環(huán)形永磁體和2個軸向控制線圈；法蘭盤的內(nèi)側(cè)面與轉(zhuǎn)子的兩個端面之間具有軸向氣隙；定子磁軛固定設(shè)置于永磁體的軸向兩側(cè)；2個法蘭盤、2個定子磁軛以及永磁體的外徑均相等；2個軸向控制線圈設(shè)置于2個定子磁軛與2個法蘭盤構(gòu)成的空腔內(nèi)且相對于轉(zhuǎn)子左右對稱；轉(zhuǎn)軸的軸向一側(cè)設(shè)有傳感器；永磁體產(chǎn)生靜態(tài)偏磁磁通，靜態(tài)偏磁磁通是從永磁體N極流出、依次經(jīng)一側(cè)的定子磁軛、法蘭盤、軸向氣隙后進入轉(zhuǎn)子，再進入另一側(cè)的軸向氣隙、法蘭盤、定子磁軛，回到永磁體S極的閉環(huán)磁回路；軸向控制線圈通以控制電流產(chǎn)生軸向控制磁通，軸向控制磁通是依次經(jīng)定子磁軛、法蘭盤、軸向氣隙、轉(zhuǎn)子、回到定子磁軛的閉環(huán)磁回路。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于
1、本發(fā)明將現(xiàn)有的大尺寸的磁軸承微型化，微型的過程中考慮簡單控制，精簡結(jié)構(gòu)，降低成本等因素，因此，本發(fā)明減少主動控制的自由度數(shù)目，提出了被動懸浮控制，無需采用定子上通過纏繞控制線圈進行通電來實現(xiàn)主動控制。2、區(qū)別于傳統(tǒng)磁軸承或無軸承電機，本發(fā)明采用被動磁軸承和主動磁軸承相結(jié)合的辦法，只在一個自由度(繞軸向Z軸平動)采用主動控制，而其它自由度(繞徑向X、Y軸平動及繞χ、γ軸扭轉(zhuǎn))采用被動控制，使轉(zhuǎn)子實現(xiàn)五自由度懸浮。相比于全部采用主動控制的五自由度磁軸承，本發(fā)明大大減少了系統(tǒng)所需的電磁鐵及各個自由度采取閉環(huán)控制方法所采用的傳感器的數(shù)目，且針對微型磁軸承的懸浮力較小的特點，只在軸向單自由度采取主動控制，而其它四自由度采取的被動控制，無需進行各個自由度之間的懸浮力解耦控制，因此本發(fā)明簡化了磁軸承的控制方案，降低了磁軸承的控制成本，減少了磁軸承的功率損耗， 提高了磁軸承的整體效率。3、本發(fā)明可達到很高的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、成本低、控制簡單、機械磨損小、壽命長、無污染等優(yōu)點，提高了磁軸承的承載力和工作性能、擴大了磁軸承的應(yīng)用領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明單軸控制式五自由度微型磁軸承軸向截面圖及軸向控制原理圖； 圖2為圖1中的A-A剖視圖3為圖1所示的本發(fā)明微型磁軸承被動懸浮徑向恢復(fù)力的結(jié)構(gòu)原理圖； 圖4為圖1所示的本發(fā)明微型磁軸承被動懸浮徑向恢復(fù)力矩的結(jié)構(gòu)原理圖； 圖5為圖1所示的本發(fā)明微型磁軸承軸向主動懸浮的結(jié)構(gòu)原理圖； 圖中1.永磁體；2.定子磁軛；3.法蘭盤；4.軸向控制線圈；5.轉(zhuǎn)子；6.轉(zhuǎn)軸；7.傳感器；8.靜態(tài)偏磁磁通；9.軸向控制磁通；10.軸向氣隙。
具體實施例方式如圖1及圖2所示，本發(fā)明由1個永磁體1、2個相同的定子磁軛2、2個相同的法蘭盤3、2個相同的軸向控制線圈4、1個轉(zhuǎn)子5、1個轉(zhuǎn)軸6和1個傳感器7構(gòu)成。2個相同的法蘭盤3均空套在轉(zhuǎn)軸6上且左右布置，法蘭盤3為常用的階梯狀結(jié)構(gòu)，在2個相同的法蘭盤3之間設(shè)置轉(zhuǎn)子5、2個相同的定子磁軛2、1個永磁體1和2個相同的軸向控制線圈4， 其中，轉(zhuǎn)子5同軸固定在轉(zhuǎn)軸6上，由圓形硅鋼片疊壓在轉(zhuǎn)軸6上，并且在2個相同的法蘭盤3的內(nèi)側(cè)面與轉(zhuǎn)子5的兩個端面之間留有軸向氣隙10。轉(zhuǎn)子5上空套1個永磁體1，永磁體1為軸向充磁的環(huán)形永磁體，一端是N極，另一端是S極。在軸向上，位于永磁體1的軸向兩側(cè)，與2個相同的法蘭盤3內(nèi)壁之間的空間各固定設(shè)置1個環(huán)形的定子磁軛2，即本發(fā)明的法蘭盤3內(nèi)側(cè)聯(lián)接定子磁軛2，永磁體1被疊壓在具有對稱結(jié)構(gòu)的2個相同的定子磁軛2之間。2個法蘭盤3、2個定子磁軛2以及永磁體1的外徑均相等，2個定子磁軛2與永磁體1的內(nèi)徑相等。在2個定子磁軛2與2個法蘭盤3構(gòu)成的空腔內(nèi)設(shè)置2個相同的軸向控制線圈4，2個相同的軸向控制線圈4相對于轉(zhuǎn)子5左右對稱。在轉(zhuǎn)軸6的軸向一側(cè)安置傳感器7，用于檢測轉(zhuǎn)子5的軸向位移。根據(jù)磁回路要求，磁路部件需導磁性能良好，磁滯低，并盡量降低渦流損耗與磁滯損耗，由此確定轉(zhuǎn)子5采用硅鋼片疊壓而成，而定子磁軛2、法蘭盤3采用電工純鐵加工而成，永磁體1采用高性能稀土材料釹鐵硼。本發(fā)明由永磁體1產(chǎn)生靜態(tài)偏磁磁通8 (參見圖1中帶箭頭的虛線磁路)，靜態(tài)偏磁磁通8從永磁體1的N極流出，依次經(jīng)過一側(cè)的定子磁軛2、法蘭盤3、軸向氣隙10后進入轉(zhuǎn)子5，然后進入另一側(cè)的軸向氣隙10、法蘭盤3、定子磁軛2、最后回到永磁體1的S極，形成閉環(huán)磁回路結(jié)構(gòu)。軸向控制線圈4通以控制電流產(chǎn)生軸向控制磁通9 (參見圖1中帶箭頭的實線磁路)，軸向控制磁通9依次經(jīng)過定子磁軛2、法蘭盤3、軸向氣隙10后進入轉(zhuǎn)子 5，然后回到定子磁軛2，形成閉環(huán)磁回路結(jié)構(gòu)。如圖3所示，當轉(zhuǎn)子5在徑向二自由度方向(X、Y)受到干擾而偏離平衡位置時，根據(jù)磁阻力特性可知，永磁體1提供的靜態(tài)偏磁磁通8產(chǎn)生恢復(fù)力F，其方向為X軸正方向。 使轉(zhuǎn)子5回到平衡位置。如圖4所示，當轉(zhuǎn)子5在徑向扭轉(zhuǎn)二自由度方向( 0、Φ分別為繞X、Y軸的扭轉(zhuǎn)角度)，受到干擾而偏離平衡位置位置時，利用轉(zhuǎn)子5的外徑相對于轉(zhuǎn)子5的軸向長度較短的結(jié)構(gòu)特點和磁阻力總是有使磁路磁阻最小的性質(zhì)，永磁體1 提供的靜態(tài)偏磁磁通8產(chǎn)生恢復(fù)扭轉(zhuǎn)力矩Μ，其方向為繞Y軸正方向扭轉(zhuǎn)方向，使轉(zhuǎn)子5回到平衡位置。如圖5所示，當轉(zhuǎn)子5在軸向單自由度方向(Z)受到干擾偏離平衡位置時，通過傳感器7反饋微型磁軸承的位移情況，調(diào)節(jié)左右軸向控制線圈4的電流，從而調(diào)節(jié)軸向氣隙10 中的軸向控制磁通9，圖5所示的是調(diào)節(jié)了左側(cè)的軸向氣隙10使其增大，使右側(cè)的軸向氣隙 10減小，始終使轉(zhuǎn)子保持在軸向平衡位置。因此，本發(fā)明將被動懸浮控制(針對徑向四自由度)和主動懸浮控制(針對軸向單自由度)相結(jié)合，在徑向二自由度和扭轉(zhuǎn)方向的二自由度采用被動控制，軸向通過控制線圈 4通直流電提供軸向控制磁通實現(xiàn)轉(zhuǎn)子5的軸向懸浮力的閉環(huán)控制，最終實現(xiàn)轉(zhuǎn)子5的穩(wěn)定懸浮。只利用軸向一個自由度控制微型磁軸承五自由度穩(wěn)定懸浮，徑向四自由度依靠轉(zhuǎn)子5自身磁阻力實現(xiàn)被動懸??；軸向一個自由度通過調(diào)節(jié)軸向控制線圈4中電流的大小來改變軸向左右氣隙10處磁通的大小，進而改變轉(zhuǎn)子5軸向左右兩側(cè)受力的大小，使轉(zhuǎn)子處于平衡位置，實現(xiàn)主動懸浮。當轉(zhuǎn)子5處于平衡位置時，左右兩側(cè)軸向氣隙10中靜態(tài)偏置磁通8和軸向控制磁通9兩部分疊加合成磁通密度相等；利用轉(zhuǎn)子5外徑相對于轉(zhuǎn)子5的軸向長度較短的結(jié)構(gòu)特點和磁阻力總是使磁路磁阻最小的原理，當轉(zhuǎn)子5有徑向位移或傾斜，磁阻力都會作用使其回到平衡位置。根據(jù)以上所述，便可以實現(xiàn)本發(fā)明。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離本發(fā)明的精神和保護范圍的情況下做出的其它的變化和修改，仍包括在本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種單軸控制式五自由度微型磁軸承，轉(zhuǎn)子(5)同軸固接轉(zhuǎn)軸(6)，轉(zhuǎn)子(5)上空套永磁體(1)，其特征是轉(zhuǎn)軸(6)上空套有左右布置的2個相同的法蘭盤(3)，2個法蘭盤 (3)之間設(shè)有1個轉(zhuǎn)子(5)、2個環(huán)形的定子磁軛(2)、軸向充磁的1個環(huán)形永磁體(1)和2 個軸向控制線圈(4)；法蘭盤(3)的內(nèi)側(cè)面與轉(zhuǎn)子(5)的兩個端面之間具有軸向氣隙(10)； 定子磁軛(2)固定設(shè)置于永磁體(1)的軸向兩側(cè)；2個法蘭盤(3)、2個定子磁軛(2)以及永磁體(1)的外徑均相等；2個軸向控制線圈(4)設(shè)置于2個定子磁軛(2)與2個法蘭盤(3) 構(gòu)成的空腔內(nèi)且相對于轉(zhuǎn)子(5)左右對稱；轉(zhuǎn)軸(6)的軸向一側(cè)設(shè)有傳感器(7);永磁體(1) 產(chǎn)生靜態(tài)偏磁磁通(8)，靜態(tài)偏磁磁通(8)是從永磁體(1)的N極流出、依次經(jīng)一側(cè)的定子磁軛(2)、法蘭盤(3)、軸向氣隙(10)后進入轉(zhuǎn)子(5)，再進入另一側(cè)的軸向氣隙(10)、法蘭盤(3)、定子磁軛(2)、回到永磁體(1)的S極的閉環(huán)磁回路；軸向控制線圈(4)通電流產(chǎn)生軸向控制磁通(9)，軸向控制磁通(9)是依次經(jīng)定子磁軛(2)、法蘭盤(3)、軸向氣隙(10)、轉(zhuǎn)子(5)、回到定子磁軛(2)的閉環(huán)磁回路。
全文摘要
本發(fā)明公開一種單軸控制式五自由度微型磁軸承，用于有空間限制要求的工作場合，轉(zhuǎn)軸上空套左右布置的2個相同的法蘭盤，2個法蘭盤間設(shè)有1個轉(zhuǎn)子、2個環(huán)形的定子磁軛、軸向充磁的1個環(huán)形永磁體和2個軸向控制線圈；法蘭盤的內(nèi)側(cè)面與轉(zhuǎn)子的兩個端面之間具有軸向氣隙；定子磁軛固定設(shè)置于永磁體的軸向兩側(cè)；2個軸向控制線圈設(shè)置于2個定子磁軛與2個法蘭盤構(gòu)成的空腔內(nèi)且相對于轉(zhuǎn)子左右對稱；轉(zhuǎn)軸的軸向一側(cè)設(shè)有傳感器；永磁體產(chǎn)生閉環(huán)靜態(tài)偏磁磁通，軸向控制線圈產(chǎn)生閉環(huán)軸向控制磁通；采用被動磁軸承和主動磁軸承相結(jié)合，將現(xiàn)有的大尺寸磁軸承微型化，具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、控制簡單等優(yōu)點，提高承載力和工作性能、擴大了應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號F16C32/04GK102297202SQ20111023289
公開日2011年12月28日 申請日期2011年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月15日
發(fā)明者張維煜, 朱熀秋, 楊益飛 申請人:江蘇大學