一種永磁偏置外轉(zhuǎn)子四自由度主被動(dòng)混合磁軸承的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種非接觸磁軸承，特別是一種徑向平動(dòng)、徑向扭轉(zhuǎn)四自由度主動(dòng)控制、軸向平動(dòng)一自由度被動(dòng)懸浮的永磁偏置外轉(zhuǎn)子四自由度主被動(dòng)混合磁軸承，可作為磁懸浮飛輪、磁懸浮控制力矩陀螺等機(jī)械設(shè)備中轉(zhuǎn)子的無(wú)接觸支承。
【背景技術(shù)】
[0002]磁懸浮軸承是一種新型高性能支承結(jié)構(gòu)，具有非接觸、無(wú)磨損、不需潤(rùn)滑、微振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，是高精度、長(zhǎng)壽命、高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的理想支承方式。磁懸浮軸承根據(jù)懸浮力的提供形式可分為電磁磁軸承和永磁磁軸承，其中電磁磁軸承可以通過(guò)改變激磁線(xiàn)圈的控制電流改變懸浮力的大小，因此又稱(chēng)其為主動(dòng)磁軸承；永磁磁軸承靠永磁體之間的作用力或永磁體與磁性材料的磁阻力進(jìn)行懸浮支承，懸浮力不可以主動(dòng)控制，因此又稱(chēng)其為被動(dòng)磁軸承。主動(dòng)磁軸承控制精度高，承載力大，轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)特性主動(dòng)可控，但是其開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定，需要一套由傳感器、控制器、功放等組成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，功耗大，受空間環(huán)境和電子器件的影響可靠性低；被動(dòng)磁軸承懸浮精度不如主動(dòng)磁軸承高，但是其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要控制系統(tǒng)，不消耗能量，可靠性高。主被動(dòng)混合磁軸承結(jié)合了兩者優(yōu)點(diǎn)，在精度、穩(wěn)定性要求高的自由度采用主動(dòng)磁軸承控制，在控制性能要求不嚴(yán)格的自由度采用被動(dòng)磁軸承支承，從而實(shí)現(xiàn)磁軸承總體性能最優(yōu)。
[0003]僅靠永磁被動(dòng)力不能實(shí)現(xiàn)五自由度的全懸浮支承，需要至少在一個(gè)自由度上進(jìn)行主動(dòng)控制，因此磁軸承可以根據(jù)主動(dòng)控制的自由度個(gè)數(shù)來(lái)劃分，包括:一自由度主被動(dòng)混合磁軸承、一.自由度王被動(dòng)混合磁軸承、二自由度王被動(dòng)混合磁軸承、四自由度王被動(dòng)混合磁軸承和五自由度全主動(dòng)磁軸承。一般情況下，被動(dòng)自由度的個(gè)數(shù)越多，系統(tǒng)的控制越簡(jiǎn)單，體積重量也越小；主動(dòng)自由度的個(gè)數(shù)越多，需要的控制越復(fù)雜，體積重量也越大。被動(dòng)磁軸承對(duì)轉(zhuǎn)子的控制力是與位移有關(guān)的回復(fù)力，缺少與速度有關(guān)的阻尼作用，因此被動(dòng)自由度抗外部擾動(dòng)的能力差，容易與周期性干擾形成共振。為解決被動(dòng)磁軸承無(wú)阻尼的問(wèn)題，需要增加外部阻尼器。阻尼器可分為接觸式阻尼器和非接觸阻尼器。對(duì)于高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，為了保持轉(zhuǎn)子不接觸懸浮支承的特點(diǎn)，首選非接觸式阻尼器。磁阻尼器是典型的非接觸式阻尼器之一，其工作原理也與磁軸承類(lèi)似，便于與磁軸承集成設(shè)計(jì)。因此，對(duì)主被動(dòng)混合磁軸承進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，使被動(dòng)自由度具有磁阻尼的能力，對(duì)提高主被動(dòng)混合磁軸承的控制精度和推廣主被動(dòng)混合磁軸承的應(yīng)用范圍具有現(xiàn)實(shí)的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種體積小、集成度高、被動(dòng)自由度阻尼作用大的永磁偏置外轉(zhuǎn)子四自由度主被動(dòng)混合磁軸承。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是:一種永磁偏置外轉(zhuǎn)子四自由度主被動(dòng)混合磁軸承，由定子鐵心(I)、激磁線(xiàn)圈(2)、工作氣隙(3)、轉(zhuǎn)子鐵心(4)、定子永磁體
(5)、轉(zhuǎn)子永磁體(6)、轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體(7)、定子導(dǎo)磁體(8)、被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)(9)、被動(dòng)部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(10)、被動(dòng)磁間隙(11)、阻尼線(xiàn)圈(12)組成，其中8個(gè)定子鐵心(I)組成磁軸承A、B兩端8個(gè)磁極，其中每端4個(gè)定子鐵心(I)組成了磁軸承X、Y正負(fù)方向上的定子磁極，它們之間通過(guò)定子導(dǎo)磁體(8)連接，每個(gè)定子磁極繞制有激磁線(xiàn)圈(2)，定子鐵心(I)外部為整環(huán)的轉(zhuǎn)子鐵心(4)，定子鐵心(I)外表面與轉(zhuǎn)子鐵心(4)內(nèi)表面留有一定的間隙，形成工作氣隙(3)，轉(zhuǎn)子鐵心(4)外部為轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體(7)，兩個(gè)轉(zhuǎn)子永磁體(6)位于上下兩個(gè)轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體(7)之間，兩個(gè)轉(zhuǎn)子永磁體(6)之間由中間的轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體(7)連接，中間的轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體(7)內(nèi)表面在徑向內(nèi)側(cè)方向上突出兩個(gè)被動(dòng)部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(10)，兩個(gè)定子永磁體
[5]位于上下2個(gè)定子導(dǎo)磁體(8)之間，兩個(gè)定子永磁體(5)之間由中間的定子導(dǎo)磁體(8)連接，中間的定子導(dǎo)磁體(8)外表面在徑向外側(cè)方向上突出兩個(gè)被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)(9)，被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)(9)外表面與被動(dòng)部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(10)內(nèi)表面留有一定的間隙，形成被動(dòng)磁間隙(11)，在兩個(gè)被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)(9)之間的定子導(dǎo)磁體(8)上繞制阻尼線(xiàn)圈
(12)，所述的軸向阻尼線(xiàn)圈(12)可以為軸向平動(dòng)自由度提供磁阻尼控制力，且有兩種基本的提供阻尼的方法:其一是通過(guò)外部電阻將阻尼線(xiàn)圈(12)閉合，轉(zhuǎn)子軸向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致通過(guò)阻尼線(xiàn)圈(12)的永磁磁通變化，在阻尼線(xiàn)圈(12)內(nèi)出現(xiàn)與轉(zhuǎn)子軸向運(yùn)動(dòng)具有一定相位差的感應(yīng)電流，形成一定的被動(dòng)阻尼作用；其二是通過(guò)對(duì)阻尼線(xiàn)圈(12)的主動(dòng)控制為軸向平動(dòng)提供主動(dòng)阻尼，此時(shí)需要一套閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，由阻尼線(xiàn)圈(12)改變被動(dòng)磁間隙(11)處的磁通量及其形成的軸向平動(dòng)回復(fù)力，即可以提供主動(dòng)磁阻尼。
[0006]所述的定子鐵心(I)和轉(zhuǎn)子鐵心(4)的軸向長(zhǎng)度相等。
[0007]所述的被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)(9)和被動(dòng)部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(10)的軸向長(zhǎng)度相等。
[0008]所述的定子永磁體(5)和轉(zhuǎn)子永磁體(6)幾何尺寸、材料和充磁強(qiáng)度相同，永磁體沿軸向充磁；兩個(gè)定子永磁體(5)的充磁方向相同，兩個(gè)轉(zhuǎn)子永磁體(6)的充磁方向相同，定子永磁體(5)和轉(zhuǎn)子永磁體￠)的充磁方向相反，由此形成閉環(huán)的永磁磁路。
[0009]所述的定子永磁體(5)和轉(zhuǎn)子永磁體(6)采用稀土永磁材料或鐵氧體永磁材料制成。
[0010]所述的定子導(dǎo)磁體(7)、轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體(8)、被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)(9)、被動(dòng)部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(10)均采用導(dǎo)磁性能良好的材料，如電工純鐵、1J50或硅鋼任意一種制成。
[0011]本發(fā)明的基本原理是:轉(zhuǎn)子永磁體、轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體、轉(zhuǎn)子磁極、工作氣隙、定子磁極、定子導(dǎo)磁體、定子永磁體構(gòu)成永磁磁路，用以在工作氣隙處形成永磁偏置磁場(chǎng)，承擔(dān)磁軸承所受的徑向力；轉(zhuǎn)子永磁體和定子永磁磁阻大，起到隔離電勵(lì)磁磁通的作用，每一端X、Y正方向的定子磁極、工作氣隙、轉(zhuǎn)子磁極通過(guò)導(dǎo)磁體與負(fù)方向的轉(zhuǎn)子磁極、工作氣隙、定子磁極構(gòu)成電勵(lì)磁磁路，提供磁軸承徑向的主動(dòng)控制力；定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心的軸向長(zhǎng)度相等，工作氣隙的永磁偏置磁場(chǎng)提供軸向平動(dòng)自由度的被動(dòng)懸浮力；轉(zhuǎn)子軸向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致工作氣隙變化，永磁磁路的磁阻隨之變化，進(jìn)而永磁磁通也隨著變化，由于永磁磁通穿過(guò)了阻尼線(xiàn)圈，在阻尼線(xiàn)圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，將阻尼線(xiàn)圈通過(guò)外加電阻閉合，阻尼線(xiàn)圈內(nèi)形成感應(yīng)電流，此感應(yīng)電流與轉(zhuǎn)子的軸向運(yùn)動(dòng)存在相位差，感應(yīng)電流對(duì)轉(zhuǎn)子軸向運(yùn)動(dòng)具有阻尼的作用。此外，通過(guò)對(duì)阻尼線(xiàn)圈進(jìn)行主動(dòng)控制，可以為軸向自由度提供主動(dòng)控制作用，包括磁阻尼作用。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0013](I)本發(fā)明的永磁偏置外轉(zhuǎn)子四自由度主被動(dòng)混合磁軸承可以根據(jù)需要改變主動(dòng)控制的自由度個(gè)數(shù)，如當(dāng)僅對(duì)轉(zhuǎn)子的徑向平動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制時(shí)，可以形成徑向平動(dòng)兩自由度主動(dòng)控制、徑向扭轉(zhuǎn)和軸向平動(dòng)被動(dòng)控制的二自由度主被動(dòng)混合磁軸承；當(dāng)對(duì)轉(zhuǎn)子的徑向平動(dòng)和一個(gè)徑向扭轉(zhuǎn)方向進(jìn)行主動(dòng)控制而其他自由度被動(dòng)控制時(shí)，可以形成三自由度主被動(dòng)混合磁軸承；當(dāng)僅對(duì)轉(zhuǎn)子的徑向平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)進(jìn)行主動(dòng)控制時(shí)，可以形成四自由度主被動(dòng)磁軸承混合磁軸承；當(dāng)對(duì)轉(zhuǎn)子的徑向平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)進(jìn)行主動(dòng)控制，同時(shí)通過(guò)阻尼線(xiàn)圈為軸向平動(dòng)提供一定的主動(dòng)控制作用，則可以形成類(lèi)似于五自由度的全主動(dòng)懸浮。
[0014](2)軸向阻尼線(xiàn)圈可以為軸向平動(dòng)自由度提供磁阻尼控制力，相比于現(xiàn)有的軸向被動(dòng)磁懸浮軸承，軸向運(yùn)動(dòng)具有更高的穩(wěn)定性和精度。
[0015](3)本發(fā)明采用一體化的磁軸承結(jié)構(gòu)，磁軸承軸向尺寸小，制造和安裝方便。
[0016](4)以本發(fā)明為基本的結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)改變永磁體的位置和個(gè)數(shù)，可以變異出一系列性能具有不同側(cè)重點(diǎn)的一體化主被動(dòng)混合磁軸承。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明的永磁偏置外轉(zhuǎn)子四自由度主被動(dòng)混合磁軸承軸向截面圖；
[0018]圖2為本發(fā)明的永磁偏置外轉(zhuǎn)子四自由度主被動(dòng)混合磁軸承端面圖；
[0019]圖3為本發(fā)明的永磁偏置外轉(zhuǎn)子四自由度主被動(dòng)混合磁軸承軸向主動(dòng)磁阻尼控制策略流程圖。