專利名稱：采用準(zhǔn)懸浮電機的基于力控制磁懸浮系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種采用準(zhǔn)懸浮電機的基于力控制磁懸浮系統(tǒng)，屬于磁懸浮技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，在磁懸浮控制系統(tǒng)中主要通過控制轉(zhuǎn)子偏離其平衡位置的位移量，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子無接觸狀態(tài)下的穩(wěn)定懸浮，這種控制系統(tǒng)稱之為基于位移控制的磁懸浮系統(tǒng)。它的主要原理是通過傳感器檢測出轉(zhuǎn)子偏離參考點的位移后，控制器將檢測到的位移量變換成控制信號，然后功率放大器將這一控制信號轉(zhuǎn)換成控制電流，控制電流在執(zhí)行電磁鐵中產(chǎn)生磁力從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子返回到原來的平衡位置，維持其穩(wěn)定懸浮位置不變。目前基于位移控制的磁懸浮系統(tǒng)在各類高速旋轉(zhuǎn)機械中得到越來越廣泛的應(yīng)用。它具有無直接接觸摩擦、無需潤滑和密封以及可以主動控制等優(yōu)點，由于沒有機械摩擦和 磨損，所以降低了工作能耗和噪聲，延長了軸承的使用壽命；動力損耗小，更適用于高速運轉(zhuǎn)場合；由于不需要潤滑系統(tǒng)，所以無污染，可應(yīng)用于真空超凈，腐蝕性介質(zhì)以及極端溫度和壓力等特殊工作環(huán)境。然而，隨著精密轉(zhuǎn)子朝著高速度、高精度、自動化和智能化的方向發(fā)展，傳統(tǒng)基于位移控制的磁懸浮系統(tǒng)的性能已經(jīng)不能滿足高速精密轉(zhuǎn)子的需求，因為基于位移控制的磁懸浮系統(tǒng)具有如下缺點第一，基于位移控制的磁懸浮系統(tǒng)本質(zhì)是不穩(wěn)定系統(tǒng)，必須采取控制措施保證系統(tǒng)穩(wěn)定，控制系統(tǒng)設(shè)計難度大；第二，基于位移控制的磁懸浮系統(tǒng)在發(fā)生掉電時，轉(zhuǎn)子的突然墜落對轉(zhuǎn)子和磁力軸承產(chǎn)生很大的沖擊，會對轉(zhuǎn)子和磁力軸承帶來致命的傷害。為了避免對磁懸浮系統(tǒng)造成傷害，必須提供附加保護軸承和掉電保護裝置，系統(tǒng)復(fù)雜、成本高；第三，基于位移控制的磁懸浮系統(tǒng)的位移傳感器不能直接安裝在磁力軸承位置上，因而不能直接測得磁力軸承處的位移，這不僅導(dǎo)致各傳感器信號之間的相互耦合，降低控制精度，而且，機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)也變得很復(fù)雜；第四，基于位移控制的磁懸浮系統(tǒng)的位移傳感器測量精度受制于轉(zhuǎn)軸表面的加工精度和轉(zhuǎn)軸的撓度；第五，由于基于位移控制的磁懸浮系統(tǒng)的磁力軸承的承載力僅由磁力軸承提供，因此很難獲得很高的承載能力，也難于實現(xiàn)高剛度；第六，基于位移控制的磁懸浮系統(tǒng)在磁懸浮轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮之前，需要提供較大的起浮力用來克服重力，也就是需要給電磁鐵提供較大的起浮電流，才能使轉(zhuǎn)子達(dá)到穩(wěn)定的懸浮位置，因此對控制系統(tǒng)要求較高。由于基于位移控制的磁懸浮系統(tǒng)具有上述缺點，這在很大程度上限制了高速精密轉(zhuǎn)子的發(fā)展，因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進和發(fā)展。

實用新型內(nèi)容本實用新型為了克服以上技術(shù)的不足，針對現(xiàn)有磁懸浮控制系統(tǒng)中存在的性能與設(shè)計方面的不足，旨在提供一種采用準(zhǔn)懸浮電機的基于力控制磁懸浮系統(tǒng)，該系統(tǒng)測量精度高，能夠保證控制精度，承載能力強，剛度高。[0007]本實用新型解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是采用準(zhǔn)懸浮電機的基于力控制磁懸浮系統(tǒng)，其特征是，包括機械裝置和控制系統(tǒng)，所述機械裝置包括測力軸承、準(zhǔn)懸浮電機和轉(zhuǎn)子，所述控制系統(tǒng)包括電壓放大器、控制器和功率放大器；所述轉(zhuǎn)子的兩端分別設(shè)置有測力軸承，所述準(zhǔn)懸浮電機設(shè)置在兩個測力軸承之間；所述電壓放大器的輸入端與測力軸承連接，輸出端與控制器的輸入端連接，所述控制器的輸出端與功率放大器的輸入端連接，所述功率放大器的輸出端與準(zhǔn)懸浮電機連接。所述測力軸承用以測量轉(zhuǎn)子作用在測力軸承上的徑向力。所述準(zhǔn)懸浮電機包括套置在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩線圈繞組和準(zhǔn)懸浮線圈繞組，所述轉(zhuǎn)矩線圈繞組產(chǎn)生實現(xiàn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩，所述準(zhǔn)懸浮線圈繞組產(chǎn)生作用在轉(zhuǎn)子上的徑向電磁控制力。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益效果該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活，性能穩(wěn)定，控制器設(shè)計簡單；轉(zhuǎn)子與測力軸承處于準(zhǔn)懸浮狀態(tài)，減摩能力可與位移控制磁懸浮軸承媲美，減摩降阻性能可與位移控制磁懸浮軸承媲美，同樣具有少無摩擦，能耗低的優(yōu)點；可以直接測力，不受軸加工表面的精度和軸的撓度的影響，測量精度高，能夠保證控制 精度；只需控制電流，無需偏置電流，電源簡單，成本低；可以取消輔助軸承，結(jié)構(gòu)簡化，本身就具有掉電時的自我保護作用；測力軸承不僅具有測力功能，而且還起到支撐轉(zhuǎn)子的軸承的作用，承載能力強、剛度高。

圖I為本實用新型的控制原理框圖；圖2為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中I測力軸承，2準(zhǔn)懸浮電機，3轉(zhuǎn)子。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的描述如圖I和圖2所示，一種采用準(zhǔn)懸浮電機的基于力控制磁懸浮系統(tǒng)，包括機械裝置和控制系統(tǒng)，所述機械裝置包括測力軸承I、準(zhǔn)懸浮電機2和轉(zhuǎn)子3，所述控制系統(tǒng)包括電壓放大器、控制器和功率放大器；所述轉(zhuǎn)子3的兩端分別設(shè)置有測力軸承1，所述準(zhǔn)懸浮電機2設(shè)置在兩個測力軸承之間；所述電壓放大器的輸入端與測力軸承連接，輸出端與控制器的輸入端連接，所述控制器的輸出端與功率放大器的輸入端連接，所述功率放大器的輸出端與準(zhǔn)懸浮電機2連接。其中，所述測力軸承I用以測量轉(zhuǎn)子作用在測力軸承上的徑向力；所述準(zhǔn)懸浮電機2包括套置在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩線圈繞組和準(zhǔn)懸浮線圈繞組，所述轉(zhuǎn)矩線圈繞組產(chǎn)生實現(xiàn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩，所述準(zhǔn)懸浮線圈繞組產(chǎn)生作用在轉(zhuǎn)子上的徑向電磁控制力。一方面，所述測力軸承I只測量轉(zhuǎn)子3作用在測力軸承I上的徑向力。另一方面，所述測力軸承I能夠取代傳統(tǒng)保護軸承，起到支承轉(zhuǎn)子3的軸承的作用，并且與將力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號的電壓放大器連接。為了保護轉(zhuǎn)子3和準(zhǔn)懸浮電機2，所述測力軸承I是由滑動軸承改制而成。本實用新型的工作原理該種采用準(zhǔn)懸浮電機的基于力控制磁懸浮系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上，取消輔助軸承，采用同時具備測力和支承功能的測力軸承，在實現(xiàn)方法上，通過平衡電磁力和轉(zhuǎn)子3作用在測力軸承上的力，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子3準(zhǔn)懸浮的目的。其實現(xiàn)過程如下所述測力軸承I用以檢測轉(zhuǎn)子3作用在其上力的大小和方向，并將將檢測到的力信號發(fā)送給電壓放大器，所述電壓放大器將接收到的力信號進行放大變換為電壓信號后發(fā)送給控制器，所述控制器將電壓信號轉(zhuǎn)換成控制信號后發(fā)送給功率放大器，所述功率放大器將控制信號轉(zhuǎn)換成控制電流信號并發(fā)送給準(zhǔn)懸浮電機2，所述準(zhǔn)懸浮電機2 —方面通過轉(zhuǎn)矩繞組產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，另一方面將所得控制電流信息反饋給準(zhǔn)懸浮繞組使其產(chǎn)生作用在轉(zhuǎn)子3上的磁控制力，且該控制力與轉(zhuǎn)子3作用在測力軸承I上力的方向相反、大小相等，從而使轉(zhuǎn)子3作用在測力軸承I上的力接近于零，根據(jù)公式F = y N (F表示轉(zhuǎn)子與力傳感器之間的摩擦力，U表示摩擦系數(shù)，N表示轉(zhuǎn)子作用在力傳感器上的壓力)，得到轉(zhuǎn)子3與測力軸承I之間的摩擦力為零，獲得轉(zhuǎn)子3與測力軸承I之間幾乎無摩擦的效果，維持轉(zhuǎn)子3與測力軸承I之間似接觸非接觸的狀態(tài)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子3的準(zhǔn)懸浮。以上所述，只是用圖解說明本實用新型的一些原理，本說明書并非是要將本實用新型局限在所示所述的具體結(jié)構(gòu)和適用范圍內(nèi)，故凡是所有可能被利用的相應(yīng)修改以及等同物，均屬于本實用新型所申請的專利范圍。 除說明書所述技術(shù)特征外，其余技術(shù)特征均為本領(lǐng)域技術(shù)人員已知技術(shù)。
權(quán)利要求1.采用準(zhǔn)懸浮電機的基于力控制磁懸浮系統(tǒng)，其特征是，包括機械裝置和控制系統(tǒng)，所述機械裝置包括測力軸承、準(zhǔn)懸浮電機和轉(zhuǎn)子，所述控制系統(tǒng)包括電壓放大器、控制器和功率放大器；所述轉(zhuǎn)子的兩端分別設(shè)置有測力軸承，所述準(zhǔn)懸浮電機設(shè)置在兩個測力軸承之間；所述電壓放大器的輸入端與測力軸承連接，輸出端與控制器的輸入端連接，所述控制器的輸出端與功率放大器的輸入端連接，所述功率放大器的輸出端與準(zhǔn)懸浮電機連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用準(zhǔn)懸浮電機的基于力控制磁懸浮系統(tǒng)，其特征是，所述測力軸承用以測量轉(zhuǎn)子作用在測力軸承上的徑向力。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用準(zhǔn)懸浮電機的基于力控制磁懸浮系統(tǒng)，其特征是，所述準(zhǔn)懸浮電機包括套置在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩線圈繞組和準(zhǔn)懸浮線圈繞組，所述轉(zhuǎn)矩線圈繞組產(chǎn)生實現(xiàn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩，所述準(zhǔn)懸浮線圈繞組產(chǎn)生作用在轉(zhuǎn)子上的徑向電磁控制力。
專利摘要本實用新型公開了一種采用準(zhǔn)懸浮電機的基于力控制磁懸浮系統(tǒng)，它包括機械裝置和控制系統(tǒng)，所述機械裝置包括測力軸承、準(zhǔn)懸浮電機和轉(zhuǎn)子，所述控制系統(tǒng)包括電壓放大器、控制器和功率放大器；所述轉(zhuǎn)子的兩端分別設(shè)置有測力軸承，所述準(zhǔn)懸浮電機設(shè)置在兩個測力軸承之間；所述電壓放大器的輸入端與測力軸承連接，輸出端與控制器的輸入端連接，所述控制器的輸出端與功率放大器的輸入端連接，所述功率放大器的輸出端與準(zhǔn)懸浮電機連接。本實用新型采用力控制方法代替位移控制方法，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)懸浮，減少了電路系統(tǒng)的復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活，實施方便，適宜推廣應(yīng)用。
文檔編號H02N15/00GK202550932SQ20122021315
公開日2012年11月21日 申請日期2012年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月12日
發(fā)明者馮會民, 吳長忠, 宋方臻, 宋波, 鄧良, 門秀花 申請人:濟南大學(xué)