一种带阻尼线圈一体化结构的四自由度径向磁轴承，由定子导磁环、定子永磁体、定子铁心、转子铁心，转子导磁环、转子永磁体、激磁线圈、阻尼线圈、空气气隙、被动部分气隙组成。定子铁心Ⅰ、Ⅱ组成X、Y正负方向8个磁极，每个磁极绕有激磁线圈，定子铁心Ⅰ、Ⅱ分别与定子永磁体Ⅰ、Ⅱ相连，定子永磁体Ⅰ、Ⅱ通过定子导磁环相连，定子导磁环中间绕有阻尼线圈；转子铁心Ⅰ、Ⅱ分别与转子永磁体Ⅰ、Ⅱ相连，转子永磁体Ⅰ、Ⅱ分别与转子导磁环Ⅰ、Ⅱ相连，转子导磁环Ⅰ、Ⅱ通过转子永磁体Ⅲ相连；定子铁心与转子铁心之间为空气气隙，定子导磁环与转子导磁环之间为被动部分气隙。本发明专利技术可控制四个自由度，提供轴向被动力，增加轴向阻尼，抑制轴向振动。
【技术实现步骤摘要】
一种带阻尼线圈一体化结构的四自由度径向磁轴承
本专利技术涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种带阻尼线圈一体化结构的四自由度径向磁轴承，可作为磁悬浮飞轮、磁悬浮控制力矩陀螺、电机等机械设备中高速旋转部件的无接触支撑。
技术介绍
磁悬浮轴承分纯电磁式和永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，前者使用电流大、功耗大，永磁偏置混合磁悬浮轴承，永磁磁场承担主要的承载力，电磁磁场进行辅助调节控制，因而这种轴承可大大减小控制电流，降低损耗。目前现有的永磁偏置径向混合磁轴承结构都存在一定程度上的不足，中国专利申请号201010531919.5结构的双永磁体外转子永磁偏置径向混合磁轴承仅能控制两个径向平动自由度，必须成对使用才能控制扭转自由度，从而导致磁轴承整体轴向长度增加，安装误差增大。中国专利申请号为200710065049.5结构的内转子径向磁轴承是一种四自由度径向磁轴承，不仅能够控制径向平动自由度而且可以控制扭转自由度，但是没有应用轴向被动力，所以需要增加轴向磁轴承来实现转子的稳定悬浮。中国专利申请号201410383870.1结构的四自由度外转子磁轴承利用磁轴承轴向被动力实现转子轴向上的悬浮，但是没有对轴向被动部分施加阻尼来抑制转子轴向振动，导致转子悬浮稳定性差。现有的主被动磁轴承大都没有阻尼装置以抑制转子振动，仅有的可实现阻尼作用的阻尼装置采用的都是传统的纯电磁磁轴承结构，其通过在磁轴承线圈中通入恒定电流，在定转子之间产生一个恒定磁场，当转子发生振动时，该恒定磁场随着转子振动，会在转子上产生涡流，进而产生涡流损耗，起到阻尼作用，由于磁轴承线圈中通入的电流固定不变，因此无法对阻尼效果进行调节，并且功耗大。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种带阻尼线圈一体化结构的四自由度径向磁轴承，以减小自身体积重量和功耗，并且增加轴向主动阻尼，提高轴向悬浮的稳定性。本专利技术的技术解决方案为：一种带阻尼线圈一体化结构的四自由度径向磁轴承由定子导磁环、两个定子永磁体、两个定子铁心、两个转子铁心，两个转子导磁环、三个转子永磁体、激磁线圈、阻尼线圈、空气气隙、被动部分气隙组成；所述的两个定子铁心包括定子铁心Ⅰ和定子铁心Ⅱ，所述的两个转子铁心包括转子铁心Ⅰ和转子铁心Ⅱ，所述的两个转子导磁环包括转子导磁环Ⅰ和转子导磁环Ⅱ，所述的两个定子永磁体包括定子永磁体Ⅰ和定子永磁体Ⅱ，所述的三个转子永磁体包括转子永磁体Ⅰ、转子永磁体Ⅱ和转子永磁体Ⅲ；定子铁心Ⅰ和定子铁心Ⅱ相互平行，位于轴承定子的两端，分别由X、Y正负方向四个磁极组成，每个磁极上绕有激磁线圈，定子铁心Ⅰ和定子铁心Ⅱ分别与定子永磁体Ⅰ和定子永磁体Ⅱ相连，定子永磁体Ⅰ和定子永磁体Ⅱ通过定子导磁环相连，定子导磁环为一个中间带有两个外径相同的圆环凸起的圆筒，两凸起圆环之间绕有阻尼线圈；转子铁心Ⅰ和转子铁心Ⅱ相互平行，位于轴承转子的两端，分别与转子永磁体Ⅰ和转子永磁体Ⅱ相连，转子永磁体Ⅰ和转子永磁体Ⅱ分别与转子导磁环Ⅰ和转子导磁环Ⅱ相连，转子导磁环Ⅰ和转子导磁环Ⅱ通过转子永磁体Ⅲ相连；定子铁心内表面与转子铁心外表面形成空气气隙，定子导磁环的外表面与转子导磁环Ⅰ和转子导磁环Ⅱ的内表面组成被动部分气隙；其中阻尼线圈匝数为400～600，控制电流为-0.5～0.5A，通过对阻尼线圈施加不同的电流实现对轴向振动的主动阻尼抑制。在平衡位置，转子受到的重力与定子导磁环和转子导磁环之间的轴向偏移在被动部分气隙处产生的轴向被动力相同，轴向悬浮时转子在平衡位置上下振动。通过轴向位移传感器检测出轴向振动位移，对位移作微分得到转子振动速度，根据转子的位移以及速度施加主动阻尼，具体方法为：在平衡位置以上，当速度方向向上时，对阻尼线圈通正电流，产生的电磁磁通在被动部分气隙处减弱永磁磁通，从而减小轴向被动力，使重力与轴向被动力向下的合力增大，对转子向上的速度起阻尼作用；在平衡位置以上，当速度方向向下时，对阻尼线圈通负电流，产生的电磁磁通在被动部分气隙处与永磁磁通叠加，从而增加轴向被动力，使重力与轴向被动力向上的合力增大，对转子向下的速度起阻尼作用；在平衡位置以下，当速度方向向下时，对阻尼线圈通负电流，产生的电磁磁通在被动部分气隙处与永磁磁通叠加，从而增加轴向被动力，使重力与轴向被动力向上的合力增大，对转子向下的速度起阻尼作用；在平衡位置以下，当速度方向向上时，对阻尼线圈通正电流，产生的电磁磁通在被动部分气隙处减弱永磁磁通，从而减小轴向被动力，使重力与轴向被动力向下的合力增大，对转子向上的速度起阻尼作用。所述的定子铁心Ⅰ和定子铁心Ⅱ上的激磁线圈分别进行控制。所述的空气气隙的间隙范围为0.2mm～0.25mm。所述的被动部分气隙的间隙范围为0.4mm～0.6mm。所述的定子永磁体Ⅰ、定子永磁体Ⅱ和转子永磁体Ⅲ均为轴向圆环，沿轴向正向充磁，转子永磁体Ⅰ和转子永磁体Ⅱ均为轴向圆环，沿轴向负向充磁。所述的转子永磁体Ⅲ的轴向长度一般为2mm～2.5mm。所述的定子铁心轴向厚度比转子铁心轴向厚度小2mm。所述的定子导磁环与转子导磁环在形成被动部分气隙处轴向厚度相同，为5mm。上述方案的原理是：带阻尼线圈一体化结构的四自由度径向磁轴承，通过控制定子铁心Ⅰ、ⅡX(或Y)正负方向磁极上的两组激磁线圈，实现磁轴承转动部分的径向平动和径向扭动，轴向被动部分是利用定子导磁环和转子导磁环Ⅰ、Ⅱ通过轴向位移产生的磁偏拉力实现磁轴承转动部分的轴向平动。定子永磁体Ⅰ、Ⅱ和转子永磁体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ给磁轴承提供永磁偏置磁场，承担磁轴承所受的径向力，激磁线圈所产生的磁场起调节作用，用来改变每极下磁场的强弱，保持磁轴承空气气隙均匀，并使转子得到无接触支撑，阻尼线圈所产生的磁场用来改变被动部分气隙磁场的强弱，使轴向被动力大小发生变化从而起到阻尼的作用。本专利技术的永磁磁路为三个部分(如图2所示)，一部分为：磁通从定子永磁体Ⅰ的N极出发，通过定子铁心Ⅰ、空气气隙、转子铁心Ⅰ回到转子永磁体Ⅰ的S极，磁通从转子永磁体Ⅰ的N极出发，通过转子导磁环Ⅰ、被动部分气隙、定子导磁环回到定子永磁体Ⅰ的S极；第二部分为：磁通从转子永磁体Ⅲ的N极出发，通过转子导磁环Ⅰ、被动部分气隙、定子导磁环、被动部分气隙，转子导磁环Ⅱ回到转子永磁体Ⅲ的S极；第三部分为：磁通从定子永磁体Ⅱ的N极出发，通过定子导磁环、被动部分气隙、转子导磁环Ⅱ回到转子永磁体Ⅱ的S极，磁通从转子永磁体Ⅱ的N极出发，通过转子铁心Ⅱ、空气气隙、定子铁心Ⅱ回到定子永磁体Ⅱ的S极。激磁线圈产生的电磁磁路如图3所示，以定子铁心ⅠY轴正方向线圈电流产生的磁通为例，其路径为：定子铁心ⅠY轴正方向磁极、Y轴正方向空气气隙到转子铁心Ⅰ、然后到另外三个方向空气气隙、定子铁心Ⅰ形成的另外三个方向磁极、回到定子铁心ⅠY轴正方向磁极，构成闭合回路。阻尼线圈产生的电磁磁路如图4所示，其路径为：定子导磁环、被动部分气隙、转子导磁环Ⅱ到转子永磁体Ⅲ的S极，永磁体Ⅲ的N极、转子导磁环Ⅰ、被动部分气隙到定子导磁环。本专利技术与现有技术相比的优点在于：本专利技术在保证现有永磁偏置磁轴承低损耗特性的基础上，提出的带阻尼线圈一体化结构的四自由度径向磁轴承使用一个就可替代现有的需成对使用的永磁偏置径向磁轴承，同时能够提供轴向被动力，实现轴向悬浮，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种带阻尼线圈一体化结构的四自由度径向磁轴承，其特征在于：由定子导磁环(13)、两个定子永磁体、两个定子铁心、两个转子铁心，两个转子导磁环、三个转子永磁体、激磁线圈(3)、阻尼线圈(14)、空气气隙(15)、被动部分气隙(16)组成；定子铁心包括定子铁心Ⅰ(2)和定子铁心Ⅱ(11)，转子铁心包括转子铁心Ⅰ(4)和转子铁心Ⅱ(10)，转子导磁环包括转子导磁环Ⅰ(6)和转子导磁环Ⅱ(8)，定子永磁体包括定子永磁体Ⅰ(1)和定子永磁体Ⅱ(12)，转子永磁体包括转子永磁体Ⅰ(5)、转子永磁体Ⅱ(9)和转子永磁体Ⅲ(7)；定子铁心Ⅰ(2)和定子铁心Ⅱ(11)相互平行，位于轴承定子的两端，分别由X、Y正负方向四个磁极组成，每个磁极上绕有激磁线圈(3)，定子铁心Ⅰ(2)和定子铁心Ⅱ(11)分别与定子永磁体Ⅰ(1)和定子永磁体Ⅱ(12)相连，定子永磁体Ⅰ(1)和定子永磁体Ⅱ(12)通过定子导磁环(13)相连，定子导磁环(13)为一个中间带有两个外径相同的圆环凸起的圆筒，两凸起圆环之间绕有阻尼线圈(14)；转子铁心Ⅰ(4)和转子铁心Ⅱ(10)相互平行，位于轴承转子的两端，分别与转子永磁体Ⅰ(5)和转子永磁体Ⅱ(9)相连，转子永磁体Ⅰ(5)和转子永磁体Ⅱ(9)分别与转子导磁环Ⅰ(6)和转子导磁环Ⅱ(8)相连，转子导磁环Ⅰ(6)和转子导磁环Ⅱ(8)通过转子永磁体Ⅲ(7)相连；定子铁心内表面与转子铁心外表面形成空气气隙(15)，定子导磁环(13)的外表面与转子导磁环Ⅰ(6)和转子导磁环Ⅱ(8)的内表面组成被动部分气隙(16)；其中阻尼线圈(14)匝数为400～600，控制电流为‑0.5～0.5A，通过对阻尼线圈(14)施加不同的电流实现对轴向振动的主动阻尼抑制；在平衡位置时，转子受到的重力与定子导磁环和转子导磁环之间的轴向偏移在被动部分气隙(16)处产生的轴向被动力相同，轴向悬浮时转子在平衡位置上下振动，通过轴向位移传感器检测出轴向振动位移，对位移作微分得到转子振动速度，根据转子的位移以及速度施加主动阻尼，具体方法为：在平衡位置以上，当速度方向向上时，对阻尼线圈(14)通正电流，产生的电磁磁通在被动部分气隙(16)处减弱永磁磁通，从而减小轴向被动力，使重力与轴向被动力向下的合力增大，对转子向上的速度起阻尼作用；在平衡位置以上，当速度方向向下时，对阻尼线圈(14)通负电流，产生的电磁磁通在被动部分气隙(16)处与永磁磁通叠加，从而增加轴向被动力，使重力与轴向被动力向上的合力增大，对转子向下的速度起阻尼作用；在平衡位置以下，当速度方向向下时，对阻尼线圈(14)通负电流，产生的电磁磁通在被动部分气隙(16)处与永磁磁通叠加，从而增加轴向被动力，使重力与轴向被动力向上的合力增大，对转子向下的速度起阻尼作用；在平衡位置以下，当速度方向向上时，对阻尼线圈(14)通正电流，产生的电磁磁通在被动部分气隙(16)处减弱永磁磁通，从而减小轴向被动力，使重力与轴向被动力向下的合力增大，对转子向上的速度起阻尼作用。...
【技术特征摘要】
1.一种带阻尼线圈一体化结构的四自由度径向磁轴承，其特征在于：由定子导磁环(13)、两个定子永磁体、两个定子铁心、两个转子铁心，两个转子导磁环、三个转子永磁体、激磁线圈(3)、阻尼线圈(14)、空气气隙(15)、被动部分气隙(16)组成；所述的两个定子铁心包括定子铁心Ⅰ(2)和定子铁心Ⅱ(11)，所述的两个转子铁心包括转子铁心Ⅰ(4)和转子铁心Ⅱ(10)，所述的两个转子导磁环包括转子导磁环Ⅰ(6)和转子导磁环Ⅱ(8)，所述的两个定子永磁体包括定子永磁体Ⅰ(1)和定子永磁体Ⅱ(12)，所述的三个转子永磁体包括转子永磁体Ⅰ(5)、转子永磁体Ⅱ(9)和转子永磁体Ⅲ(7)；定子铁心Ⅰ(2)和定子铁心Ⅱ(11)相互平行，位于轴承定子的两端，分别由X、Y正负方向四个磁极组成，每个磁极上绕有激磁线圈(3)，定子铁心Ⅰ(2)和定子铁心Ⅱ(11)分别与定子永磁体Ⅰ(1)和定子永磁体Ⅱ(12)相连，定子永磁体Ⅰ(1)和定子永磁体Ⅱ(12)通过定子导磁环(13)相连，定子导磁环(13)为一个中间带有两个外径相同的圆环凸起的圆筒，两凸起圆环之间绕有阻尼线圈(14)；转子铁心Ⅰ(4)和转子铁心Ⅱ(10)相互平行，位于轴承转子的两端，分别与转子永磁体Ⅰ(5)和转子永磁体Ⅱ(9)相连，转子永磁体Ⅰ(5)和转子永磁体Ⅱ(9)分别与转子导磁环Ⅰ(6)和转子导磁环Ⅱ(8)相连，转子导磁环Ⅰ(6)和转子导磁环Ⅱ(8)通过转子永磁体Ⅲ(7)相连；定子铁心内表面与转子铁心外表面形成空气气隙(15)，定子导磁环(13)的外表面与转子导磁环Ⅰ(6)和转子导磁环Ⅱ(8)的内表面组成被动部分气隙(16)；其中阻尼线圈(14)匝数为400～600，控制电流为-0.5～0.5A，通过对阻尼线圈(14)施加不同的电流实现对轴向振动的主动阻尼抑制；在平衡位置时，转子受到的重力与定子导磁环和转子导磁环之间的轴向偏移在被动部分气隙(16)处产生的轴向被动力相同，轴向悬浮时转子在平衡位置上下振动，通过轴向位移传感器检测出轴向振动位移，对位移作微分得到转子振动速度，根据转子的位移以及速度施加主动阻尼，具体方法为：在平衡位置以上，当速度方向向上时，对阻尼线圈...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘刚，韩伟涛，孙津济，刘超，汤继强，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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