一种抗磁悬浮微型轴承转子系统技术方案

本发明专利技术公开了一种抗磁悬浮微型转子系统，包括：悬浮系统、旋转驱动系统，所述悬浮系统和旋转驱动系统相对放置，中间有工作气隙，所述悬浮系统包括悬浮转子和磁场提供装置，所述悬浮转子为圆片形，位于磁场提供装置上方，悬浮转子与磁场提供装置之间为通过磁场形成的悬浮气隙，所述悬浮转子采用抗磁性材料制作，磁场提供装置采用电磁铁或永磁体，旋转驱动系统采用磁场驱动系统或电涡流驱动系统。本发明专利技术的抗磁悬浮微型转子系统实现了抗磁悬浮轴承转子系统主动旋转功能，可降低了转子旋转时的涡流损耗，实现轴承的微型化，无需任何能量输入，即可以实现常温、被动、无摩擦、静态稳定悬浮，悬浮稳定。

【技术实现步骤摘要】
一种抗磁悬浮微型轴承转子系统
本专利技术公开了一种抗磁悬浮微型转子系统，属于磁悬浮轴承

技术介绍
轴承作为最为重要的机械基础件之一，广泛应用于各类机械设备中。随着人们对机械产品的轻量化、微型化和精密化等需求的日益增长，作为微机电系统的关键设备之一，微型轴承引起了相关领域的高度关注。早期的微型轴承主要为干摩擦轴承，采用微加工技术设计和制造微型轴承。但由于尺度效应，随着微型机械几何尺寸减小，表面积与体积之比变大，机械接触式轴承的损耗比急剧增加。抗磁悬浮是利用抗磁性物质的抗磁性使其在磁场中稳定悬浮的技术，最初于18世纪年发现，但由于抗磁力自身非常微弱，研究人员当时并未对抗磁悬浮进行深入的研究。直到近30年来，随着微细制造与强磁场技术的发展，抗磁悬浮相关研究及应用才开始兴起。抗磁悬浮不受恩绍(Earnshaws)定理的限制，可以实现常温、被动、无摩擦、静态稳定悬浮。在尺度效应下，抗磁悬浮力与被悬浮物重力之比随尺度降低而增大，在微型转子中具有极大的应用前景。在本专利技术之前，在抗磁悬浮微型轴承转子方面，国内外相关研究处于起步阶段，大部分研究侧重于抗磁悬浮轴承转子的物理特性研究。而对于旋转功能的实现，大多数学者采用气体作为动力源，对如何主动实现抗磁悬浮轴承转子系统的旋转驱动功能研究成较少。例如在文献CansizA,HullJR.Stableload-carryingandrotationallosscharacteristicsofdiamagneticbearings[J].IEEEtransactionsonmagnetics,2004,40(3):1636-1641.中，作者采用氮气吹动抗磁悬浮转子运行，并在转子停止气体推动后，利用抗磁悬浮转子降速的特性，推算出抗磁悬浮轴承的损耗特性。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术针对现有微型干摩擦轴承损耗较大，而新型的抗磁悬浮微型轴承转子系统不具备自主旋转驱动的局限性，提出了一种抗磁悬浮微型轴承转子系统。技术方案：一种抗磁悬浮微型转子系统，包括：悬浮系统、旋转驱动系统，所述悬浮系统和旋转驱动系统相对放置，中间有工作气隙，所述悬浮系统包括悬浮转子和磁场提供装置，所述悬浮转子为圆片形，位于磁场提供装置上方，悬浮转子与磁场提供装置之间为通过磁场形成的悬浮气隙，所述悬浮转子采用抗磁性材料制作，磁场提供装置采用电磁铁，所述电磁铁包括圆柱型抗磁性器件、环型抗磁性器件、第一线圈绕组和第二线圈绕组，圆柱型抗磁性器件嵌套在环型抗磁性器件中；圆柱型抗磁性器件的直径与环型抗磁性器件的内径相同，圆柱型抗磁性器件的长度大于环型抗磁性器件的长度，且嵌套时候保持两者上平面平齐，圆柱型抗磁性器件下端未嵌套在环型抗磁性器件的部分，外部设置有第一线圈绕组，第一线圈绕组通过电流产生电磁场，环型抗磁性器件外圈设置有第二线圈绕组，第二线圈绕组通过电流产生电磁场，且第二线圈绕组与第一线圈绕组中通过的电流方向相反，产生两个相反的磁场。进一步地，磁场提供装置采用永磁体代替电磁铁，所述永磁体包括圆柱型永磁体器件和环型永磁体器件，圆柱型永磁体器件嵌套在环型永磁体器件中，圆柱型永磁体器件的直径与环型永磁体器件的内径相同，高度相等，圆柱型永磁体器件置于环型永磁体器件内环中，且圆柱型永磁体器件与环型永磁体的充磁方向相反。进一步地，所述抗磁性器件的材料为热解石墨。进一步地，悬浮转子的直径大于圆柱型抗磁性器件的直径，两者差值为0～+5mm。进一步地，永磁体的材料为钕铁硼。进一步地，悬浮转子的直径大于圆柱型永磁体器件的直径，两者差值为0～+5mm。进一步地，第二线圈绕组的匝数大于等于第一线圈绕组的匝数，且第二线圈绕组中通过的电流大于等于第一线圈绕组中通过的电流。进一步地，所述旋转驱动系统采用磁场驱动系统，磁场驱动系统包括驱动电机定子、三相交流电源，所述驱动电机定子包括定子铁芯、定子铁芯绕组，定子基板，定子铁芯绕组与三相交流电源连接，驱动电机定子设置在悬浮转子的上方，驱动电机定子与悬浮转子间有工作气隙，定子铁芯与悬浮转子相对放置，驱动电机的定子基板为圆形，驱动电机的定子的直径与悬浮转子直径相同，定子铁芯包括多个铁芯单元，以定子基板圆心为中心，等间隔角度设置在定子基板上，驱动时，定子铁芯绕组中通入三相交变的电流，产生三相旋转的平面磁场，三相旋转的平面磁场驱动抗磁性材料制作的悬浮转子进行旋转。进一步地，所述旋转驱动系统采用电涡流驱动系统，电涡流驱动系统包括电机、电源，电机包括圆形电机转子与圆型磁极，圆形电机转子采用薄铝片制作，与悬浮转子两者同心粘合在一起，圆型磁极与电机转子相邻，圆型磁极设置在电机转子上方，圆型磁极与电机转子间有气隙，圆型磁极由扇型永磁片组成，永磁片为N-S交替布置，电机接通电源，圆型磁极旋转，圆形电机转子上产生电涡流，推动悬浮转子和圆形电机转子一起旋转。进一步地，所述铁芯单元为三角形。有益效果：(1)本专利技术的抗磁悬浮微型转子系统实现了抗磁悬浮轴承转子系统主动旋转功能；(2)抗磁悬浮轴承的抗磁悬浮力与转子重力比同转子表面积呈正相关，因此在尺度效应下，悬浮力与转子重力之比随尺度降低而增大，可实现轴承的微型化；(3)抗磁悬浮不受Earnshaws定理的限制，无需任何能量输入，即可以实现常温、被动、无摩擦、静态稳定悬浮；(4)提供了环型悬浮磁场，降低了转子旋转时的涡流损耗；(5)两种驱动方案均保证了转子圆型片状结构，便于转子加工与制备；(6)本专利技术的磁场驱动系统采用磁场驱动方案和电涡流驱动方案，与静电场驱动相比，可以保证悬浮稳定，避免旋转驱动力破坏抗磁悬浮力。附图说明图1为悬浮系统总体结构示意图如图。图2为浴盆型磁场能量分布示意图。图3为采用电磁铁产生浴盆型磁场能量分布的磁场时，磁场产生装置结构俯视图。图4为采用电磁铁产生浴盆型磁场能量分布的磁场时，磁场产生装置结构侧视图。图5为采用永磁体产生浴盆型磁场能量分布的磁场时，磁场产生装置结构俯视图。图6为采用永磁体产生浴盆型磁场能量分布的磁场时，磁场产生装置结构侧视图。图7为采用磁场方案驱动时，整个系统侧视图。图8为采用磁场方案驱动时，驱动电机的结构布置仰视图。图9为采用电涡流方案驱动时，整个系统侧视图。图10为采用电涡流方案驱动时，驱动磁极的结构布置仰视图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做更进一步的解释。本专利技术公开了一种抗磁悬浮微型转子系统，包括：悬浮系统、旋转驱动系统，悬浮系统和旋转驱动系统相对放置，两者不接触，中间有工作气隙，悬浮系统包括悬浮转子1和磁场提供装置2，如图1所示，磁场提供装置2使悬浮转子1悬浮，旋转驱动系统可带动悬浮转子1转动，悬浮转子1为圆片形，其直径为20mm，厚度0.5mm，位于磁场提供装置2上方，悬浮转子1与磁场提供装置2之间为通过磁场形成的悬浮气隙；如图2所示，磁场提供装置2可产生浴盆型磁场能量分布，悬浮转子1采用抗磁性材料制作，抗磁性器件的材料为热解石墨；磁场提供装置2采用电磁铁，具体结构如图3、如4所示，电磁铁包括圆柱型抗磁性器件3、环型抗磁性器件4、第一线圈绕组5和第二线圈绕组6，圆柱型抗磁性器件3嵌套在环型抗磁性器件4中；圆柱型抗磁性器件3的直径与环型抗磁性器件4的内径相同，圆柱型抗磁性器件3的长度大于环型抗磁性器件4的长度，且嵌套本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抗磁悬浮微型转子系统，其特征在于，包括：悬浮系统、旋转驱动系统，所述悬浮系统和旋转驱动系统相对放置，中间有工作气隙，所述悬浮系统包括悬浮转子(1)和磁场提供装置(2)，所述悬浮转子(1)为圆片形，位于磁场提供装置(2)上方，悬浮转子(1)与磁场提供装置(2)之间为通过磁场形成的悬浮气隙，所述悬浮转子(1)采用抗磁性材料制作，磁场提供装置(2)采用电磁铁，所述电磁铁包括圆柱型抗磁性器件(3)、环型抗磁性器件(4)、第一线圈绕组(5)和第二线圈绕组(6)，圆柱型抗磁性器件(3)嵌套在环型抗磁性器件(4)中；圆柱型抗磁性材料器件(3)的直径与环型抗磁性器件(4)的内径相同，圆柱型抗磁性器件(3)的长度大于环型抗磁性器件(4)的长度，且嵌套时候保持两者上平面平齐，圆柱型抗磁性器件(3)下端未嵌套在环型抗磁性器件(4)的部分，外部设置有第一线圈绕组(6)，第一线圈绕组(5)通过电流产生电磁场，环型抗磁性器件(4)外圈设置有第二线圈绕组(5)，第二线圈绕组(6)通过电流产生电磁场，且第二线圈绕组(6)与第一线圈绕组(5)中通过的电流方向相反，产生两个相反的磁场。

【技术特征摘要】
1.一种抗磁悬浮微型转子系统，其特征在于，包括：悬浮系统、旋转驱动系统，所述悬浮系统和旋转驱动系统相对放置，中间有工作气隙，所述悬浮系统包括悬浮转子(1)和磁场提供装置(2)，所述悬浮转子(1)为圆片形，位于磁场提供装置(2)上方，悬浮转子(1)与磁场提供装置(2)之间为通过磁场形成的悬浮气隙，所述悬浮转子(1)采用抗磁性材料制作，磁场提供装置(2)采用电磁铁，所述电磁铁包括圆柱型抗磁性器件(3)、环型抗磁性器件(4)、第一线圈绕组(5)和第二线圈绕组(6)，圆柱型抗磁性器件(3)嵌套在环型抗磁性器件(4)中；圆柱型抗磁性材料器件(3)的直径与环型抗磁性器件(4)的内径相同，圆柱型抗磁性器件(3)的长度大于环型抗磁性器件(4)的长度，且嵌套时候保持两者上平面平齐，圆柱型抗磁性器件(3)下端未嵌套在环型抗磁性器件(4)的部分，外部设置有第一线圈绕组(6)，第一线圈绕组(5)通过电流产生电磁场，环型抗磁性器件(4)外圈设置有第二线圈绕组(5)，第二线圈绕组(6)通过电流产生电磁场，且第二线圈绕组(6)与第一线圈绕组(5)中通过的电流方向相反，产生两个相反的磁场。2.根据权利要求1所述的一种抗磁悬浮微型转子系统，其特征在于：磁场提供装置(2)采用永磁体代替电磁铁，所述永磁体包括圆柱型永磁体器件(7)和环型永磁体器件(8)，圆柱型永磁体器件(7)嵌套在环型永磁体器件(8)中，圆柱型永磁体器件(7)的直径与环型永磁体器件(8)的内径相同，高度相等，圆柱型永磁体器件(7)置于环型永磁体器件(8)内环中，且圆柱型永磁体器件(7)与环型永磁体(8)的充磁方向相反。3.根据权利要求1所述的一种抗磁悬浮微型转子系统，其特征在于：所述抗磁性器件的材料为热解石墨。4.根据权利要求1所述的一种抗磁悬浮微型转子系统，其特征在于：悬浮转子(1)的直径大于圆柱型抗磁性器件(3)的直径，两者差值为0～+5mm。5.根据权利要求1所述的一种抗磁悬浮微型转子系统，其特征在于：第二线圈绕组(6)的匝数大于等于第一线圈绕组...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐园平，周瑾，金超武，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32