恒流源偏置磁悬浮轴承制造技术

一种恒流源偏置磁悬浮轴承，属磁悬浮轴承。该磁悬浮轴承包括定子和转子，在定子磁极（３）上同时套装偏置绕组（４）和控制绕组（５），将所有偏置绕组都串联在一起，使用一个独立的功率放大器（功放）使偏置绕组通过恒定的电流提供偏置磁通，每个自由度上的控制绕组用串联或者并联的接线方式连接在一起，使用一个开关功放。本发明专利技术和传统的主动磁悬浮轴承相比较，减少了功放的个数，减少了功耗，同时也简化了接线，而相对永磁偏置磁悬浮轴承，其偏置磁场是可控的。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于一种磁悬浮轴承，特别是一种利用恒流源来提供偏置磁场的主动 磁悬浮轴承。
技术介绍
磁悬浮轴承是利用磁场力将转轴悬浮在空中并无机械摩擦无需润滑地高速 旋转的一种新型高性能轴承，它由转子和定子组成，转子的旋转由变频电机驱动， 其位置由传感器检测，位置偏移信号经控制器和功率放大器(简称为功放)后转变 为电流信号反馈给定子电磁铁，改变电磁吸力，从而使转子保持在平衡位置附近。 由于磁悬浮轴承具有一系列的优良品质，它从根本上改变了传统的支承形式，在 航空航天、能源交通、机械工程、机器人等高新
具有广泛的应用前景。按照磁力的提供方式，磁悬浮轴承可分为混合磁悬浮轴承(永磁偏置磁悬浮 轴承)、有源磁悬浮轴承(主动磁悬浮轴承)和无源磁悬浮轴承(被动磁悬浮轴 承)。永磁偏置磁悬浮轴承由于采用永磁铁产生静态偏置磁场，由电磁铁来产生 控制磁场，结构中只有控制绕组，在差动控制下一个自由度上的控制绕组需要一 个功放来提供控制电流，五个自由度需要五个功放，对于航空、航天等功耗要求 较高的场合有很好的应用前景。但不足之处是结构复杂和偏置磁场不可控。主动磁悬浮轴承其机械结构不含永磁铁，偏置磁场和控制磁场都是由电磁铁 产生的，偏置电流产生偏置磁场，控制电流产生控制磁场，故而其结构简单，可 控性好。传统的主动磁悬浮轴承，其绕组是电流叠加式的，即同一个绕组中既有 偏置电流又有控制电流，这样， 一个自由度上的两组绕组需要两个功放来分别提 供不同的电流，五个自由度就需要十个功放。相比永磁偏置磁悬浮轴承，其五个 自由度上需要的功放个数增加了一倍，功耗也相应增加。恒流源偏置磁悬浮轴承是结合传统的主动磁悬浮轴承磁场可控和永磁偏置 磁悬浮轴承功耗低的特点提出的一种新型的主动磁悬浮轴承。它由一个独立可控 的功放来提供偏置磁场，取代了永磁偏置磁悬浮轴承中的永磁铁，而它的控制绕 组和永磁偏置磁悬浮轴承相同，差动控制下一个自由度上由一个功放来提供控制 电流。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种功耗低且接线简单的主动磁悬浮轴承。 本专利技术的目的可以通过以下措施来达到一种恒流源偏置磁悬浮轴承，包括转子和定子，其特征在于在每个定子磁 极上套装两套独立的匝数相同的绕组， 一套为偏置绕组，另一套为控制绕组，八 个定子磁极上的偏置绕组依次串联，使得磁极极性按照S极、N极、N极、S极、 S极、N极、N极、S极分布，将偏置绕组的输入端和输出端连接至恒流源功放电 路，产生偏置磁场；定子磁极的单自由度上的控制绕组用串联或者并联方式连接 起来，将控制绕组的输入端和输出端连接至控制系统功放电路，产生控制磁场， 使得在转子两侧磁极的极性相反。五个自由度上的控制绕组就需要五个功放。这 样五自由度的磁悬浮轴承一共就需要六个功放。其次， 一个自由度上的两组控制绕组即四个接头通过串联或者并联的接线方 式连接，最终只有一个输入接头， 一个输出接头，那么五个自由度的控制绕组一 共有十个接头，而五个自由度的偏置绕组即十个接头通过串连的方式连接起来， 最终一个输入接头， 一个输出接头，则整个电路中共有十二个接头。本专利技术的积极效果是-本专利技术减少了功放的个数，降低了功耗和简化了磁悬浮轴承的接线。 附图说明图l为本专利技术的原理图2为本专利技术的径向磁悬浮轴承定子硅钢叠片剖面图； 图3为本专利技术径向磁悬浮轴承磁通分布图； 图4为本专利技术的偏置绕组的接线示意图5为本专利技术的控制绕组接线示意图；其中图(a)为控制绕组串联方式接 线；图(b)为控制绕组并联方式接线。图2中l转子，2线圈骨架，3磁极，4偏置绕组，5控制绕组，6连接压 板的孔；图3中实线为偏置绕组产生的磁通方向，虚线为控制绕组产生的磁通方向； 图5中7根据y方向控制信号产生的控制电流，8根据x方向控制信号产 生的控制电流。 具体实施例方式传统的主动磁悬浮轴承，其线圈的绕制是电流叠加式，即偏置磁场和控制磁 场是由偏置电流和控制电流在同一个绕组中叠加后产生的，而恒流源偏置磁悬浮 轴承,其线圈的绕制是磁场叠加式，即偏置电流和控制电流分别通过不同的绕组， 产生的偏置磁场和控制磁场叠加在一起。附图1中，每个磁极上既有偏置绕组，又有控制绕组，其中通过的电流分别 为偏置电流和控制电流。转子上下某一气隙中的磁场是由偏置绕组与控制绕组分 别产生磁场后叠加而成的合成磁场。图示偏置电流可由一恒流源功放提供，产生 偏置磁场；控制电流由加在线圈两端的一双向功放提供，产生控制磁场。控制电 流是由系统根据扰动力与扰动位移量的大小和方向而产生的。从该图可以看出， 系统的静态工作点可由一个独立于控制系统的外部恒流源功放提供。因而具有如 下特点-系统用一个外部恒流源，故静态工作点一致性好，便于统一调整。 控制系统不必提供偏置电流，因此设计比较简单，便于调整控制参数，可大 大减少功放部分的损耗，采用成本较低的开关管。控制电流是双方向变化的，采用的功放电路与电流叠加式不同。 上下控制线圈采用的是反串联方式连接，可使上下控制线圈只用一个功放驱 动，这就减少了一个功放，减少了驱动元件的数量。附图2给出了一个恒流源偏置径向磁悬浮轴承的定子硅钢片截面图。垂直方 向上的两对磁极构成一个自由度，每个磁极通过骨架2分别放置偏置绕组4和控 制绕组5，偏置绕组提供偏置磁场，使转子静态平衡；控制绕组提供控制磁场， 当转子受到干扰时，转子受到控制磁场产生的控制力，回到平衡位置。当转子受 到向下的不平衡扰动时，由于转子受到的偏置绕组产生的磁场力大小是一致的， 使垂直方向上这个自由度的上磁极偏置绕组和控制绕组产生的偏置磁场和控制 磁场方向相同，磁场相加；下磁极上偏置绕组和控制绕组产生的偏置磁场和控制 磁场方向相反，磁场相减，所以转子受到的向上的磁场力大于向下的磁场力，转 子回到了平衡位置。当转子受到向上的不平衡扰动时，上下控制线圈所产生的控 制磁场的方向与上面提到的扰动的分析情况正好相反，即转子受到的向下的磁场 力大于向上的磁场力，转子能够回到平衡位置。通过孔6用两块压板将磁极组叠 片定位，然后将叠片组压紧，并将压板和叠片组焊在一起，最后加工固定好的叠 片内、外圆和端面，使之达到设计要求尺寸，即为磁悬浮轴承定子。附图3为径向磁悬浮轴承磁通分布图，图中实线为偏置绕组产生的偏置磁 通，虚线为控制绕组产生的控制磁通。图示偏置绕组和控制绕组产生四个闭合的 偏置磁通回路和控制磁通回路，其中转子上方和左方偏置磁通和控制磁通方向一 致，叠加后磁场得到加强，转子受到向上和向左的电磁力增大了；而下方和右方 偏置磁通和控制磁通方向相反，叠加后磁场减弱了，转子受到的向下的和向右的电磁力减小了 。在一个自由度上转子两边相对的方向上电磁力变化的方向是相反 的。因此能使转子始终处于平衡位置，实现转子稳定悬浮。附图4以一个两自由度的径向磁悬浮轴承中为例给出了偏置绕组的接线方 式，八个磁极上的偏置绕组按照图中SN磁极、NS磁极、SN磁极、NS磁极这种 对应的隔磁方式进行连接，同时各个磁极上的偏置绕组要串连在一起，得到一个 总的输入和输出。附图5同样以一个两自由度的径向磁悬浮轴承为例给出了对应的控制绕组 的接线方式，图5 (a)是串联方式接线，图5 (b)是并联方式接线，图中转子 上方和下方的两对磁极构成一个自由度，左边和右边的两对磁极又本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种恒流源偏置磁悬浮轴承，包括转子和定子，其特征在于：在每个定子磁极（３）上套装两套独立的匝数相同的绕组，一套为偏置绕组（４），另一套为控制绕组（５），八个定子磁极（３）上的偏置绕组依次串联，使得磁极极性按照Ｓ极、Ｎ极、Ｎ极、Ｓ极、Ｓ极、Ｎ极、Ｎ极、Ｓ极分布，将偏置绕组的输入端和输出端连接至恒流源功放电路，产生偏置磁场；定子磁极（３）的单自由度上的控制绕组用串联或者并联方式连接起来，将控制绕组的输入端和输出端连接至控制系统功放电路，产生控制磁场，使得在转子两侧磁极的极性相反。

【技术特征摘要】
1、 一种恒流源偏置磁悬浮轴承，包括转子和定子，其特征在于在每个定 子磁极(3)上套装两套独立的匝数相同的绕组， 一套为偏置绕组(4)，另一套 为控制绕组(5)，八个定子磁极(3)上的偏置绕组依次串联，使得磁极极性按照 S极、N极、N极、S极、S极、N极、N极、S极分布，将偏置绕组的输入端和输 出端连接至恒流源功放电路，产生偏置磁场；定子磁极(3)的单自由度上的控 制绕组用串联或者并联方式连接起来...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐龙祥，张艳花，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：84[中国|南京]