本发明专利技术公开一种大气隙五自由度微型磁轴承及工作方法，定子由相同的1个上部定子和1个下部定子组成，转子的轴向上表面与下表面上均贴有四片相同的永磁体，四片永磁体以N、S极首尾相接交替排列成环形，上部定子与下部定子以镜面对称的方式位于转子轴向两侧，下部定子磁极与转子下表面上的永磁体之间、上部定子磁极与转子上表面上的永磁体之间均具有1.2mm的气隙；在每个上部定子磁极以及每个下部定子磁极上均缠绕有轴向布置的轴向、径向控制线圈，本发明专利技术既可以增加主动控制自由度数目，实现控制精确性，又具备被动控制，实现低功耗。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种非机械接触的微型磁轴承，可作为诸如磁悬浮微型电机、微型涡轮机、人工心脏轴流泵、航天器用磁悬浮储能飞轮系统之类要求高速、洁净无污染、长寿命的机械设备、医疗设备及卫星、航天器中微型旋转部件等工作场合的无接触悬浮支承。
技术介绍
微型磁轴承是一种利用定子与转子之间的磁力作用将转子悬浮于空间的机电一体化精密产品，由于定子、转子之间不存在机械上的接触，所以磁悬浮转子可达到很高的运转转速，并且具有机械磨损小、能耗低、寿命长、无污染等优点，为使转子能够实现稳定的悬浮，需要在五自由度上都要进行约束。存在相对较大气隙的微型磁轴承在一些应用场合具有明显的优势，所谓大气隙是相对于不同尺寸及用途的微型磁轴承具体而言，譬如一些用于涡轮分子泵、手机用飞轮储能装置及植入式血液泵中的极其微小的微型磁轴承，其外径尺寸均在Iym-1cm之间，其常规的气隙在O. 05 μ m-0. 05mm之间，气隙如果在超出常规气隙范围就称之为大气隙。还有一类譬如磁悬浮心脏辅助装置、航天器用磁悬浮储能飞轮及磁悬浮微型电机等场合用的微型磁轴承，其外径尺寸一般其为Icm-1Ocm之间，其常规的气隙在O. 05mm-0. 5mm之间，气隙如果在超出常规气隙范围就称之为大气隙。比如在磁悬浮心脏辅助泵中，如果采用的微型磁轴承具有大气隙，则可使血液受到的剪切力有所减小，进而减小血红细胞的破坏，使溶血机会减少。在磁悬浮微型电机中，如果采用的微型磁轴承具有大气隙，则可使其磁通密度有所减小，而导致其空载损耗有所减小。在航天器用磁悬浮储能飞轮中，由于在真空环境中散热速度较慢，因此热场的变化对系统工作稳定性影响很大，如果采用的微型磁轴承具有大气隙，则可使系统杂散损耗有所降低、节约能源、增加散热速度、降低绕组温升，提高效率。而已有的微型磁轴承结构，无论是被动控制还是主动控制，由于磁轴承本身受到空间环境的制约，其气隙的大小也受到限制。已有的控制五自由度微型磁轴承的方法由于受空间环境的制约，一般采用被动控制为主，主动控制为辅的复合控制手段。为了更好的确保微型磁轴承的控制精度，采用主动控制的自由度数目越多越好，但是为了降低其功耗，采用被动控制的自由度数目越多越好，并且在两者权衡的基础上，还要确保微型磁轴承的结构尺寸仍满足其应用场合的空间限制要求。为了满足微型磁轴承在一些特殊的应用场合发挥其更明显的优势，从结构及控制上减小微型磁轴承的体积，降低功耗和生产成本，简化控制方案，提高磁轴承的工作性能，需采用一些新的机械结构和磁路结构，不仅要保证轴承结构及尺寸精度，也要确保其具有相对较大的气隙；不仅要保证轴承的控制精度，也要确保其功耗尽可能的低
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述现有五自由度微型磁轴承气隙不大且控制自由度数目较少的问题，提出一种结构简单、体积小、功耗低、控制简单的大气隙五自由度微型磁轴承，本专利技术同时还提出该大气隙五自由度微型磁轴承的工作方法，在实现大气隙的同时能增加磁轴承主动控制与被动控制的自由度数目。本专利技术一种大气隙五自由度微型磁轴承采用的技术方案是包括转子和定子，转子空套在转轴上，所述定子由相同的I个上部定子和I个下部定子组成，转子的轴向上表面与下表面上均贴有四片相同的永磁体，四片永磁体以N、S极首尾相接交替排列成环形，上部定子与下部定子均具有三个相同的沿圆周方向均布的定子磁极，上部定子与下部定子以镜面对称的方式位于转子轴向两侧，下部定子磁极与转子下表面上的永磁体之间、上部定子磁极与转子上表面上的永磁体之间均具有1. 2mm的气隙；在每个上部定子磁极以及每个下部定子磁极上均缠绕有轴向布置的两套控制线圈，一套是轴向控制线圈，另一套是径向控制线圈。本专利技术一种大气隙五自由度微型磁轴承的工作方法是:A、由永磁体产生在上部、下部两个气隙中分布均匀且对称的静态偏磁磁通，使转子稳定悬浮；B、当转子在径向二自由度偏离平衡位置时，上部、下部的径向控制线圈均通电各产生一个单极旋转磁场，永磁体之间排斥与吸引，实现转子的径向控制；C、当转子在径向扭转二自由度偏离平衡位置时，上部、下部的径向控制线圈均通电各形成等效磁极，永磁体之间排斥与吸引产生恢复扭转力矩，使转子回平衡位置；D、当转子在轴向单自由度偏离平衡位置时，调节上部、下部轴向控制线圈的电流，从而调节轴向气隙的轴向控制磁通，使转子回到平衡位置。本专利技术与现有技术相比的有益效果在于1、本专利技术是集径向、轴向于一体的大气隙微型磁轴承，解决了传统微型磁轴承不能实现大气隙的问题，使得微型磁轴承在一些特殊的应用场合更好的发挥其优势。2、针对传统微型磁轴承以被动控制为主、主动控制为辅所导致的控制缺乏精确性不足这一现象，本专利技术既可以增加主动控制自由度数目，以实现控制精确性，又具备被动控制，以实现低功耗为目的。3、本专利技术通过控制径向控制线圈中的电流，既然可实现产生径向力的控制，又可实现径向扭转方向的控制，可用一套线圈实现径向四自由度的控制，因此也降低了功耗，提高控制精度，提高磁轴承的整体效率。4、本专利技术的轴向单自由度控制与径向四自由度控制是采用分离的两套线圈，因此该微型磁轴承还可以根据应用场合的不同实时调整该磁轴承的应用范围，通过减少径向或轴向控制线圈的数目调整五自由度微型磁轴承为四自由度、或者单自由度微型磁轴承，扩大了其应用范围。附图说明图1为本专利技术一种大气隙五自由度微型磁轴承立体结构示意 图2为图1中大气隙五自由度微型磁轴承的径向二自由度悬浮原理图(径向恢复力)；图3为图1中大气隙五自由度微型磁轴承的径向扭转二自由度悬浮原理图(径向恢复力矩)； 图4为图1中大气隙五自由度微型磁轴承的轴向悬浮原理图。图中1·转轴；2.上部定子；21，22，23.上部定子磁极；31，32，33.上部轴向控制线圈；41，42，43.上部径向控制线圈；5.转子；6.永磁体；7.下部定子；71，72，73.下部定子磁极；81，82，83.下部轴向控制线圈；91，92，93.下部径向控制线圈；101.上部气隙；102.下部气隙；11.静态偏磁磁通；111.轴向控制磁通；12.上部旋转磁场等效磁极；13.下部旋转磁场等效磁极；14.转子等效磁极；F.径向力；Ml, M2.恢复扭转力矩；Fz.轴向力。具体实施例方式如图1所示，本专利技术包括I个立式转轴1、2个相同的定子和I个转子5。两个相同的定子分别为上部定子2和下部定子7，转子5为环形，空套在转轴I上，在转子5的轴向上表面与下表面上均以贴片形式贴着四片相同的环形围绕的永磁体6，转子5下表面上的布局与上表面上一致，即转子5下表面上的四片等大小的环形永磁体，以N、S极首尾相接地交替排列，围成一个整圆环，转子5下表面上的四片等大小的环形永磁体，也以N、S极首尾相接地交替排列，围成一个整圆环。转子5与永磁体6可构成一个整体。上部定子2与下部定子7结构完全相同，以镜面对称的方式位于转子5与永磁体6构成的整体的轴向两侧。上部定子2与下部定子7的外形均是中空的圆柱状，且每个定子具有三个相同的定子磁极。在上部定子2的下部，并且沿着圆周方向每隔120度进行开槽，开槽个数为3，开槽高度为上部定子2轴向长度的一半，开槽弧度为40度，因而形成沿圆周方向均匀分布的三个凸极，即为上部定子磁极21、22、23。在下部定子7的上部，并且沿本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种大气隙五自由度微型磁轴承，包括转子（5）和定子，转子（5）空套在转轴（1）上，其特征是：所述定子由相同的1个上部定子（2）和1个下部定子（7）组成，转子（5）的轴向上表面与下表面上均贴有四片相同的永磁体（6），四片永磁体（6）以N、S极首尾相接交替排列成环形，上部定子（2）与下部定子（7）均具有三个相同的沿圆周方向均布的定子磁极，上部定子（2）与下部定子（7）以镜面对称的方式位于转子（5）轴向两侧，下部定子磁极与转子（5）下表面上的永磁体（6）之间、上部定子磁极与转子（5）上表面上的永磁体（6）之间均具有1.2mm的气隙；在每个上部定子磁极以及每个下部定子磁极上均缠绕有轴向布置的两套控制线圈，一套是轴向控制线圈，另一套是径向控制线圈。
【技术特征摘要】
1.一种大气隙五自由度微型磁轴承，包括转子(5)和定子，转子(5)空套在转轴(I)上， 其特征是所述定子由相同的I个上部定子(2)和I个下部定子(7)组成，转子(5)的轴向上表面与下表面上均贴有四片相同的永磁体(6)，四片永磁体(6)以N、S极首尾相接交替排列成环形，上部定子(2)与下部定子(7)均具有三个相同的沿圆周方向均布的定子磁极，上部定子(2)与下部定子(7)以镜面对称的方式位于转子(5)轴向两侧，下部定子磁极与转子(5)下表面上的永磁体(6)之间、上部定子磁极与转子(5)上表面上的永磁体(6)之间均具有1. 2mm的气隙；在每个上部定子磁极以及每个下部定子磁极上均缠绕有轴向布置的两套控制线圈，一套是轴向控制线圈，另一套是径向控制线圈。2.根据权利要求1所述的一种大气隙五自由度微型磁轴承，其特征是所有定子磁极的弧度为80度，高度为所在定子轴向长度的一半。...
【专利技术属性】
技术研发人员：张维煜，朱熀秋，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。