专利名称：一种单轴控制式五自由度微型磁轴承的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种非机械接触的五自由度磁轴承，特指一种五自由度微型磁轴承， 可作为诸如磁悬浮微型电机、商业硬盘驱动器、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。
背景技术：
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，适用于具有空间限制的高速、超洁净和真空等特殊场合，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。磁轴承的结构一般都包括定子和转子，在定子上缠绕控制线圈，对控制线圈进行通电产生磁通，利用定子与转子之间的磁力作用将转子悬浮于空间，实现对转子的主动控制。因此，需要多个定子和线圈，以及相应的多个传感器才能实现各自由度的主动控制，导致磁轴承的结构尺寸较大，各自由度悬浮力之间需要复杂的解耦控制，且磁轴承功耗高、成本高，因此不适用于有空间限制要求的工作场合。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术中磁轴承的结构尺寸较大，不能应用于有空间限制要求场合的不足，提出一种单轴控制式五自由度微型磁轴承，从结构上减小磁轴承的体积、降低磁轴承功耗。本发明为实现上述目的采用的技术方案是转子同轴固接转轴，转子上空套永磁体，转轴上空套有左右布置的2个相同的法兰盘，2个法兰盘间设有1个转子、2个环形的定子磁轭、轴向充磁的1个环形永磁体和2个轴向控制线圈；法兰盘的内侧面与转子的两个端面之间具有轴向气隙；定子磁轭固定设置于永磁体的轴向两侧；2个法兰盘、2个定子磁轭以及永磁体的外径均相等；2个轴向控制线圈设置于2个定子磁轭与2个法兰盘构成的空腔内且相对于转子左右对称；转轴的轴向一侧设有传感器；永磁体产生静态偏磁磁通，静态偏磁磁通是从永磁体N极流出、依次经一侧的定子磁轭、法兰盘、轴向气隙后进入转子，再进入另一侧的轴向气隙、法兰盘、定子磁轭，回到永磁体S极的闭环磁回路；轴向控制线圈通以控制电流产生轴向控制磁通，轴向控制磁通是依次经定子磁轭、法兰盘、轴向气隙、转子、回到定子磁轭的闭环磁回路。本发明与现有技术相比的有益效果在于
1、本发明将现有的大尺寸的磁轴承微型化，微型的过程中考虑简单控制，精简结构，降低成本等因素，因此，本发明减少主动控制的自由度数目，提出了被动悬浮控制，无需采用定子上通过缠绕控制线圈进行通电来实现主动控制。2、区别于传统磁轴承或无轴承电机，本发明采用被动磁轴承和主动磁轴承相结合的办法，只在一个自由度(绕轴向Z轴平动)采用主动控制，而其它自由度(绕径向X、Y轴平动及绕χ、γ轴扭转)采用被动控制，使转子实现五自由度悬浮。相比于全部采用主动控制的五自由度磁轴承，本发明大大减少了系统所需的电磁铁及各个自由度采取闭环控制方法所采用的传感器的数目，且针对微型磁轴承的悬浮力较小的特点，只在轴向单自由度采取主动控制，而其它四自由度采取的被动控制，无需进行各个自由度之间的悬浮力解耦控制，因此本发明简化了磁轴承的控制方案，降低了磁轴承的控制成本，减少了磁轴承的功率损耗， 提高了磁轴承的整体效率。3、本发明可达到很高的运转转速，并且具有结构简单、体积小、功耗低、成本低、控制简单、机械磨损小、寿命长、无污染等优点，提高了磁轴承的承载力和工作性能、扩大了磁轴承的应用领域。
图1为本发明单轴控制式五自由度微型磁轴承轴向截面图及轴向控制原理图； 图2为图1中的A-A剖视图3为图1所示的本发明微型磁轴承被动悬浮径向恢复力的结构原理图； 图4为图1所示的本发明微型磁轴承被动悬浮径向恢复力矩的结构原理图； 图5为图1所示的本发明微型磁轴承轴向主动悬浮的结构原理图； 图中1.永磁体；2.定子磁轭；3.法兰盘；4.轴向控制线圈；5.转子；6.转轴；7.传感器；8.静态偏磁磁通；9.轴向控制磁通；10.轴向气隙。
具体实施例方式如图1及图2所示，本发明由1个永磁体1、2个相同的定子磁轭2、2个相同的法兰盘3、2个相同的轴向控制线圈4、1个转子5、1个转轴6和1个传感器7构成。2个相同的法兰盘3均空套在转轴6上且左右布置，法兰盘3为常用的阶梯状结构，在2个相同的法兰盘3之间设置转子5、2个相同的定子磁轭2、1个永磁体1和2个相同的轴向控制线圈4， 其中，转子5同轴固定在转轴6上，由圆形硅钢片叠压在转轴6上，并且在2个相同的法兰盘3的内侧面与转子5的两个端面之间留有轴向气隙10。转子5上空套1个永磁体1，永磁体1为轴向充磁的环形永磁体，一端是N极，另一端是S极。在轴向上，位于永磁体1的轴向两侧，与2个相同的法兰盘3内壁之间的空间各固定设置1个环形的定子磁轭2，即本发明的法兰盘3内侧联接定子磁轭2，永磁体1被叠压在具有对称结构的2个相同的定子磁轭2之间。2个法兰盘3、2个定子磁轭2以及永磁体1的外径均相等，2个定子磁轭2与永磁体1的内径相等。在2个定子磁轭2与2个法兰盘3构成的空腔内设置2个相同的轴向控制线圈4，2个相同的轴向控制线圈4相对于转子5左右对称。在转轴6的轴向一侧安置传感器7，用于检测转子5的轴向位移。根据磁回路要求，磁路部件需导磁性能良好，磁滞低，并尽量降低涡流损耗与磁滞损耗，由此确定转子5采用硅钢片叠压而成，而定子磁轭2、法兰盘3采用电工纯铁加工而成，永磁体1采用高性能稀土材料钕铁硼。本发明由永磁体1产生静态偏磁磁通8 (参见图1中带箭头的虚线磁路)，静态偏磁磁通8从永磁体1的N极流出，依次经过一侧的定子磁轭2、法兰盘3、轴向气隙10后进入转子5，然后进入另一侧的轴向气隙10、法兰盘3、定子磁轭2、最后回到永磁体1的S极，形成闭环磁回路结构。轴向控制线圈4通以控制电流产生轴向控制磁通9 (参见图1中带箭头的实线磁路)，轴向控制磁通9依次经过定子磁轭2、法兰盘3、轴向气隙10后进入转子 5，然后回到定子磁轭2，形成闭环磁回路结构。如图3所示，当转子5在径向二自由度方向(X、Y)受到干扰而偏离平衡位置时，根据磁阻力特性可知，永磁体1提供的静态偏磁磁通8产生恢复力F，其方向为X轴正方向。 使转子5回到平衡位置。如图4所示，当转子5在径向扭转二自由度方向( 0、Φ分别为绕X、Y轴的扭转角度)，受到干扰而偏离平衡位置位置时，利用转子5的外径相对于转子5的轴向长度较短的结构特点和磁阻力总是有使磁路磁阻最小的性质，永磁体1 提供的静态偏磁磁通8产生恢复扭转力矩Μ，其方向为绕Y轴正方向扭转方向，使转子5回到平衡位置。如图5所示，当转子5在轴向单自由度方向(Z)受到干扰偏离平衡位置时，通过传感器7反馈微型磁轴承的位移情况，调节左右轴向控制线圈4的电流，从而调节轴向气隙10 中的轴向控制磁通9，图5所示的是调节了左侧的轴向气隙10使其增大，使右侧的轴向气隙 10减小，始终使转子保持在轴向平衡位置。因此，本发明将被动悬浮控制(针对径向四自由度)和主动悬浮控制(针对轴向单自由度)相结合，在径向二自由度和扭转方向的二自由度采用被动控制，轴向通过控制线圈 4通直流电提供轴向控制磁通实现转子5的轴向悬浮力的闭环控制，最终实现转子5的稳定悬浮。只利用轴向一个自由度控制微型磁轴承五自由度稳定悬浮，径向四自由度依靠转子5自身磁阻力实现被动悬浮；轴向一个自由度通过调节轴向控制线圈4中电流的大小来改变轴向左右气隙10处磁通的大小，进而改变转子5轴向左右两侧受力的大小，使转子处于平衡位置，实现主动悬浮。当转子5处于平衡位置时，左右两侧轴向气隙10中静态偏置磁通8和轴向控制磁通9两部分叠加合成磁通密度相等；利用转子5外径相对于转子5的轴向长度较短的结构特点和磁阻力总是使磁路磁阻最小的原理，当转子5有径向位移或倾斜，磁阻力都会作用使其回到平衡位置。根据以上所述，便可以实现本发明。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。
权利要求
1. 一种单轴控制式五自由度微型磁轴承，转子(5)同轴固接转轴(6)，转子(5)上空套永磁体(1)，其特征是转轴(6)上空套有左右布置的2个相同的法兰盘(3)，2个法兰盘 (3)之间设有1个转子(5)、2个环形的定子磁轭(2)、轴向充磁的1个环形永磁体(1)和2 个轴向控制线圈(4)；法兰盘(3)的内侧面与转子(5)的两个端面之间具有轴向气隙(10)； 定子磁轭(2)固定设置于永磁体(1)的轴向两侧；2个法兰盘(3)、2个定子磁轭(2)以及永磁体(1)的外径均相等；2个轴向控制线圈(4)设置于2个定子磁轭(2)与2个法兰盘(3) 构成的空腔内且相对于转子(5)左右对称；转轴(6)的轴向一侧设有传感器(7);永磁体(1) 产生静态偏磁磁通(8)，静态偏磁磁通(8)是从永磁体(1)的N极流出、依次经一侧的定子磁轭(2)、法兰盘(3)、轴向气隙(10)后进入转子(5)，再进入另一侧的轴向气隙(10)、法兰盘(3)、定子磁轭(2)、回到永磁体(1)的S极的闭环磁回路；轴向控制线圈(4)通电流产生轴向控制磁通(9)，轴向控制磁通(9)是依次经定子磁轭(2)、法兰盘(3)、轴向气隙(10)、转子(5)、回到定子磁轭(2)的闭环磁回路。
全文摘要
本发明公开一种单轴控制式五自由度微型磁轴承，用于有空间限制要求的工作场合，转轴上空套左右布置的2个相同的法兰盘，2个法兰盘间设有1个转子、2个环形的定子磁轭、轴向充磁的1个环形永磁体和2个轴向控制线圈；法兰盘的内侧面与转子的两个端面之间具有轴向气隙；定子磁轭固定设置于永磁体的轴向两侧；2个轴向控制线圈设置于2个定子磁轭与2个法兰盘构成的空腔内且相对于转子左右对称；转轴的轴向一侧设有传感器；永磁体产生闭环静态偏磁磁通，轴向控制线圈产生闭环轴向控制磁通；采用被动磁轴承和主动磁轴承相结合，将现有的大尺寸磁轴承微型化，具有结构简单、功耗低、控制简单等优点，提高承载力和工作性能、扩大了应用领域。
文档编号F16C32/04GK102297202SQ20111023289
公开日2011年12月28日 申请日期2011年8月15日 优先权日2011年8月15日
发明者张维煜, 朱熀秋, 杨益飞 申请人:江苏大学