一种带阻尼线圈一体化结构的四自由度径向磁轴承的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明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。
【背景技术】
[0002]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。
【发明内容】
[0003]本发明的技术解决问题是: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。
[0004]本发明的技术解决方案为: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；定子铁心包括定子铁心I和定子铁心II，转子铁心包括转子铁心I和转子铁心II，转子导磁环包括转子导磁环I和转子导磁环II，定子永磁体包括定子永磁体I和定子永磁体II，转子永磁体包括转子永磁体1、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。
[0005]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。
[0006]所述的空气气隙的间隙范围为0.2mm?0.25mm。
[0007]所述的被动部分气隙的间隙范围为0.4mm?0.6mm。
[0008]所述的定子永磁体1、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。
[0009]所述的转子永磁体III的轴向长度一般为2mm?2.5mm。
[0010]所述的定子铁心轴向厚度比转子铁心轴向厚度小2mm。
[0011]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5_。
[0012]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1、II X(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1、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1、II和转子永磁体1、I1、111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。本发明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1、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1、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1、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I1、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I Y轴正方向线圈电流产生的磁通为例，其路径为:定子铁心I Y轴正方向磁极、Y轴正方向空气气隙到转子铁心1、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I Y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
1、被动部分气隙到定子导磁环。
[0013]本发明与现有技术相比的优点在于:本发明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，无需使用轴向磁轴承对轴向自由度进行控制，使磁轴承整体系统更加简化，并且采用阻尼线圈，对轴向振动进行主动抑制，实现了轴向的稳定悬浮。所述的磁轴承结构两端的激磁线圈单独控制，定转子永磁体的存在使永磁磁路和电励磁磁路隔离开，避免了耦合。在一个机械设备中，本发明替代现有永磁偏置径向混合磁轴承结构的成对使用，大大缩短了轴向距离，不仅简化了磁轴承整体系统，而且还保证了磁轴承的稳定悬浮性能。
【附图说明】
[0014]图1为本发明的带阻尼线圈一体化结构的四自由度径向磁轴承结构图，图1a为轴向截面图，图1b为径向截面图；
[0015]图2为本发明的带阻尼线圈一体化结构的四自由度径向磁轴承永磁磁路示意图；
[0016]图3为本发明的带阻尼线圈一体化结构的四自由度径向磁轴承激磁线圈产生的电磁磁路示意图；
[0017]图4为本发明的带阻尼线圈一体化结构的四自由度径向磁轴承阻尼线圈产生的电磁磁路示意图；
【具体实施方式】
[0018]如图1所示，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 I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 I和定子永磁体II 12相连，定子永磁体I I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，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，