一种磁悬浮轴承及高性能伺服电机的制作方法

发明涉及一种磁悬浮轴承及高性能伺服电机，属于电机技术领域。

背景技术：

现有技术提供了的伺服电机为机械轴承的电动机，其包括定子和转子，在定子的槽中设有旋转用的绕组，在绕组中施加电流，则转子在机械轴承中旋转，这种伺服电机的缺点是机械轴承的磨损严重，电机寿命短，转速较低。

技术实现要素：

为克服现有技术的缺点，发明的发明目的是提供一种磁悬浮轴承及高性能伺服电机，所述磁悬浮轴承构造简单，所述伺服电机寿命长，输出转速较高。

为实现所述发明目的，发明提供一种磁悬浮轴承，其包括外壳，其特征在于，还包括设置外壳内的固定环和设置在固定环外周沿周向布置的多个磁性滚子，所述固定环包括同心设置且依次嵌套的四个圆环，所述四个圆环从内到外依次稀土金属环、特氟龙环、永磁体环和铜环；所述磁性滚子至少包括永久性磁体，固定环上的永磁体环的极性与磁性滚子永久性磁体的极性相反。

优选地，所述磁性滚子为磁性滚柱，其从内到外依次为稀土金属环、特氟龙环、永磁体环和铜环。

优选地，所述稀土金属为钕。

优选地，所述外壳至少包括屏蔽层，用于隔离固定环和磁性滚柱产生的磁场对外界的干扰。

为实现所述发明目的，本发明还提供一种伺服电机，其包括电动机及驱动器，所述电动机通过上述的磁悬浮轴承将转子轴活动地设置于支座上，所述驱动器根据设定的运行模式给电机的驱动绕组提供交流电流。

优选地，所述驱动器包括用于将交流电变为直流电能的acdc转换器、用于储存直流电能的储能器和指令运算单元；所述指令运算单元根据所述储能器的电能蓄存量和所述电动机的运行模式，控制acdc转换器的电能供给量。

优选地，所述指令运算单元包括电流检测单元、速度指令单元、蓄能检测单元、电流指令运算单元和电流控制单元，其中，电流检测单元用于检测acdc转换器输入端的电流值；蓄能检测单元用于检测储能器所存储的电量；转速指令单元根据转速模式计算驱动电动机的所需电能；电流指令运算单元根据转速指令单元的指令和蓄能检测单元提供的储能器可提供的电量计算从acdc转换器和储能器提供给电动机电能的比例；电流控制单元根据电流指令运算单元的指令和电流检测单元提供电流的供电电流控制acdc转换器以根据其应供给的比例提供电能。

优选地，所述指令运算单元包括电压检测单元、速度指令单元、蓄能检测单元、电压指令运算单元和电流控制单元，其中，电压检测单元用于检测acdc转换器输入端的电压值；蓄能检测单元用于检测储能器所存储的电量；转速指令单元根据转速模式计算驱动电动机的所需电能；电压指令运算单元根据转速指令单元的指令和蓄能检测单元提供的储能器可提供的电量计算从acdc转换器和储能器提供给电动机电能的比例；电压控制单元根据电压指令运算单元的指令和电压检测单元提供电压的供电电压控制acdc转换器以根据其应供给的比例提供电能。

与现有技术相比，发明提供的磁悬浮轴承结构简单，不需要额外的供电产生支撑力，发明提供的伺服电机由于使转子磁磁悬浮于基座上，在转子旋转时，不需要克服机械轴承的阻力，且机械磨擦小，因此，寿命长，转速高且输出功率大。

附图说明

图1是本发明提供的磁悬浮轴承的组成示意图；

图2是本发明提供的伺服电机供电电路的组成框图；

图3是本发明提供的伺服电机的工作状态图；

图4是本发明提供的伺服电机供电电路变形例的组成框图；

图5是本发明提供的伺服电机供电电路另一变形例的组成框图；

图6是本发明提供的acdc转换器的电路图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，所示实施例仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。应该理解，当我们称元件被“连接”到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，本申请文件中所用术语，应该被理解为具有与现有技术一致的意义，除非在本申请文件被特定定义，否则不会用极端化的含义来解释。

图1是发明提供的磁悬浮轴承的组成示意图，如图1所示，本发明提供的磁悬浮轴承包括外壳5，还包括设置外壳5内的固定环和多个设置在固定环外沿周向布置的磁性滚子ro1-ro8，所述固定环包括同心设置且依次嵌套的四个圆环，所述四个圆环从内到外依次稀土金属环1、特氟龙环2、永磁体环3和铜环4，所述永磁体3上端为n极性，下端为s极性。磁性滚子至少包括永久磁体，优选地，磁性滚子为磁性滚柱，所述磁性滚柱ro从内到外依次为稀土金属环、特氟龙环、永磁体环和铜环，所述永磁体上端为s极，下端为n极。优选地，稀土金属为钕。所述外壳5优选包括磁性屏蔽材料，用于防止固定环和磁性滚柱产生的磁场对外界的干扰。发明虽然以磁性滚柱为8个进行示例性的说明，但磁性滚柱也可以为任意个。

使用时，将伺服电机的轴子轴ax固定于固定环上，当转子轴ax在由伺服电机的定子产生旋转磁场而驱动旋转时，固定环也旋转，所述固定环与设置其周围的磁性滚子之间会产生磁悬浮，从而作无摩擦滑动，磁性滚子产生自转。

下面描述本发明提供的伺服电机的供电电路。

图2是本发明提供的伺服电机的供电电路的组成框图，如图2所示，控制系统包括acdc转换器，其用于将交流电源201提供的交流电能进行升压，并转换为直流电能，所述acdc转换器包括电感202、电能转换器203和滤波器204，交流电源201经电感202连接于电能转换器203，电能转换器203将交流电能转换为直流电能并进行升压，而后经滤波器204滤除交流成份。

电能转换器203的输出端连接于储能器209，并给电流逆变器206提供直流电能。储能器209可使用可充电电池，大容量电容器，双电荷层电容器等。

在逆变器206的直流侧与也设置有电容器207。逆变器206的交流侧与交流电动机m连接，用于给电动机m提供交流电流，以产生旋转磁场。交流电动机m的旋转速度和旋转位置由编码器211检测。电动机m的旋转速度的指令从转速指令单元221输出。

速度控制单元222根据来自转速指令单元221的速度指令以及来自编码器211和电流检测器223的反馈信号进行工作，实施交流电动机m的速度控制、电流控制、pwm控制以及根据该输出对逆变器206进行pwm控制。由于该控制是公知的，所以省略详细的说明。

本发明提供的供电电路还包括所述指令运算单元，包括电流检测单元234、速度指令单元221、蓄能检测单元231、电流指令运算单元232和电流控制单元233，其中，电流检测单元234用于检测acdc转换器输入端的电流值；蓄能检测单元231用于检测储能器209所存储的电量；速度指令单元221根据转速模式计算驱动电动机m的所需电能；电流指令运算单元232根据转速指令单元221的指令和蓄能检测单元231提供的储能器209可提供的电量计算从acdc转换器和储能器209提供给电动机电能的比例；电流控制单元233根据电流指令运算单元232的指令和电流检测单元234提供电流的供电电流控制acdc转换器以根据其应供给的比例提供电能。另外，本例说明了从转速指令单元221发出速度指令，但也可以构成为发出位置指令，由速度控制单元222实施交流电动机m的位置控制，速度控制，电流控制，pwm控制

另一方面，储能器209的能量蓄能状态由蓄能检测单元231检测。另外，交流电动机m的所需电能由转速指令单元221运算。蓄能检测单元231的检测值和来自转速指令单元221的所需电能被输入到电流指令运算单元232，在电流指令运算单元232中计算出acdc转换器205的输出电流。即，在交流电源201的功率因数为1时，指示交流电源201电流的大小。电流控制单元233根据电流指令运算单元232的输出和交流电源201的电压以及来自电流检测器234的信号进行工作，实施交流电源201的电流控制、pwm控制和使电能转换器203进行pwm工作

下面描述acdc转换器205的工作过程。在转速指令单元221中计算交流电动机m所需的瞬时电能，即根据转速模式计算驱动电动机m的所需电能。所需电能根据转速模式由速度指令和转矩指令的积求出。速度指令作为机器人的转速模式，即交流电动机的速度指令求出，转矩指令根据试机器人运动时的转矩指令求出。

交流电动机m所需的电能从储能器209和acdc转换器205供给。电流指令运算单元232决定这两者的供给比例。存储能量检测单元231根据存储量计算输出和可存储的功率。电流指令运算单元232根据来自转速指令单元221的电动机所需电能和来自存储能量检测单元231的检测值，运算从acdc转换器205输出的电能，即与电能对应的电流指令值。来自电流指令单元221的电动机所需电能可以时刻输出包含当前时刻和当前时刻以后的值，也可以将转速模式的一个周期量预先输出到电流指令运算单元232。储能器209的存储量可以根据出入储能器209的电压和电流来运算。或者，也可以仅从电压或电流的任意一方来计算。另外，在蓄能检测单元231中，也可以不检测积蓄量本身，而根据流入或流出储能器209的电能进行检测。

这样，电流指令运算单元232的运算考虑与转速模式对应的电动机所需电能和储存在储能器中的储存能量来运算电流指令。电流控制单元233控制acdc转换器205，使得与电流指令值对应的电源电流从交流电源201流向acdc转换器205。使用该结构，则能够将电源电流控制为正弦波且功率因数为1。另外，作为提供给电流控制单元233的电流指令值，如上所述，不仅控制为功率因数为1，而且还能够进行功率因数=1以外的控制。

图3是表示根据转速模式控制acdc转换器的工作状态的例子，图3（a）是电动机旋转速度的波形图，图3（b）是电动机所需转矩，图3（c）是电动机所需电能，图3（d）是acdc转换器的输出，图3（e）是储能器的输出，图3（f）是存储在储能器中的存储电能，横轴是共同的时间轴。如图3所示，在t0时刻，电动机以高速转速。从t1到t2时刻，进入减速状态。从t2到t3时刻，一边加速一边进行作业，在从t3到t4时刻,作业结束后,电动机加速而后从t5高速转速。此后重复上述过程。

在图3所示的例子中，电动机从t1到t2时刻需要减速转矩，从t2到t3时刻需要用于作业的转矩，从t3到t4时刻需要加速转矩。该转速的转矩根据作业内容预先根据模拟计算或试验转速时的结果求出。电动机所需电能由电动机旋转速度和所需转矩的积决定，由此可见，从作业时的t2到t3时刻需要大的电能，进而作为时间积分需要大的能量。为了应对这样的作业时的大能量，如下设置电流输出值。在图3中，从t1时刻向acdc转换器输出能够得到规定的输出电流的指令。从t1到t2时刻，尽管电动机进行再生工作，但acdc转换器使电能从交流电源201输出到acdc转换器。结果，如图3（e）那样，从t1到t2时刻，来自电动机的再生电能和来自电源的电能流入储能器。从t2时刻开始，来自储能器和电源的两者的电能流向电动机，持续到t4时刻。然后，在检测蓄能状态的同时，发出使储能器进行蓄能工作的电流指令，在t41的时刻使电流指令返回零。这样，根据运行模式计算出需要的所需电能，当确定电流指令时，即使acdc转换器的变换容量或储能器的蓄能容量小，也能够实现给电动机提供所需要的能量。

图4表示本发明提供的另一实施例的供电电路的组成框图。在图4中，对与图2相同的部件标注相同的符号。该实施例的特征在于，所述指令运算单元包括电压检测单元253、速度指令单元221、蓄能检测单元231、电压指令运算单元251和电压控制单元252，其中，电压检测单元253用于检测acdc转换器输入端的电压值；蓄能检测单元231用于检测储能器所存储的电量；转速指令单元221根据工作模式计算驱动电动机的所需电能；电压指令运算单元251根据转速指令单元221的指令和蓄能检测单元231提供的储能器可提供的电量计算从acdc转换器和储能器209提供给电动机电能的比例；电压控制单元252根据电压指令运算单元的指令和电压检测单元253提供电压的供电电压控制acdc转换器以根据其应供给的比例提供电能。这样，根据转速指令和能量蓄能状态使电压指令变化，得到与其对应的电压指令，使acdc转换器205工作。由于储能器209的电压根据能量蓄能状态而不同，因此根据转速指令和能量存储状态来变更直流电压的指令值。这样也能够实现本发明。

图5是本发明提供的另一变列的供电电路的组成框图，如图5所示与图2所示的供电电路相同的部分不再重述，下面仅描述不同的部。图5所示的供电电路还包括电流限制运算单元261，其用于给acdc转换器205，其根据蓄能检测单元提供的储能器209储能信息及速度指令单元221提供的指令计算acdc转换器205输出的电压指令并计算其最大限制电流值。电压指令单元262根据来自电流限制运算单元261的指令，给电压控制单元263提供指令。电压控制单元263根据直流电压指令、用于检测acdc转换器205输入端的电压的电压检测单元253提供的信息和用于检测acdc转换器205输出端的电压的电压检测单元265提供的信息给电流限制单元264指供电流指令值。电流限制单元264根据电流限制运算单元261的信号和电压控制单元263提供的指令确定电源201电流的限制值，由此限制从交流电源201流过的电流。由于根据转速指令和储存能量可变地控制电压指令值和电流限幅值，所以能够进一步减小升压205和储能器209的容量。

本发明提供的控制系统可以给多个电机提供控制信号，由储能器或acdc转换器供给所有电动机提供电能。各个电动机由有各自的逆变器。将电动机逆变器的直流母线侧共同连接，而后与acdc转换器205的输出端相连。

图6是本发明提供的acdc转换器的电路图，如图6所示，本发明提供acdc转换器，第一开关元件t1和第二开关元件t2通过脉宽调制电路控制它们同时接通或断开。第一开关元件t1和第二开关元件t2接通时，交流电源201的电流仅流过电感202，在电感202中存储励磁能量。第一开关元件t1和第二开关元件t2断开时，电感202的励磁能量流过交流电源201和由二极管d1和二极管d2构成的桥式整流电路进行整流，而后由电容204进行滤波，输出直流电能。在电抗器2的励磁能量释放期间，第一开关元件t1和第二开关元件t2的两端的电压与电容204的两端的电压大致相等，当释放断开时，降低到交流电源201的交流电压的瞬时值。该电压的下降由电容c1和电阻r1的串联电路或电容c2和电阻r2的串联电路捕获。当下降的电压小于基准电源的值时，比较器co1或比较器co2输出高电平，脉宽调制电路输出使第一开关元件t1和第二开关元件t2接通的脉冲。由于在电感202的励磁能量变为零之后，第一开关元件t1和第二开关元件t2接通，所以流过交流电源201的电流从零安培上升。通过控制脉宽调制电路pwm输出的方波信号就可控制交流电源201提供的供电量。

在接通期间，由于使交流电压的正半周和负半周中的任一个都保持一定的值，所以断开之前的电感202的峰值电流与交流电压的瞬时值成比例。并且，从峰值电流下降的斜率与电容204的电压和交流电压的瞬时值之差成比例。由于交流电源的电压是正弦波，所以则在正半周和负半周的电流波形相同，即，不流过偶数次的高次谐波电流。因此，本发明提供的acdc转换器可抑制偶次谐波的干扰。

应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明所要求的保护范围由所附权利要求书限定。