CN118423364B - 一种八极五自由度混合磁悬浮轴承及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种八极五自由度混合磁悬浮轴承及其控制方法，通过利用永久磁铁产生的磁场，取代了主动磁悬浮轴承中电磁铁所产生的静态偏置磁场，使功率损耗大大降低，减少了电磁铁的安匝数，缩小了磁悬浮轴承体积，并且提高了磁悬浮轴承的效能，轴向和径向控制磁通均不经过永磁体，可产生更大轴向和径向悬浮力的低功耗永磁偏置五自由度集成化磁轴承。

Description

一种八极五自由度混合磁悬浮轴承及其控制方法

技术领域

本申请涉及磁悬浮轴承技术领域，具体涉及一种八极五自由度混合磁悬浮轴承。

背景技术

随着现代化工业的发展，高速化成为了电机发展的主要方向，安静工作环境的设备中，对高速电机有了更高的要求，即电机在运转过程中应减少因润滑而产生的磨损和噪音等问题。磁悬浮轴承实现了轴承静止结构与旋转结构的无接触，从而消除了传统轴承的缺点，将电机中的传统机械轴承替换为磁悬浮轴承为电机转子创造了高速旋转的条件，大大减少了电机在旋转过程中产生的机械功率损耗，提高了高速电机的效率，而且使高速电机更能耐受噪声、油污等恶劣运行环境。

根据悬浮力的产生原理，磁悬浮轴承可分为主动磁轴承(AMBs)、被动磁轴承(PMBs)和混合磁轴承(HMBs)主动磁轴承是利用定子上的电磁线圈产生电磁力将转子稳定悬浮于空间的一种轴承；被动磁轴承是一种永久磁铁的磁悬浮轴承。与AMBs和PMBs不同，HMB混合磁悬浮轴承利用永久磁铁产生的磁场，取代了主动磁悬浮轴承中电磁铁所产生的静态偏置磁场，使功率损耗大大降低，减少了电磁铁的安匝数，缩小了磁悬浮轴承体积，并且提高了磁悬浮轴承的效能。此外，HMB还可分为1-DOF轴向HMB、2-DOF径向HMB和3-DOF径向和轴向HMB。为了实现高速转子的稳定悬浮，需要多个HMB单元组成一个五自由度(5-DOF)磁悬浮系统。

发明内容

本申请为了解决上述技术问题，提供一种可实现高速转子稳定悬浮，极大地降低功率损耗的八极五自由度混合磁悬浮轴承。

一种八极五自由度混合磁悬浮轴承，包括转轴，所述转轴中部设有转轴推力盘，所述转轴两端套设有转子，所述转子周侧套设有定子组件，所述定子组件包括套设于所述转轴上的壳体；

径向轴承定子组件，其位于所述壳体的两端并套设于所述转子上，用于产生可控磁径向吸力，为所述转子提供径向磁场作用以调整所述转子在径向的位置；

轴向轴承定子组件，包括左轴向定子环和右轴向定子环，其分别套设于所述转轴推力盘两端且位于所述壳体内，用于产生可控磁轴向吸力，为所述转子提供轴向磁场作用以调整所述转子在径向的位置；

永磁环组，其设于所述径向轴承定子组件与所述轴向轴承定子组件之间，为所述轴承提供对称的偏置磁路。

如上所述的八极五自由度混合磁悬浮轴承，所述径向轴承定子组件包括圆环型套件，所述圆环型套件内壁朝所述转子方向凸设有多个凸缘，多个所述凸缘上均绕设有控制线圈，以产生可控磁径向吸力非接触地稳定悬浮所述转轴。

如上所述的八极五自由度混合磁悬浮轴承，所述凸缘设有8个，沿圆周均匀分布于所述圆环型套件的内壁，8个所述凸缘均绕设有所述控制线圈。

如上所述的八极五自由度混合磁悬浮轴承，所述壳体内设有可供所述轴向轴承定子组件放置的放置槽，所述放置槽位于所述转轴推力盘周侧。

如上所述的八极五自由度混合磁悬浮轴承，所述永磁环组包括位于所述壳体左侧的左永磁环和位于所述壳体右侧的右永磁环，所述左永磁环与所述右永磁环的相对端为同极性。

如上所述的八极五自由度混合磁悬浮轴承，所述永磁环组的材料采用NdFe35。

如上所述的八极五自由度混合磁悬浮轴承，8个所述凸缘的磁极分布为NNSSNNSS。

一种磁悬浮轴承的控制方法，采用如上任一项所述的八极五自由度混合磁悬浮轴承，包括以下步骤：

获取所述转轴推力盘与所述左轴向定子环之间的最小间距da；

获取所述转轴推力盘与所述右轴向定子环之间的最小间距db；

根据所述最小间距da与所述最小间距db之间的大小关系，调整所述轴向轴承定子组件内的电流方向和/或电流大小，以使所述转轴推力盘朝向所述最小间距da与所述最小间距db中较大值的一侧轴向移动。

与现有技术相比，本申请的有益效果如下：

本申请提供一种八极五自由度混合磁悬浮轴承，通过利用永久磁铁产生的磁场，取代了主动磁悬浮轴承中电磁铁所产生的静态偏置磁场，使功率损耗大大降低，减少了电磁铁的安匝数，缩小了磁悬浮轴承体积，并且提高了磁悬浮轴承的效能，轴向和径向控制磁通均不经过永磁体，可产生更大轴向和径向悬浮力的低功耗永磁偏置五自由度集成化磁轴承，由于其轴向轴承定子组件设置有左右两组，左右两组轴向轴承定子组件分别设置于转轴推力盘的左右两侧，同时两侧还分别具有两组径向磁轴承铁芯。

本申请提供的一种磁悬浮轴承的控制方法，左永磁体环与右永磁体环两者分别处于轴向定子环与两径向定子之间的位置，能够使轴向控制磁路与径向控制磁路实现隔离，有效降低径向控制磁路与轴向控制磁路之间存在的耦合，进一步降低磁轴承的控制难度，也即控制逻辑得到简化，提高了磁悬浮轴承的效能，轴向和径向控制磁通均不经过永磁体，可产生更大轴向和径向悬浮力的低功耗永磁偏置五自由度集成化磁轴承。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本申请一种八极五自由度混合磁悬浮轴承装配的立体示意图；

图2是本申请一种八极五自由度混合磁悬浮轴承的分解图；

图3是本申请一种八极五自由度混合磁悬浮轴承的A-A处剖面图；

图4是本申请一种八极五自由度混合磁悬浮轴承的B-B处剖面图；

图5是本申请一种八极五自由度混合磁悬浮轴承的B-B处剖面磁路走向图；

图6是本申请一种八极五自由度混合磁悬浮轴承的A-A处剖面磁极分布图；

图7是本申请一种八极五自由度混合磁悬浮轴承的B-B处剖面轴向叠加磁通图；

图8是本申请一种八极五自由度混合磁悬浮轴承的B-B处剖面轴向叠加磁场强度图；

图9是本申请一种八极五自由度混合磁悬浮轴承的A-A处剖面径向叠加磁场强度图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-9所示，一种八极五自由度混合磁悬浮轴承，包括转轴1、转轴推力盘2、转子3、定子组件4、壳体40、径向轴承定子组件41、轴向轴承定子组件42、左轴向定子环421、右轴向定子环422、永磁环组5、圆环型套件410、凸缘411、控制线圈412、放置槽401、左永磁环51、右永磁环52。

一种八极五自由度混合磁悬浮轴承，包括转轴1，所述转轴1中部设有转轴推力盘2，所述转轴1两端套设有转子3，所述转子3周侧套设有定子组件4，所述定子组件4包括套设于所述转轴1上的壳体40；

径向轴承定子组件41，其位于所述壳体40的两端并套设于所述转子3上，用于产生可控磁径向吸力，为所述转子3提供径向磁场作用以调整所述转子3在径向的位置；

轴向轴承定子组件42，包括左轴向定子环421和右轴向定子环422，其分别套设于所述转轴推力盘2两端且位于所述壳体40内，用于产生可控磁轴向吸力，为所述转子3提供轴向磁场作用以调整所述转子3在径向的位置；

永磁环组5，其设于所述径向轴承定子组件41与所述轴向轴承定子组件42之间，为所述轴承提供对称的偏置磁路，通过利用永久磁铁产生的磁场，取代了主动磁悬浮轴承中电磁铁所产生的静态偏置磁场，使功率损耗大大降低，减少了电磁铁的安匝数，缩小了磁悬浮轴承体积，，并且提高了磁悬浮轴承的效能，轴向和径向控制磁通均不经过永磁体，可产生更大轴向和径向悬浮力的低功耗永磁偏置五自由度集成化磁轴承，由于其轴向轴承定子组件设置有左右两组，左右两组轴向轴承定子组件分别设置于转轴推力盘的左右两侧，同时两侧还分别具有两组径向磁轴承铁芯。

优选地，所述径向轴承定子组件41包括圆环型套件410，所述圆环型套件410内壁朝所述转子3方向凸设有多个凸缘411，多个所述凸缘411上均绕设有控制线圈412，以产生可控磁径向吸力非接触地稳定悬浮所述转轴1。

优选地，所述凸缘411设有8个，沿圆周均匀分布于所述圆环型套件410的内壁，8个所述凸缘411均绕设有所述控制线圈412。

优选地，所述壳体40内设有可供所述轴向轴承定子组件42放置的放置槽401，所述放置槽401位于所述转轴推力盘2周侧。

优选地，所述永磁环组5包括位于所述壳体40左侧的左永磁环51和位于所述壳体40右侧的右永磁环52，所述左永磁环51与所述右永磁环52的相对端为同极性。

优选地，所述永磁环组5的材料采用NdFe35。

优选地，8个所述凸缘411的磁极分布为NNSSNNSS，径向磁轴承根据磁极的分布方向分为同极性和异极性。异极性分布的磁轴承周向尺寸小，结构紧凑，在周向空间充分利用。异极性结构磁极的分布分为NSSN和NSNS。当转子旋转时，NSSN分布的磁力线的方向在一个周期内变化次数少于NSNS，损耗较小，绕线方案规定了各磁极线圈的绕线方向和各线圈之间的连接方式，所设计的径向轴承结构为电磁解耦型拓扑结构，驱动方式为相对两极的差动驱动模式，相邻两个磁极构成一个磁通回路。

更优选的，对于磁悬浮轴承承载力，结构形式确定的情况下，磁极面积增大，则线圈腔面积必然减小，需要根据承载要求和使用条件分配磁极和绕组体积所占比例，具体表现为磁极横截面积A与定子线圈腔面积A_cu的分配，根据数学模型推导，八极径向磁悬浮轴承承载力与两个面积的关系为

则磁极面积A和线圈腔面积A_cu可分别由磁极宽度b来表示为

根据上式可得电磁力随着磁极宽度b的变化规律。

更优选地，电涡流位移传感器探头将高频交流电流穿过包围在壳体中的空心线圈，电磁线圈单元在被测导电物体上诱发涡流，并从振荡电路上吸收能量。线圈电感随探头与所测物体表面距离大小而变化，传感器前置器中的外部电路将这种变化转换为输出电压信号。因为磁悬浮轴承的磁场变化影响，必须使用带有屏蔽的传感器，其次也可以采用电流纹波进行转子的定位，但这种方法可靠性较差，继电器切换时可能会丢失脉冲，可以通过软件进行补偿，优点是价格低。

电磁铁对悬浮物体的作用力是产生在不同磁导率物体的边界即悬浮物体的表面上的。气隙中磁场能量变化使物体表面产生作用力，作用力是悬浮物体位移的函数，对于小位移ds，磁通保持为常数，当气隙s增大，位移d_s增大，气隙体积V_a增大，气隙的磁场储能W_a变化dW_a其中W_a为：

这部分能量转化为对悬浮物体的机械能，因而根据虚位移原理，物体表面电磁力为磁场能对气隙s的偏导，电磁力为

从支撑能力这方面考虑，气隙应该尽可能减少。首先，气隙减小，轴承的整体尺寸可以减小；其次气隙越小，同样的轴承尺寸，轴承的电磁力越大；气隙越大，转子可移动的范围也越大，一般情况下，转子直径小于100mm时，气隙取0.3-0.6mm；转子直径在100-1000mm范围时，气隙取0.6-1mm。本申请中转子直径为100mm，故选取气隙为0.5mm。

等效磁路：偏置磁通从永磁体的N极开始并返回S极，沿径向和轴向气隙形成封闭路径。控制磁通由轴向和径向轴承定子组件分别通过轴向和径向气隙形成闭环产生。此外，左右偏置磁通和左右径向控制磁通相互独立。

如果转子位于定子中心，则转子将受到偏压磁通的磁力平衡。一旦外力作用在转子上，转子偏离定子中心，位移传感器检测到变化并将这些信号传输给控制器。然后，控制器调整绕组电流产生控制磁链，与偏置磁链叠加产生五自由度悬架力，最终将转子拉回定子中心。位移传感器监测出的转轴位移数据传输至控制单元，以使控制单元分别控制轴向轴承定子组件和径向轴承定子组件的电流，轴向磁力线经过两个轴承定子、左右轴向气隙形成闭合磁回路，产生的轴向力作用在轴向推力盘，进而调节轴向悬浮力，克服外界扰动或负载，实现转轴的稳定悬浮，也即实现转子的稳定悬浮；

径向轴承磁力线经过径向轴承定子、径向轴承转子铁芯、及径向轴承定子与径向轴承转子铁芯之间径向气隙形成闭合磁回路，产生的径向力作用在径向轴承转子铁芯，调节径向悬浮力，克服外界扰动或负载，实现转轴的稳定悬浮，也即实现转子的稳定悬浮。

一种磁悬浮轴承的控制方法，采用如上任一项所述的八极五自由度混合磁悬浮轴承，包括以下步骤：

获取所述转轴推力盘2与所述左轴向定子环421之间的最小间距da；

获取所述转轴推力盘2与所述右轴向定子环422之间的最小间距db；

根据所述最小间距da与所述最小间距db之间的大小关系，调整所述轴向轴承定子组件42内的电流方向和/或电流大小，以使所述转轴推力盘2朝向所述最小间距da与所述最小间距db中较大值的一侧轴向移动。

当da>db时，所述轴向轴承定子组件内的电流方向为第一电流方向以使轴向轴承定子组件产生的控制磁路与左永磁体环产生的永磁偏置磁路同向叠加、与右永磁体环产生的永磁偏置磁路反向削减，应控制所述轴向轴承定子组件内的电流大小越来越小；

当da＜db时，所述轴向轴承定子组件内的电流方向为第二电流方向以使轴向轴承定子组件产生的控制磁路与左永磁体环产生的永磁偏置磁路反向削减、与右永磁体环产生的永磁偏置磁路同向叠加，控制所述轴向轴承定子组件内的电流大小越来越小，第一方向与第二方向相反。

当da＝db时，维持所述轴向轴承定子组件内的电流方向或电流大小不变。

在间隔中仅设置一组与转轴推力盘同轴设置的轴向轴承定子组件便能够利用永磁偏置磁路与轴向控制磁路的方向异同实现磁通的抵消或者叠加，从而轴向轴承定子组件便能够实现对转轴推力盘的轴向位置的调整控制，控制逻辑更加简单，因此具有更小的轴向空间需求，五自由度磁轴承的轴长可以被设计的更小，进而可以缩短相应的转轴长度，提升转轴转速；而更为重要的是，左永磁体环与右永磁体环两者分别处于轴向定子环与两径向定子之间的位置，能够使轴向控制磁路与径向控制磁路实现隔离，有效降低径向控制磁路与轴向控制磁路之间存在的耦合，进一步降低磁轴承的控制难度，也即控制逻辑得到简化。

更优选的，本申请还提供了一种径向控制方法：与轴向控制方法同理，由于磁极分布为NNSSNNSS，实际相当于四极，以左侧径向控制为例，获取径向线圈和径向转子的间距分别为dc、dd、de、df，顺时针对应大四极与转子间气隙距离，且所述间距dc为上侧间距。

当dc>de,所述对应径向线圈内的控制电流产生的控制磁路与上侧永磁体环产生的永磁偏置磁路同向叠加、与下侧永磁体环产生的永磁偏置磁路反向削减，应控制dc侧径向轴承定子组件内的电流大小越来越大，de侧径向轴承定子组件内的电流大小越来越小；当dc<de,控制方法相反。

当dd>df时，所述对应径向线圈内的控制电流产生的控制磁路与永磁体环在磁悬浮轴承前侧产生的永磁偏置磁路同向叠加、与后侧永磁体环产生的永磁偏置磁路反向削减，应控制dd侧径向轴承定子组件内的电流大小越来越大，df侧径向轴承定子组件内的电流大小越来越小；当dd<df,控制方法相反。

当dc＝dd＝＝de＝df时，维持所述径向轴承定子组件内的电流方向或电流大小不变。

具体以图6所示磁极采用异极性结构磁极磁极分布为NNSSNNSS，转子旋转时，磁力线的方向在一个周期内变化次数少于NSNS，损耗较小，因此成为一个更好的选择，对于转轴在径向位置的调整，因为其调整与轴向控制磁路解耦，因此可以实现独立调整，不与轴向线圈发生冲突。

具体以图5所示，图中箭头示出了径向磁路走向，轴向磁路走向，偏置磁路走向，a偏置磁路、b径向控制磁路、c轴向控制磁路，可见左永磁环与右永磁环两者在性能上完全相同，区别在于磁极相对，分别产生左侧偏置磁路，右侧偏置磁路，两者在结构上关于径向左右对称，因此在轴上方左右出力均衡。轴向轴承定子组件沿着径向面中心对称，如此能够保证轴向轴承定子组件在通电后所产生的轴向控制磁路关于该径向面对称，转轴推力盘的永磁偏置磁路左右对称，进一步降低磁轴承的控制难度。转轴与转子在轴向方向上的位移完全依靠轴向线圈内控制电流的大小和方向，左永磁体环与右永磁体环分别提供对称的偏置磁路的同时还有效地阻止了轴向控制磁路向左径向控制磁路以及右径向控制磁路一侧的流动，进而防止两者耦合现在发生。此外，根据下图结构永磁偏置磁路单一，漏磁小，轴向控制磁路直接由定子铁芯与转轴推力盘形成回路。

图7为轴向方向的控制电流与永磁环所产生的轴向叠加磁通，在轴向转子中间，磁通量最大；轴向方向，磁通方向指向结构中心，转子中点。由于永磁环被轴向磁化，N极产生的偏置磁通经过左定子、左径向气隙、左片转子、轴向铁芯、左轴向气隙、中间片转子、右轴向气隙、右转子、右径向气隙、右定子返回S极，形成轴向闭合路径，转子上的磁密度是对称的，三片转子上的合力为零。三个片转子形成封闭路径。转子上的磁通分布是对称的，磁通强度在径向面对称，片转子上的合力为零，可知等效磁路路径闭合。

图8为轴向方向的控制电流与永磁环所产生的叠加磁密度图，轴向线圈电流设置为同向，在转子不发生偏移时，轴向线圈默认电流0A。为可以看出，控制磁通与偏置磁通在一个方向上重叠增大，而在相反方向上重叠减小。合力指向磁场增强的方向，若转子向左发生偏移，则轴向线圈通电，如下图8所示，右侧磁场强度，将转子拉回中点，根据传感器检测到的转子位置，判断是否断电。

图9为径向方向的控制电流与永磁环所产生的叠加磁密度图，转子发生偏移时，根据传感器检测到的转子偏移度，判断径向线圈是否通电。对于转轴径向位置的调整，则依据现有技术中的径向轴承的调整方式进行调整即可，因为其调整与轴向控制磁路解耦，因此可以实现独立调整。

具体设计流程：

1)根据结构图，画出等效磁路图，设计出各气隙处的控制磁通及偏置磁通；

2)计算出径向悬浮力公式，求出力/位移参数、力/电流参数；

3)根据径悬浮力公式求出磁极面积；

4)根据气隙控制磁通，求出径向控制绕组；

5)进一步确定转子铁心半径、转轴半径、径向定子的宽度、轴向长度和定子齿高；

6)计算永磁体的宽度和充磁厚度；

7)利用Maxwell软件画出二维模型，从磁力线图、磁密分布图、力/电流关系曲线图、力/位移关系曲线图进行分析；

8)在辅助轴承气隙确定，克服永磁磁极产生的被动磁拉力下，找出控制磁极面积和永磁刺激面积之比，得到径向悬浮力最大；

9)设计实验样机，进行静态悬浮实验和动态悬浮实验。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种八极五自由度混合磁悬浮轴承，其特征在于：包括转轴(1)，所述转轴(1)中部设有转轴推力盘(2)，所述转轴(1)两端套设有转子(3)，所述转子(3)周侧套设有定子组件(4)，其特征在于：所述定子组件(4)包括套设于所述转轴(1)上的壳体(40)；

径向轴承定子组件(41)，其位于所述壳体(40)的两端并套设于所述转子(3)上，用于产生可控磁径向吸力，为所述转子(3)提供径向磁场作用以调整所述转子(3)在径向的位置；

轴向轴承定子组件(42)，包括左轴向定子环(421)和右轴向定子环(422)，其分别套设于所述转轴推力盘(2)两端且位于所述壳体(40)内，用于产生可控磁轴向吸力，为所述转子(3)提供轴向磁场作用以调整所述转子(3)在径向的位置；

永磁环组(5)，其设于所述径向轴承定子组件(41)与所述轴向轴承定子组件(42)之间，为所述轴承提供对称的偏置磁路；

所述径向轴承定子组件(41)包括圆环型套件(410)，所述圆环型套件(410)内壁朝所述转子(3)方向凸设有多个凸缘(411)，多个所述凸缘(411)上均绕设有控制线圈(412)，以产生可控磁径向吸力非接触地稳定悬浮所述转轴(1)；

所述凸缘(411)设有8个，沿圆周均匀分布于所述圆环型套件(410)的内壁，8个所述凸缘(411)均绕设有所述控制线圈(412)，8个所述凸缘(411)的磁极分布为NNSSNNSS；

所述磁极分布为NNSSNNSS，实际相当于四极，以左侧径向控制为例，获取径向线圈和径向转子的间距分别为dc、dd、de、df，顺时针对应大四极与转子间气隙距离，且所述间距dc为上侧间距，包括有以下步骤：

当dc>de,所述对应径向线圈内的控制电流产生的控制磁路与上侧永磁体环产生的永磁偏置磁路同向叠加、与下侧永磁体环产生的永磁偏置磁路反向削减，应控制dc侧径向轴承定子组件内的电流大小越来越大，de侧径向轴承定子组件内的电流大小越来越小；当dc<de,控制方法相反；

当dd>df时，所述对应径向线圈内的控制电流产生的控制磁路与永磁体环在磁悬浮轴承前侧产生的永磁偏置磁路同向叠加、与后侧永磁体环产生的永磁偏置磁路反向削减，应控制dd侧径向轴承定子组件内的电流大小越来越大，df侧径向轴承定子组件内的电流大小来越小；当dd<df,控制方法相反；

当dc＝dd＝de＝df时，维持所述径向轴承定子组件内的电流方向或电流大小不变。

2.根据权利要求1所述的八极五自由度混合磁悬浮轴承，其特征在于：所述壳体(40)内设有可供所述轴向轴承定子组件(42)放置的放置槽(401)，所述放置槽(401)位于所述转轴推力盘(2)周侧。

3.根据权利要求1所述的八极五自由度混合磁悬浮轴承，其特征在于：所述永磁环组(5)包括位于所述壳体(40)左侧的左永磁环(51)和位于所述壳体(40)右侧的右永磁环(52)，所述左永磁环(51)与所述右永磁环(52)的相对端为同极性。

4.根据权利要求1所述的八极五自由度混合磁悬浮轴承，其特征在于：所述永磁环组(5)的材料采用NdFe35。

5.一种磁悬浮轴承的控制方法，其特征在于：采用如权利要求1-4任一项所述的八极五自由度混合磁悬浮轴承，包括以下步骤：

获取所述转轴推力盘(2)与所述左轴向定子环(421)之间的最小间距da；

获取所述转轴推力盘(2)与所述右轴向定子环(422)之间的最小间距db；

根据所述最小间距da与所述最小间距db之间的大小关系，调整所述轴向轴承定子组件(42)内的电流方向和/或电流大小，以使所述转轴推力盘(2)朝向所述最小间距da与所述最小间距db中较大值的一侧轴向移动。