[发明专利]一种单轴控制式五自由度微型磁轴承

说明书

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X、Y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。 

附图说明

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；

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。

具体实施方式