本發(fā)明涉及磁軸承領(lǐng)域，尤其是一種異極型八極徑向電磁懸浮軸承。

背景技術(shù)：

電磁懸浮軸承是通過電磁力使得軸承的轉(zhuǎn)子與定子處于相對(duì)懸浮狀態(tài)；因此，電磁懸浮軸承表現(xiàn)出諸多優(yōu)點(diǎn)，例如：無需潤(rùn)滑、無摩擦/無磨損、低噪聲、適用于高速和超高速運(yùn)行場(chǎng)合。磁懸浮軸承已經(jīng)在航空航天，精密儀器，高速高精密數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

電磁懸浮軸承主要分為三類：①被動(dòng)磁軸承②主動(dòng)磁軸承③混合磁軸承。電磁懸浮軸承的電磁控制部分，是通過改變各磁極的電流大小，來控制磁極變現(xiàn)的剛度和阻尼。進(jìn)而調(diào)整轉(zhuǎn)子的狀態(tài)。電磁懸浮軸承電控部分主要是通過傳統(tǒng)的PID控制。使得轉(zhuǎn)子平穩(wěn)運(yùn)行。

電磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度檢測(cè)是大多數(shù)的都是通過電渦流位移傳感器和振動(dòng)速度傳感器來完成的，可以滿足檢測(cè)的要求。然而，昂貴的傳感器成本和復(fù)雜的安裝及布線，后期維護(hù)與校準(zhǔn)的困境在振動(dòng)位移檢測(cè)中提出更高的要求。隨著電磁懸浮軸承的自傳感方法和技術(shù)的應(yīng)用，從而彌補(bǔ)了電渦流位移傳感器和振動(dòng)速度傳感器給磁軸承系統(tǒng)所帶來的諸多缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服已有磁軸承的體積較大、渦流較大、加工復(fù)雜的不足，本發(fā)明提供一種減少體積、降低渦流、簡(jiǎn)化加工的一種異極型八極徑向電磁懸浮軸承。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種異極型八極徑向電磁懸浮軸承，包括軸承座、定子和轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子位于定子的內(nèi)孔，所述定子由八個(gè)相互獨(dú)立的電磁鐵組成，八個(gè)電磁鐵等圓弧間隔布置且在同一安裝平面上，八個(gè)電磁鐵的磁極均在同一橫截面上徑向布置；所述軸承座的內(nèi)側(cè)內(nèi)孔上等圓弧設(shè)置有八個(gè)電磁鐵安裝槽，每個(gè)電磁鐵與每個(gè)電磁鐵安裝槽一一對(duì)應(yīng)，第一軸承端蓋的內(nèi)側(cè)內(nèi)孔上等圓弧設(shè)置有八個(gè)電磁鐵安裝槽，所述第一軸承端蓋上的電磁鐵安裝槽與所述軸承座的電磁鐵安裝槽一一對(duì)應(yīng)并形成電磁鐵安裝腔，所述電磁鐵位于所述電磁鐵安裝腔內(nèi)并與其過盈裝配，所述第一軸承端蓋與所軸承座固定在一起；

所述軸承座的外側(cè)固定安裝有第二軸承端蓋。

進(jìn)一步，所述軸承座的內(nèi)側(cè)上設(shè)有絕磁陰槽，所述第一軸承端蓋的內(nèi)側(cè)上設(shè)有與絕磁陰槽相配合的絕磁陽槽；所述絕磁陰槽包括用于隔離軸承座上的相鄰兩個(gè)電磁鐵安裝槽的隔斷凹槽和位于該軸承座的八個(gè)電磁鐵安裝槽外一周的環(huán)形凹槽，所述隔斷凹槽與所述環(huán)形凹槽的內(nèi)側(cè)連接；

所述絕磁陽槽包括用于隔離第一軸承端蓋上的相鄰兩個(gè)電磁鐵安裝槽的隔斷凸起和位于該第一軸承端蓋的八個(gè)電磁鐵安裝槽外一周的環(huán)形凸起，所述隔斷凸起與所述環(huán)形凸起的內(nèi)側(cè)連接；

所述隔斷凸起卡接在所述隔斷凹槽內(nèi)，所述環(huán)形凸起卡接在所述環(huán)形凹槽內(nèi)。

再進(jìn)一步，所述電磁鐵的鐵芯是由硅鋼片或坡莫合金疊片制成。

更進(jìn)一步，所述電磁鐵安裝槽為扇形。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：減少體積、安裝簡(jiǎn)易、成本較低；異極型結(jié)構(gòu)和自傳感功能縮減了磁軸承的軸向尺寸，小型化結(jié)構(gòu)使得磁軸承生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化，工程應(yīng)用范圍更加廣泛。

附圖說明

圖1是一種異極型八極徑向電磁懸浮軸承的爆炸圖。

圖2是圖1的定子的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是軸承座的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是第一軸承端蓋的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是一種異極型八極徑向電磁懸浮軸承的控制圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照?qǐng)D1～圖5，一種異極型八極徑向電磁懸浮軸承，包括軸承座22、定子23和轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子位于定子23的內(nèi)孔，所述定子23由八個(gè)相互獨(dú)立的電磁鐵231組成，八個(gè)電磁鐵231等圓弧間隔布置且在同一安裝平面上，八個(gè)電磁鐵231的磁極均在同一橫截面上徑向布置；所述軸承座22的內(nèi)側(cè)內(nèi)孔上等圓弧設(shè)置有八個(gè)電磁鐵安裝槽3，每個(gè)電磁鐵與每個(gè)電磁鐵安裝槽一一對(duì)應(yīng)，第一軸承端蓋24的內(nèi)側(cè)內(nèi)孔上等圓弧設(shè)置有八個(gè)電磁鐵安裝槽，所述第一軸承端蓋24上的電磁鐵安裝槽與所述軸承座的電磁鐵安裝槽一一對(duì)應(yīng)并形成電磁鐵安裝腔，所述電磁鐵231位于所述電磁鐵安裝腔內(nèi)并與其過盈裝配，所述第一軸承端蓋24與所軸承座22固定在一起；

所述軸承座22的外側(cè)固定安裝有第二軸承端蓋21。

進(jìn)一步，所述軸承座22的內(nèi)側(cè)上設(shè)有絕磁陰槽221，所述第一軸承端蓋24的內(nèi)側(cè)上設(shè)有與絕磁陰槽221相配合的絕磁陽槽241；所述絕磁陰槽221包括用于隔離軸承座22上的相鄰兩個(gè)電磁鐵安裝槽的隔斷凹槽和位于該軸承座的八個(gè)電磁鐵安裝槽外一周的環(huán)形凹槽，所述隔斷凹槽與所述環(huán)形凹槽的內(nèi)側(cè)連接；

所述絕磁陽槽241包括用于隔離第一軸承端蓋24上的相鄰兩個(gè)電磁鐵安裝槽的隔斷凸起和位于該第一軸承端蓋的八個(gè)電磁鐵安裝槽外一周的環(huán)形凸起，所述隔斷凸起與所述環(huán)形凸起的內(nèi)側(cè)連接；

所述隔斷凸起卡接在所述隔斷凹槽內(nèi)，所述環(huán)形凸起卡接在所述環(huán)形凹槽內(nèi)。

再進(jìn)一步，所述電磁鐵231的鐵芯是由硅鋼片或坡莫合金疊片制成。

更進(jìn)一步，所述電磁鐵安裝槽3為扇形。

本發(fā)明的工作原理為：八個(gè)磁極配置在同一平面內(nèi)，且均勻相間分布，形成并置的異極型八極徑向電磁懸浮軸承。磁極相互絕磁，使得磁通/磁路不會(huì)相互影響。為了縮減徑向磁軸承的軸向尺寸和提高磁軸承控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本發(fā)明中集成了基于電流傳感器的自傳感技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁軸承中的振動(dòng)位移傳感器；實(shí)時(shí)測(cè)量電流及其時(shí)間變化率，基于磁通變化估計(jì)算法來計(jì)算振動(dòng)位移和振動(dòng)速度。處于同一平面內(nèi)的八個(gè)磁極根據(jù)自傳感算法得到的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度信息，通過控制器來配置電磁阻尼磁極和電磁剛度磁極，分別利用振動(dòng)位移和振動(dòng)速度輸出電磁阻尼力和電磁剛度力，從而達(dá)到磁懸浮轉(zhuǎn)子振動(dòng)控制。

如圖1所示，異極型八極徑向電磁懸浮軸承在同一橫截面內(nèi)分布有S和N兩種磁極，即所有的磁極都在同一橫截面內(nèi)；電磁鐵231是由鐵芯和電磁線圈組成，電磁鐵231的鐵芯由硅鋼片/坡莫合金疊片而成，在鐵芯上繞上電磁線圈，就可以組成磁懸浮磁極；將此定子22過盈裝配入鋁合金軸承座I和第一軸承端蓋24組成的電磁鐵安裝腔內(nèi)，軸承座22和第一軸承端蓋24以螺紋孔連接，通過螺釘連接鎖緊，這樣軸承得以封閉。并且軸承座I和第一軸承端蓋24通過陰陽槽結(jié)構(gòu)配合以達(dá)到絕磁使用，絕磁陰陽槽如圖3所示。使得位于同一安裝平面內(nèi)的八個(gè)磁極相互絕磁，并達(dá)到無漏磁，從而取得八個(gè)磁極彼此獨(dú)立、互無影響。利用這種裝配結(jié)構(gòu)，突出了軸承組裝的簡(jiǎn)便性。在轉(zhuǎn)子工作時(shí)受到一個(gè)外力，位移傳感器會(huì)獲得轉(zhuǎn)子的位移信號(hào)，把該位移信號(hào)傳入磁軸承中央控制器，通過磁軸承中央控制器對(duì)其進(jìn)行分析出來，輸出一個(gè)控制信號(hào)，該控制信號(hào)分別控制八對(duì)電磁線圈電流，使其中四對(duì)電磁鐵產(chǎn)生控制力，另外四對(duì)產(chǎn)生阻尼力，從而使得轉(zhuǎn)子能夠被快速平衡。

轉(zhuǎn)子在控制磁極提供的靜剛度支撐下處于懸浮的狀態(tài)，當(dāng)受到外力的作用時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)偏離軸心的位置，從而改變了氣隙的長(zhǎng)度；氣隙發(fā)生變化會(huì)導(dǎo)致磁通發(fā)生變化，磁通發(fā)生變化后會(huì)導(dǎo)致電磁線圈中的電流發(fā)生微小變化，電流傳感器通過檢測(cè)電磁線圈中電流的變化，會(huì)獲得一個(gè)與轉(zhuǎn)子位移有關(guān)的電流信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)采集單元進(jìn)行HHT變換，然后經(jīng)過自傳感估計(jì)器中的基于磁通變換的位移估計(jì)器，將振動(dòng)位移估計(jì)值送入磁軸承中央控制器，并且通過磁軸承中央控制器中的非線性微分器得到轉(zhuǎn)子的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度，于此磁軸承中央控制器基于模糊控制算法會(huì)輸出控制數(shù)據(jù)參數(shù)。

控制數(shù)據(jù)參數(shù)包括控制類型、控制評(píng)定等級(jí)和控制數(shù)據(jù)；控制類型包括剛度型和阻尼型兩種，控制評(píng)定等級(jí)分為七級(jí)控制粒度(負(fù)大NB、負(fù)中NM、負(fù)小NS、零ZO、正小PS、正中PM、正大PB)。

控制信號(hào)發(fā)生器根據(jù)控制數(shù)據(jù)參數(shù)計(jì)算出轉(zhuǎn)子偏離平衡狀態(tài)的調(diào)整電流大小(或PWM信號(hào)的占空比)。磁懸浮轉(zhuǎn)子在相應(yīng)磁極的電磁力(剛度力或阻尼力)的作用下，取得旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定特性。

由于當(dāng)轉(zhuǎn)子偏離軸心時(shí)，位移傳感器與電流傳感器同時(shí)工作，當(dāng)自傳感估計(jì)器估計(jì)出的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度與位移傳感器檢測(cè)出來的值相同時(shí)，位移傳感器便不需要工作，而電流傳感器直接檢測(cè)電磁線圈的電流，然后通過信號(hào)采集單元和自傳感估計(jì)器估計(jì)出轉(zhuǎn)子的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度，磁軸承中央控制器通過控制信號(hào)發(fā)生器給功放電路一個(gè)電流信號(hào)，從而控制電磁線圈中的電流，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)子的平衡。而在此之前磁軸承中央控制器中對(duì)自傳感估計(jì)器測(cè)得的轉(zhuǎn)子位移與位移傳感器測(cè)得位移進(jìn)行比較，此時(shí)自傳感估計(jì)獲得的位移信號(hào)，不參與控制，只是和位移傳感器獲得的位移信號(hào)進(jìn)行比較。

如圖5所示，電磁控制環(huán)的動(dòng)態(tài)組配關(guān)系；8個(gè)磁極周向逆時(shí)針依次編號(hào)J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7，J8。8個(gè)磁極組合可以表現(xiàn)為如下形式：

(1)“8極”支承剛度組態(tài)：J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7，J8均表現(xiàn)為彈性支承屬性。

(2)“8極”徑向阻尼組態(tài)：J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7，J8均表現(xiàn)為阻尼屬性。

(3)“4+4”磁極動(dòng)態(tài)分配：J1，J3，J5，J7表現(xiàn)為彈性支承屬性，J2，J4，J6，J8變現(xiàn)為阻尼屬性。

通過對(duì)電磁線圈控制，可以提供在空間上動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)的阻尼和支承特性；阻尼與剛度的組合形式會(huì)因軸承所處的狀態(tài)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同的情況下有不同的組合。(1)，(2)，(3)三種控制組態(tài)可以通過控制實(shí)現(xiàn)多態(tài)輪動(dòng)控制方式。例如：“8極”支承剛度--->“4+4”磁極動(dòng)態(tài)分配--->“8極”阻尼狀態(tài)循環(huán)輪動(dòng)，從而表現(xiàn)為8極普通徑向磁軸承、剛度和阻尼并置磁軸承和8極徑向電磁阻尼器；或者“8極”支承剛度--->“4+4”磁極動(dòng)態(tài)分配輪動(dòng)；或者單獨(dú)為“4+4”配置的剛度和阻尼混合并置電磁狀態(tài)。

通過控制電磁線圈中的電流提供不同大小的電磁剛度力或電磁阻尼力，為轉(zhuǎn)子提供懸浮穩(wěn)定控制；剛度和阻尼磁極的動(dòng)態(tài)分配為轉(zhuǎn)子適應(yīng)從低速到高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定控制提供電磁基礎(chǔ)。

本電磁懸浮軸承是利用了加載于磁極的電流來計(jì)算振動(dòng)位移和振動(dòng)速度，從即自傳感功能。實(shí)時(shí)計(jì)算電流及其時(shí)間變化率，并基于磁通變化估計(jì)算法來完成自傳感方法和技術(shù)；該技術(shù)為電磁懸浮轉(zhuǎn)子提供剛度和阻尼控制過程提供便利，適時(shí)穩(wěn)定轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特性，從而為高速運(yùn)動(dòng)提供工程應(yīng)用基礎(chǔ)。

自傳感算法通過自傳感估計(jì)器的微型計(jì)算機(jī)采集和測(cè)量加載于磁極的電流，利用一個(gè)二階非線性微分器和HHT(Hilbert-Huang)變換器來取得電流的高階變化特征，為振動(dòng)位移和振動(dòng)速度的快速和準(zhǔn)確檢測(cè)提供良好的保證，進(jìn)而為電磁懸浮轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)提供保障。

電磁控制時(shí)，每一個(gè)配對(duì)的電磁磁極組合會(huì)因不同的控制要求分別表現(xiàn)為軸承的支承剛度特性和阻尼性質(zhì)，即可動(dòng)態(tài)提供給轉(zhuǎn)子系統(tǒng)所需的實(shí)時(shí)阻尼力和支承力。

本發(fā)明是兩磁極之間無漏磁磁阻，改善了磁極的磁路。在不同的控制組態(tài)或者進(jìn)行多態(tài)輪動(dòng)控制時(shí)，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以極大改善相鄰電磁磁極之間的漏磁特性，為剛度和阻尼狀態(tài)的順利轉(zhuǎn)換提供便利。