一种磁悬浮轴承系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及一种轴承系统，具体涉及一种磁悬浮轴承系统及其控制方法。


背景技术：

2.磁悬浮轴承是利用电磁力作用将转子悬浮于空中，使转子和定子之间没有机械接触，相比于传统的滚珠轴承、滑动轴承、油膜轴承等，转子可以运行在很高的转速下，且具有机械磨损小、能耗低、噪音小、长寿命、无需润滑也无油污等优点，特别适用于高速、真空、超净、低干扰等特殊环境；磁悬浮轴承分为轴向磁悬浮和径向磁悬浮，为实现刚体轴在空间的精确悬浮，一般磁悬浮轴承系统由两个径向磁悬浮和两个轴向磁悬浮组成，其分别分布在刚体轴的左右两端，共同实现刚体轴的悬浮和定位。
3.针对不含有永磁体的轴承系统来说，磁悬浮定子对磁悬浮转子只产生电磁吸力，例如当位置检测结果是磁悬浮定子与磁悬浮转子之间的间隙大于设定值，就会给磁悬浮定子施加一定的电流，磁悬浮定子对磁悬浮转子产生吸力，使间隙向减小的方向变化；
4.对于刚体轴左右两端的轴向磁悬浮，控制刚体轴左右移动，右端径向磁悬浮控制右端悬浮点做上下径向运动和水平径向运动，左端径向磁悬浮控制左端悬浮点做上下径向运动和水平径向运动，配合位置传感器，共同实现刚体轴五个自由度的精确悬浮和定位。
5.为了实现径向磁悬浮功能，一般的磁悬浮轴承系统设计为外定子和内转子的八极式结构，如图1、图2(a)、图2(b)所示，包括刚体轴01、径向磁悬浮定子02、径向磁悬浮转子03、轴向磁悬浮转子04、轴向磁悬浮定子05、径向磁悬浮定子铁芯06、接线柱07(共包括6个接线柱，标号为b1
～
b6)、绕组08(共包括8个绕组，标号为a1
～
a8)、径向转子09和磁极010，具体代表性的结构形式为两种，一种是径向定子铁芯带极靴011，如图2(a)所示，另一种是径向定子铁芯不带极靴011的，如图2(b)所示；如图3(a)所示，典型的径向磁悬浮轴承系统有八个磁极，每两个磁极形成一个ns磁路，完成一个坐标方向的位置控制，绕组a1、绕组a2对应的磁极控制x轴正向，绕组a3、绕组a4对应的磁极控制y轴正向，绕组a5、绕组a6对应的磁极控制x轴负向，绕组a7、绕组a8对应的磁极控制y轴负向；如图3(b)所示，工作时接线柱b2、接线柱b5接地，接线柱b1、接线柱b3、接线柱b4、接线柱b6为各坐标轴控制电流的输入端；
6.典型的磁悬浮轴承系统主要存在两个方面的问题：
7.1)制造过程的工艺性差
8.典型的径向磁悬浮轴承系统的径向磁悬浮定子铁芯一般由软磁带材经线切割或冲片后叠压而成，之后在径向磁悬浮定子铁芯的磁极上安装绕组，并按规定连接绕组；径向磁悬浮结构在安装绕组过程工艺性较差，特别是径向磁悬浮定子铁芯的外径012和内径013差值小，且在磁极长度较短的情况下难度更大。带有极靴的径向磁悬浮定子铁芯需要逐个手工绕制绕组，效率低且8个绕组的对称性很难保证，最终导致刚度对称性不一致，控制难度大，甚至报废。不带极靴的径向磁悬浮定子铁芯可以通过工装进行绕组预制、整形绕组后安装在磁极上，这样可以解决绕组的对称性问题，但绕组整形的难度比较大，绕组难以同时贴紧磁极侧壁和底部，一般要降低槽满率来平衡这个矛盾，这将使磁悬浮轴承性能下降，另
外不带极靴的这种结构还存在加工内孔时绕组漏线等问题。
9.2)工作可靠性较差
10.传统的磁悬浮轴承系统由两个径向磁悬浮和两个轴向磁悬浮组成，每个径向磁悬浮有八个绕组，如果其中一个绕组出现故障，如断路、短路、绝缘等，磁悬浮系统将无法工作。这主要是因为径向磁悬浮每两个绕组控制一个坐标方向的运动，绕组故障就无法实现对应磁极的ns磁路，无法进行该坐标轴的控制，无法实现刚度轴的悬浮和定位，即磁悬浮系统失效；这在宇航领域，例如卫星上使用的磁悬浮动量轮等，将会产生非常严重的后果。
11.综上所述，传统的磁悬浮轴承系统制造过程的工艺性和工作可靠性都较差。


技术实现要素：

12.为了解决传统的磁悬浮轴承系统制造过程的工艺性差和工作可靠性差的技术问题，本发明提供一种磁悬浮轴承系统及其控制方法，以提高磁悬浮轴承系统制造过程的工艺性及工作的可靠性。
13.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
14.一种磁悬浮轴承系统，包括刚体轴、绕组、接线柱、径向磁悬浮结构和轴向磁悬浮结构；
15.径向磁悬浮结构包括径向定子和径向转子；
16.轴向磁悬浮结构包括轴向转子和轴向定子；
17.其特殊之处在于：
18.径向定子包括径向定子铁芯、16个绕组和10个接线柱；
19.径向定子铁芯包括沿周向依次设置的16个磁极；所述16个绕组与10个接线柱连接，且分别设置在16个磁极上；
20.16个绕组分别为绕组c1、绕组c2、绕组c3、绕组c4、绕组c5、绕组c6、绕组c7、绕组c8、绕组c9、绕组c10、绕组c11、绕组c12、绕组c13、绕组c14、绕组c15、绕组c16；
21.10个接线柱分别为接线柱d1、接线柱d2、接线柱d3、接线柱d4、接线柱d5、接线柱d6、接线柱d7、接线柱d8、接线柱d9、接线柱d10；
22.16个绕组与10个接线柱的连接方式为：
23.接线柱d1、绕组c1、绕组c2、接线柱d2、绕组c4、绕组c3、接线柱d3、绕组c7、绕组c8、接线柱d4、绕组c6、绕组c5、接线柱d5依次连接；
24.接线柱d6、绕组c9、绕组c10、接线柱d7、绕组c12、绕组c11、接线柱d8、绕组c15、绕组c16、接线柱d9、绕组c14、绕组c13、接线柱d10依次连接；
25.绕组c3和绕组c4、绕组c7和绕组c8、绕组c11和绕组c12、绕组c15和绕组c16依次位于ox1y1坐标系的0
°
、90
°
、180
°
和270
°
位置两侧；
26.绕组c1和绕组c2、绕组c5和绕组c6、绕组c9和绕组c10、绕组c13和绕组c14依次位于ox2y2坐标系的0
°
、90
°
、180
°
和270
°
位置两侧；
27.ox1y1坐标系相对ox2y2坐标系逆时针转动45
°
。
28.进一步地，所述绕组c2和绕组c3、绕组c6和绕组c7、绕组c10和绕组c11、绕组c14和绕组c15依次位于oxy坐标系的0
°
、90
°
、180
°
和270
°
位置两侧。
29.进一步地，所述ox1y1坐标系和ox2y2坐标系为oxy坐标系的子坐标系，实现oxy坐
标系的四个方向电磁力控制，可以使磁悬浮轴承系统工作在双坐标下或/和单坐标系下，单一线圈失效后磁悬浮轴承系统依旧能正常工作。
30.进一步地，还包括绕组骨架；16个绕组分别通过绕组骨架设置在16个磁极上；绕组可以预先绕制在绕组骨架上，然后再装配至径向定子铁芯上，并按规定接线，优化了磁悬浮轴承系统的结构。
31.进一步地，相邻磁极之间均设有沿轴向的凹形槽，凹形槽的槽底面沿轴向从中部分为两个半面，两个半面均为平面，每个半面均与相接的绕组骨架垂直，主要针对径向定子铁芯的外径与内径尺寸接近时，即磁极长度相对较短的情况，优化了磁悬浮轴承系统的结构，提高径向定子生产过程的工艺性。
32.进一步地，所述径向定子铁芯为不带极靴的铁芯，配合使用绕组骨架，可以实现机器绕线，绕制好的绕组连同绕组骨架一同装配至径向定子铁芯上。
33.进一步地，所述10个接线柱依次灌封或粘接于绕组c2和绕组c3、绕组c4和绕组c5、绕组c6和绕组c7、绕组c8和绕组c9、绕组c10和绕组c11、绕组c12和绕组c13、绕组c14和绕组c15、绕组c15和绕组c16、绕组c16和绕组c1、绕组c1和绕组c2之间的空隙处。
34.同时，本发明还提供了实现上述磁悬浮轴承系统的控制方法，其特殊之处在于：采用以下任一种工作模式对上述磁悬浮轴承系统进行控制：双坐标工作模式、ox1y1坐标工作模式或ox2y2坐标工作模式，实现单一线圈失效后系统依旧能正常工作，提高了磁悬浮系统的工作可靠性。
35.双坐标工作模式以oxy坐标系为径向磁悬浮的控制目标坐标系，oxy坐标系的电磁力由ox1y1和ox2y2两个坐标系的电磁力合成；
36.x轴正向由绕组c1、绕组c2、绕组c3、绕组c4组成，y轴正向由绕组c5、绕组c6、绕组c7、绕组c8组成，x轴负向由绕组c9、绕组c10、绕组c11、绕组c12组成，y轴负向由绕组c13、绕组c14、绕组c15、绕组c16组成；
37.接线柱d1为x轴正向电流接入点、接线柱d5为y轴正向电流接入点、接线柱d6为x轴负向电流接入点、接线柱d10为y轴负向电流接入点、接线柱d3和接线柱d8接地；
38.ox1y1坐标工作模式以oxy坐标系为径向磁悬浮的控制目标坐标系，oxy坐标系的电磁力由ox1y1坐标产生并控制；
39.接线柱d2为x1轴正向电流接入点、接线柱d4为y1轴正向电流接入点、接线柱d7为x1轴负向电流接入点、接线柱d9为y1轴负向电流接入点、接线柱d3和接线柱d8接地，且接线柱d1悬空或者与接线柱d2等电位、接线柱d5悬空或者与接线柱d4等电位、接线柱d6悬空或者与接线柱d7等电位、接线柱d10悬空或者与接线柱d9等电位；
40.ox2y2坐标工作模式以oxy坐标系为径向磁悬浮的控制目标坐标系，oxy坐标系的电磁力由ox2y2坐标产生并控制；
41.接线柱d1为x2轴正向电流接入点、接线柱d5为y2轴正向电流接入点、接线柱d6为x2轴负向电流接入点、接线柱d10为y2轴负向电流接入点，接线柱d2、接线柱d3、接线柱d4、接线柱d7、接线柱d8、接线柱d9接地。
42.进一步地，在双坐标工作模式中，所述oxy坐标系的电磁力计算关系为：
43.44.在ox1y1坐标工作模式中，所述oxy坐标系的电磁力计算关系为：
[0045][0046]
在ox2y2坐标工作模式中，所述oxy坐标系的电磁力计算关系为：
[0047][0048]
式中：为径向磁悬浮电磁力矢量，f
x fy为在x、y轴上的分量；f
x1
、f
y1
为ox1y1坐标系x1、y1的分量，f
x2
、f
y2
为ox2y2坐标系x2、y2的分量。
[0049]
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0050]
1、本发明一种磁悬浮轴承系统，径向定子铁芯采用16个绕组骨架和16个绕组，相邻磁极之间均设有沿轴向的凹形槽，凹形槽的槽底面沿轴向从中部分为两个半面，两个半面均为平面，每个半面均与相接的绕组骨架垂直；针对径向定子铁芯磁极长度短的应用场合，绕组可以预先绕制在绕组骨架上，然后再装配至径向定子铁芯上，并按规定接线；优化了磁悬浮轴承系统的结构，提高径向定子生产过程的工艺性。
[0051]
2、本发明一种磁悬浮轴承系统，径向定子铁芯的16个磁极相对8个磁极更有利于提高径向定子的槽满率，提高磁悬浮轴承的输出能力和整体性能；相邻磁极之间均设有沿轴向的凹形槽，凹形槽的槽底面沿轴向从中部分为两个半面，两个半面均为平面形式，每个半面均与相接的绕组骨架垂直，可以实现机器绕线，绕制好的绕组连同绕组骨架一同装配至径向定子铁芯上，一方面提高了生产效率有利于实现批量化生产，另一方面可以实现绕组结构尺寸、电气参数的高度对称性，进一步提高悬浮刚度对称性，降低磁悬浮轴承系统的控制难度。
[0052]
3、本发明一种磁悬浮轴承系统的控制方法，通过双坐标工作模式、ox1y1坐标工作模式和ox2y2坐标工作模式以及径向磁悬浮接线柱的接线方式，使磁悬浮轴承系统能够在任一工作模式下工作，实现单一线圈失效后磁悬浮轴承系统依旧能正常工作，提高磁悬浮轴承系统的工作可靠性。
附图说明
[0053]
图1为背景技术中磁悬浮轴承系统结构示意图；
[0054]
图2(a)为图1磁悬浮轴承系统中径向磁悬浮结构示意图(径向定子铁芯带极靴)；
[0055]
图2(b)为图1磁悬浮轴承系统中径向磁悬浮结构示意图(径向定子铁芯不带极靴)；
[0056]
图3(a)为图1磁悬浮轴承系统中径向磁悬浮系统的磁极ns磁路图；
[0057]
图3(b)为图1磁悬浮轴承系统中径向磁悬浮系统的接线图；
[0058]
图1-图3中附图标记为：
[0059]
01-刚体轴，02-径向磁悬浮定子，03-径向磁悬浮转子，04-轴向磁悬浮转子，05-轴向磁悬浮定子，06-径向磁悬浮定子铁芯，07-接线柱，08-绕组，09-径向转子，010-磁极，011-极靴，012-径向定子外径，013-径向定子内径；
[0060]
图4为本发明一种磁悬浮轴承系统中径向磁悬浮系统的结构示意图；
[0061]
图5为本发明一种磁悬浮轴承系统中的径向定子铁芯结构示意图；
[0062]
图6为本发明一种磁悬浮轴承系统中的磁极与坐标系结构示意图；
[0063]
图7为本发明一种磁悬浮轴承系统的接线图；
[0064]
图4-图7中附图标记为：
[0065]
1-径向转子,2-径向定子铁芯,3-绕组骨架，4-绕组，5-接线柱，6-磁极，7-槽底面。
具体实施方式
[0066]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0067]
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0068]
如图4所示，一种磁悬浮轴承系统，包括刚体轴、绕组4、接线柱5、径向磁悬浮结构和轴向磁悬浮结构；径向磁悬浮结构包括一对径向定子和一对径向转子1；轴向磁悬浮结构包括一对轴向定子和一对轴向转子；径向定子包括径向定子铁芯2、在径向定子铁芯2上沿周向依次设置的的16个磁极6、与16个绕组4匹配的16个绕组骨架3、与16个绕组4连接的10个接线柱5；16个绕组4分别通过16个绕组骨架3设置在16个磁极6上；
[0069]
如图5所示，径向定子铁芯2为不带极靴的径向定子铁芯，配合使用绕组骨架3，可以实现机器绕线，绕制好的绕组4连同绕组骨架3一同装配至径向定子铁芯2上，提高了生产效率有利于实现批量化生产；并且相邻磁极6之间均设有沿轴向的凹形槽，凹形槽的槽底面7沿轴向从中部分为两个半面，两个半面均为平面，每个半面均与相接的绕组骨架3垂直；主要针对径向定子铁芯2的外径与内径尺寸接近时，即磁极6长度相对较短的情况，优化了磁悬浮轴承系统的结构，提高径向定子生产过程的工艺性；
[0070]
如图4、图6所示，16个绕组4分别为绕组c1、绕组c2、绕组c3、绕组c4、绕组c5、绕组c6、绕组c7、绕组c8、绕组c9、绕组c10、绕组c11、绕组c12、绕组c13、绕组c14、绕组c15、绕组c16；
[0071]
10个接线柱5分别为接线柱d1、接线柱d2、接线柱d3、接线柱d4、接线柱d5、接线柱d6、接线柱d7、接线柱d8、接线柱d9、接线柱d10，10个接线柱5依次灌封或粘接于绕组c2和绕组c3、绕组c4和绕组c5、绕组c6和绕组c7、绕组c7和绕组c8、绕组c10和绕组c11、绕组c12和绕组c13、绕组c14和绕组c15、绕组c15和绕组c16、绕组c16和绕组c1、绕组c1和绕组c2之间的空隙处；
[0072]
如图7所示，16个绕组4与10个接线柱5的连接方式为：
[0073]
接线柱d1、绕组c1、绕组c2、接线柱d2、绕组c4、绕组c3、接线柱d3、绕组c7、绕组c8、接线柱d4、绕组c6、绕组c5、接线柱d5依次连接；
[0074]
接线柱d6、绕组c9、绕组c10、接线柱d7、绕组c12、绕组c11、接线柱d8、绕组c15、绕组c16、接线柱d9、绕组c14、绕组c13、接线柱d10依次连接；
[0075]
其中绕组c3和绕组c4、绕组c7和绕组c8、绕组c11和绕组c12、绕组c15和绕组c16依次位于ox1y1坐标系的0
°
、90
°
、180
°
和270
°
位置；
[0076]
绕组c1和绕组c2、绕组c5和绕组c6、绕组c9和绕组c10、绕组c13和绕组c14依次位于ox2y2坐标系的0
°
、90
°
、180
°
和270位置
°
；
[0077]
oxy坐标系的0
°
、90
°
、180
°
和270
°
位置由绕组c2和绕组c3、绕组c6和绕组c7、绕组c10和绕组c11、绕组c14和绕组c15依次组成；
[0078]
oxy坐标系的子坐标系为ox1y1坐标系和ox2y2坐标系，ox1y1坐标系相对ox2y2坐标系逆时针转动45
°
，实现oxy坐标系的四个方向电磁力控制。
[0079]
一种磁悬浮轴承系统的控制方法，如图6所示，采用以下任一种工作模式对磁悬浮轴承系统进行控制：双坐标工作模式、ox1y1坐标工作模式和ox2y2坐标工作模式，降低磁悬浮轴承系统的控制难度，实现单一线圈失效后系统依旧能正常工作，提高了磁悬浮系统的工作可靠性；
[0080]
双坐标工作模式，该模式为径向磁悬浮的常规模式，当16的磁极绕组均可以工作时，以oxy坐标系为径向磁悬浮的控制目标坐标系，x轴正向由绕组c1、绕组c2、绕组c3、绕组c4组成，y轴正向由绕组c5、绕组c6、绕组c7、绕组c8组成，x轴负向由绕组c9、绕组c10、绕组c11、绕组c12组成，y轴负向由绕组c13、绕组c14、绕组c15、绕组c16组成；接线柱d1为x轴正向电流接入点、接线柱d5为y轴正向电流接入点、接线柱d6为x轴负向电流接入点、接线柱d10为y轴负向电流接入点、接线柱d3和接线柱d8接地；oxy坐标系的电磁力由ox1y1和ox2y2两个坐标系电磁力合成，其电磁力计算关系为：
[0081][0082]
式中：为径向磁悬浮电磁力矢量，f
x fy为在x、y轴上的分量；f
x1
、f
y1
为ox1y1坐标系x1、y1的分量，f
x2
、f
y2
为ox2y2坐标系x2、y2的分量；
[0083]
ox1y1坐标工作模式，该模式工作条件为ox2y2坐标系的八个绕组c1、绕组c2、绕组c5、绕组c6、绕组c9、绕组c10、绕组c13、绕组c14的任意一个出现故障，此时径向磁悬浮依旧可以工作，此时电路调整为接线柱d2为x1轴正向电流接入点、接线柱d4为y1轴正向电流接入点、接线柱d7为x1轴负向电流接入点、接线柱d9为y1轴负向电流接入点、接线柱d3和接线柱d8接地，且接线柱d1悬空或者与接线柱d2等电位、接线柱d5悬空或者与接线柱d4等电位、接线柱d6悬空或者与接线柱d7等电位、接线柱d10悬空或者与接线柱d9等电位；ox1y1坐标工作模式以oxy坐标系为径向磁悬浮的控制目标坐标系，oxy坐标系的电磁力由ox1y1坐标产生并控制，其电磁力计算关系为：
[0084][0085]
式中：为径向磁悬浮电磁力矢量，f
x fy为在x、y轴上的分量；f
x1
、f
y1
为ox1y1坐标系x1、y1的分量，f
x2
、f
y2
为ox2y2坐标系x2、y2的分量；
[0086]
ox2y2坐标工作模式，该模式工作条件为ox1y1坐标系的八个绕组，绕组c3、绕组c4、绕组c7、绕组c8、绕组c11、绕组c12、绕组c15、绕组c16的任意一个出现故障，此时径向磁悬浮依旧可以工作，其电路调整为接线柱d1为x2轴正向电流接入点、接线柱d5为y2轴正向
电流接入点、接线柱d6为x2轴负向电流接入点、接线柱d10为y2轴负向电流接入点，接线柱d2、接线柱d3、接线柱d4、接线柱d7、接线柱d8、接线柱d9接地；ox2y2坐标工作模式以oxy坐标系为径向磁悬浮的控制目标坐标系，oxy坐标系的电磁力由ox2y2坐标产生并控制，其电磁力计算关系为：
[0087][0088]
式中：为径向磁悬浮电磁力矢量，f
x fy为在x、y轴上的分量；f
x1
、f
y1
为ox1y1坐标系x1、y1的分量，f
x2
、f
y2
为ox2y2坐标系x2、y2的分量。