主動磁力軸承
Active Magnetic Bearing
1 主動磁力軸承原理

主動磁力軸承也稱為有源磁軸承,是靠電磁鐵和鐵磁材料之間的吸力實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的無接觸懸浮,與被動磁軸承(永磁軸承)不同的是承載轉(zhuǎn)子磁力是可控的。

圖1是主動磁力軸承的組成與工作原理示意圖。

主動磁力軸承的組成與工作原理
圖1 ?主動磁力軸承的組成與工作原理

為了簡單顯示磁懸浮軸承的工作原理,圖中僅顯示一個自由度(垂直方向)的工作原理。磁懸浮軸承由轉(zhuǎn)子、定子鐵心1、定子鐵心2、位移傳感器1、位移傳感器2、功率放大器1、功率放大器2、控制器等部分組成。定子鐵心與轉(zhuǎn)子均由鐵磁性材料制作,位移傳感器檢測轉(zhuǎn)子上下偏移的距離。

穩(wěn)定狀態(tài)下,定子鐵心1的線圈電流為 i1,定子鐵心2的線圈電流為 i2,上下位移傳感器的偏差(差動檢測輸出)為0。當(dāng)轉(zhuǎn)子受到擾動由平衡位置向下發(fā)生偏移時,差動檢測輸出信號x1,控制器接受到該信號后,立即增大定子線圈1的電流 i1,減小定子線圈2的電流 i2,結(jié)果定子鐵心1的氣隙磁通1增加,定子鐵心2的氣隙磁通2減小,轉(zhuǎn)子會向上移動。待轉(zhuǎn)子移動到平衡位置時,差動檢測輸出為0,電流停止變化,轉(zhuǎn)子停在平衡位置。

當(dāng)轉(zhuǎn)子受到擾動由平衡位置向上發(fā)生偏移時,差動檢測輸出信號x2,控制器接受到該信號后,立即減小定子線圈1的電流 i1,增大定子線圈2的電流 i2,結(jié)果定子鐵心1的氣隙磁通1減小,定子鐵心2的氣隙磁通2增大,轉(zhuǎn)子會向下移動。待轉(zhuǎn)子移動到平衡位置時,差動檢測輸出x1為0,電流i1與i2停止變化,轉(zhuǎn)子停在平衡位置。

這是一個動態(tài)平衡過程,懸浮系統(tǒng)的剛度、阻尼以及穩(wěn)定性由控制系統(tǒng)決定。由于主動磁力軸承具有轉(zhuǎn)子位置、軸承剛度和阻尼可控制等優(yōu)點,所以在磁懸浮應(yīng)用領(lǐng)域中,主動磁力軸承得到了最為廣泛的應(yīng)用。主動磁力軸承按支承方式的分為徑向磁力軸承軸向磁力軸承

2 軸向主動磁力軸承

軸向軸承推力軸承)——主要用于承受軸向載荷的軸承。

軸向軸承由定子(電磁鐵)和轉(zhuǎn)盤構(gòu)成,圖2是軸向磁力軸承的主要部件定子鐵心與繞組。

軸向磁力軸承的定子鐵心與繞組
圖2 軸向磁力軸承的定子鐵心與繞組

圖2中(a)圖是剖開的定子鐵心,由導(dǎo)磁良好的鋼材制造。(b)圖是定子鐵心嵌有定子繞組的剖開圖,繞組由絕緣導(dǎo)線繞制。(c)圖是嵌有繞組的完整定子。

圖3是軸向磁力軸承的磁通圖與結(jié)構(gòu)圖。

軸向磁力軸承原理與結(jié)構(gòu)
圖3 ?軸向磁力軸承原理與結(jié)構(gòu)

在軸上固定有轉(zhuǎn)盤,轉(zhuǎn)盤由導(dǎo)磁良好的鋼材整體制做。在轉(zhuǎn)盤兩側(cè)是相對的2個嵌有繞組定子鐵心,定子鐵心與轉(zhuǎn)盤間有氣隙,定子鐵心固定在機殼內(nèi)。2側(cè)繞組由2個放大器提供電流,繞組通電后產(chǎn)生磁通,磁通路徑如左圖中紅色虛線所示,虛線上的箭頭表示磁通的方向。

正常情況下,左側(cè)鐵心與右側(cè)鐵心對轉(zhuǎn)盤的吸引力使轉(zhuǎn)盤位于2個鐵心之間的平衡位置。當(dāng)受到擾動由平衡位置發(fā)生軸向偏移時(例如向左),傳感器檢測到位移并發(fā)出位置偏移信號,該信號送到控制器,控制器控制左邊放大器減小線圈電流,控制右邊放大器增大線圈電流,吸引轉(zhuǎn)盤向右移動,重新回到平衡位置。同理轉(zhuǎn)盤向右偏移就增大左側(cè)繞組電流、減小右側(cè)繞組電流。

3 徑向主動磁力軸承

徑向軸承(向心軸承)——主要用于承受徑向載荷的軸承。

介紹主動磁力軸承工作原理的圖1 只是1個自由度的徑向磁力軸承,實際上軸可能發(fā)生任意徑向的偏移,至少要建立2個相互垂直的自由度進行約束才能穩(wěn)定。圖4是一個徑向8極磁力軸承工作原理圖。

3.1 徑向8極磁力軸承

圖4是一個徑向8極磁力軸承工作原理圖。

徑向8極磁力軸承原理
圖4 ?徑向8極磁力軸承原理

磁懸浮軸承由轉(zhuǎn)子、8極定子鐵心、定子繞組1~4、垂直位移傳感器1、水平位移傳感器2、功率放大器1~4、、控制器等部分組成。在前面“主動磁力軸承原理”介紹的基礎(chǔ)上,對圖4進行簡單介紹。

4個放大器輸出的電流,在4個線圈產(chǎn)生4個方向的磁通,控制4個線圈的電流大小就可以控制轉(zhuǎn)軸的位置,使轉(zhuǎn)軸懸浮在穩(wěn)定位置。如果轉(zhuǎn)軸向下偏移,垂直傳感器1檢測到偏移方向反饋給控制器,控制器發(fā)出信號:放大器1增大輸出電流,磁通1增加;同時減小放大器2的輸出電流,磁通2減小,變化的磁通使轉(zhuǎn)軸向上移動,待轉(zhuǎn)軸回到平衡位置,控制器停止放大器電流的變化,轉(zhuǎn)軸停在穩(wěn)定位置。如果轉(zhuǎn)軸向上偏移,垂直傳感器1檢測到偏移方向反饋給控制器,控制器發(fā)出信號:放大器1減小輸出電流,磁通1減小;同時增加放大器2的輸出電流,磁通2增大,變化的磁通使轉(zhuǎn)軸向下移動,待轉(zhuǎn)軸回到平衡位置,控制器停止放大器電流的變化,轉(zhuǎn)軸停在穩(wěn)定位置。

轉(zhuǎn)軸水平方向偏移的控制原理與垂直方向相同:當(dāng)轉(zhuǎn)軸發(fā)生水平方向偏移,水平位移傳感器2輸出的信號反饋到控制器,控制器通過控制放大器3與放大器4的輸出電流來改變磁通3與磁通4,使轉(zhuǎn)軸回到平衡位置。

如果轉(zhuǎn)軸在垂直方向與水平方向同時發(fā)生偏移,控制器會同時控制4個放大器的電流,使使轉(zhuǎn)軸回到平衡位置。具體原理請大家自己分析。

圖5是徑向8極磁懸浮軸承的立體結(jié)構(gòu)圖

圖5 徑向8極磁力軸承結(jié)構(gòu)圖
圖5 ?徑向8極磁力軸承結(jié)構(gòu)圖

圖5左圖是徑向8極磁力軸承的軸測圖,右圖是徑向8極磁力軸承的主視圖。在軸承座上安裝有垂直方向傳感器與水平方向傳感器,對軸的偏移進行檢測。轉(zhuǎn)子不能由硅鋼片疊成,要由導(dǎo)磁良好的鐵磁材料整體制作(以下均是)。

以上介紹的徑向8極磁懸浮軸承是比較典型的結(jié)構(gòu)形式,也可以做成4極的,6極的結(jié)構(gòu)等。圖6是徑向4極磁懸浮軸承的原理圖,其控制計算要復(fù)雜一些,具體工作原理這里就不介紹了。

徑向4極磁力軸承原理
圖6 ?徑向4極磁力軸承原理
 
3.2 軸向磁通徑向磁力軸承

圖7是采用軸向磁通的徑向磁力軸承

軸向磁通徑向磁力軸承結(jié)構(gòu)
圖7 ?軸向磁通徑向磁力軸承結(jié)構(gòu)

磁力軸承有4個U形鐵心,4個鐵心繞軸排列,相隔90度,組成了整個定子,見圖7右圖與圖8右圖。U形鐵心有N與S二個磁極,鐵心的N極S極是沿軸向布置,見圖7左圖。所以通過轉(zhuǎn)子的磁通是軸向的,圖8左圖是整個軸承的剖面圖,顯示了U形鐵心磁極的極性,顯示了U形鐵心磁極與轉(zhuǎn)子的磁通走向。

軸向磁通徑向磁力軸承原理圖
圖8 ?軸向磁通徑向磁力軸承原理圖

U形鐵心1上有勵磁繞組1,U形鐵心2上有勵磁繞組2,U形鐵心3上有勵磁繞組3,U形鐵心4上有勵磁繞組4,分別由4個放大器提供勵磁電流。繞組1產(chǎn)生的磁通1與繞組2產(chǎn)生的磁通2控制著轉(zhuǎn)子的垂直位置;繞組3產(chǎn)生的磁通3與繞組4產(chǎn)生的磁通4控制著轉(zhuǎn)子的水平位置。工作原理與徑向8極磁力軸承相同,這里不再介紹了。

4 混合磁力軸承

混合式磁力軸承兼顧了主動磁力軸承和被動磁力軸承的綜合特點。是在主動磁力軸承的磁路中疊加了永磁體,定子鐵心的靜態(tài)偏置磁通主要由永磁體提供,繞組補充部分磁通,控制繞組磁通變化即可控制轉(zhuǎn)子位置。由于大部分磁通由永磁體提供,可顯著降低功率放大器的功耗。同時繞組匝數(shù)減小,縮小了磁力軸承的體積。圖9是2種徑向混合式磁力軸承的結(jié)構(gòu)示意圖。

徑向混合式磁力軸承結(jié)構(gòu)示意圖
圖9 徑向混合式磁力軸承結(jié)構(gòu)示意圖

圖9左圖是混合軸向磁通徑向磁軸承,此圖是剖面圖。與圖8不同的是,U形鐵心1被分為鐵心1與鐵心2,在2者間插入了永磁體1,永磁體磁通方向與繞組產(chǎn)生磁通方向相同,通過調(diào)節(jié)繞組電流改變對轉(zhuǎn)子的引力。同樣,下方U形鐵心2由鐵心3與永磁體2有鐵心4組成。其他2個方向的結(jié)構(gòu)相同。

圖9右圖是混合徑向磁軸承,鐵心1與永磁體1與鐵心2組成上面的U形鐵心,由永磁體1與繞組共同產(chǎn)生磁通。同樣鐵心3與永磁體2與鐵心4組成下面的U形鐵心,鐵心5與永磁體3與鐵心6組成右面的U形鐵心,鐵心7與永磁體4與鐵心8組成左面的U形鐵心。

混合磁力軸承的構(gòu)成方式很多,這里就不介紹了。

 
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