主动磁力轴承
Active Magnetic Bearing
1 主动磁力轴承原理

主动磁力轴承也称为有源磁轴承,是靠电磁铁和铁磁材料之间的吸力实现转子的无接触悬浮,与被动磁轴承(永磁轴承)不同的是承载转子磁力是可控的。

图1是主动磁力轴承的组成与工作原理示意图。

主动磁力轴承的组成与工作原理
图1  主动磁力轴承的组成与工作原理

为了简单显示磁悬浮轴承的工作原理,图中仅显示一个自由度(垂直方向)的工作原理。磁悬浮轴承由转子、定子铁心1、定子铁心2、位移传感器1、位移传感器2、功率放大器1、功率放大器2、控制器等部分组成。定子铁心与转子均由铁磁性材料制作,位移传感器检测转子上下偏移的距离。

稳定状态下,定子铁心1的线圈电流为 i1,定子铁心2的线圈电流为 i2,上下位移传感器的偏差(差动检测输出)为0。当转子受到扰动由平衡位置向下发生偏移时,差动检测输出信号x1,控制器接受到该信号后,立即增大定子线圈1的电流 i1,减小定子线圈2的电流 i2,结果定子铁心1的气隙磁通1增加,定子铁心2的气隙磁通2减小,转子会向上移动。待转子移动到平衡位置时,差动检测输出为0,电流停止变化,转子停在平衡位置。

当转子受到扰动由平衡位置向上发生偏移时,差动检测输出信号x2,控制器接受到该信号后,立即减小定子线圈1的电流 i1,增大定子线圈2的电流 i2,结果定子铁心1的气隙磁通1减小,定子铁心2的气隙磁通2增大,转子会向下移动。待转子移动到平衡位置时,差动检测输出x1为0,电流i1与i2停止变化,转子停在平衡位置。

这是一个动态平衡过程,悬浮系统的刚度、阻尼以及稳定性由控制系统决定。由于主动磁力轴承具有转子位置、轴承刚度和阻尼可控制等优点,所以在磁悬浮应用领域中,主动磁力轴承得到了最为广泛的应用。主动磁力轴承按支承方式的分为径向磁力轴承轴向磁力轴承

2 轴向主动磁力轴承

轴向轴承推力轴承)——主要用于承受轴向载荷的轴承。

轴向轴承由定子(电磁铁)和转盘构成,图2是轴向磁力轴承的主要部件定子铁心与绕组。

轴向磁力轴承的定子铁心与绕组
图2 轴向磁力轴承的定子铁心与绕组

图2中(a)图是剖开的定子铁心,由导磁良好的钢材制造。(b)图是定子铁心嵌有定子绕组的剖开图,绕组由绝缘导线绕制。(c)图是嵌有绕组的完整定子。

图3是轴向磁力轴承的磁通图与结构图。

轴向磁力轴承原理与结构
图3  轴向磁力轴承原理与结构

在轴上固定有转盘,转盘由导磁良好的钢材整体制做。在转盘两侧是相对的2个嵌有绕组定子铁心,定子铁心与转盘间有气隙,定子铁心固定在机壳内。2侧绕组由2个放大器提供电流,绕组通电后产生磁通,磁通路径如左图中红色虚线所示,虚线上的箭头表示磁通的方向。

正常情况下,左侧铁心与右侧铁心对转盘的吸引力使转盘位于2个铁心之间的平衡位置。当受到扰动由平衡位置发生轴向偏移时(例如向左),传感器检测到位移并发出位置偏移信号,该信号送到控制器,控制器控制左边放大器减小线圈电流,控制右边放大器增大线圈电流,吸引转盘向右移动,重新回到平衡位置。同理转盘向右偏移就增大左侧绕组电流、减小右侧绕组电流。

3 径向主动磁力轴承

径向轴承(向心轴承)——主要用于承受径向载荷的轴承。

介绍主动磁力轴承工作原理的图1 只是1个自由度的径向磁力轴承,实际上轴可能发生任意径向的偏移,至少要建立2个相互垂直的自由度进行约束才能稳定。图4是一个径向8极磁力轴承工作原理图。

3.1 径向8极磁力轴承

图4是一个径向8极磁力轴承工作原理图。

径向8极磁力轴承原理
图4  径向8极磁力轴承原理

磁悬浮轴承由转子、8极定子铁心、定子绕组1~4、垂直位移传感器1、水平位移传感器2、功率放大器1~4、、控制器等部分组成。在前面“主动磁力轴承原理”介绍的基础上,对图4进行简单介绍。

4个放大器输出的电流,在4个线圈产生4个方向的磁通,控制4个线圈的电流大小就可以控制转轴的位置,使转轴悬浮在稳定位置。如果转轴向下偏移,垂直传感器1检测到偏移方向反馈给控制器,控制器发出信号:放大器1增大输出电流,磁通1增加;同时减小放大器2的输出电流,磁通2减小,变化的磁通使转轴向上移动,待转轴回到平衡位置,控制器停止放大器电流的变化,转轴停在稳定位置。如果转轴向上偏移,垂直传感器1检测到偏移方向反馈给控制器,控制器发出信号:放大器1减小输出电流,磁通1减小;同时增加放大器2的输出电流,磁通2增大,变化的磁通使转轴向下移动,待转轴回到平衡位置,控制器停止放大器电流的变化,转轴停在稳定位置。

转轴水平方向偏移的控制原理与垂直方向相同:当转轴发生水平方向偏移,水平位移传感器2输出的信号反馈到控制器,控制器通过控制放大器3与放大器4的输出电流来改变磁通3与磁通4,使转轴回到平衡位置。

如果转轴在垂直方向与水平方向同时发生偏移,控制器会同时控制4个放大器的电流,使使转轴回到平衡位置。具体原理请大家自己分析。

图5是径向8极磁悬浮轴承的立体结构图

图5 径向8极磁力轴承结构图
图5  径向8极磁力轴承结构图

图5左图是径向8极磁力轴承的轴测图,右图是径向8极磁力轴承的主视图。在轴承座上安装有垂直方向传感器与水平方向传感器,对轴的偏移进行检测。转子不能由硅钢片叠成,要由导磁良好的铁磁材料整体制作(以下均是)。

以上介绍的径向8极磁悬浮轴承是比较典型的结构形式,也可以做成4极的,6极的结构等。图6是径向4极磁悬浮轴承的原理图,其控制计算要复杂一些,具体工作原理这里就不介绍了。

径向4极磁力轴承原理
图6  径向4极磁力轴承原理
 
3.2 轴向磁通径向磁力轴承

图7是采用轴向磁通的径向磁力轴承

轴向磁通径向磁力轴承结构
图7  轴向磁通径向磁力轴承结构

磁力轴承有4个U形铁心,4个铁心绕轴排列,相隔90度,组成了整个定子,见图7右图与图8右图。U形铁心有N与S二个磁极,铁心的N极S极是沿轴向布置,见图7左图。所以通过转子的磁通是轴向的,图8左图是整个轴承的剖面图,显示了U形铁心磁极的极性,显示了U形铁心磁极与转子的磁通走向。

轴向磁通径向磁力轴承原理图
图8  轴向磁通径向磁力轴承原理图

U形铁心1上有励磁绕组1,U形铁心2上有励磁绕组2,U形铁心3上有励磁绕组3,U形铁心4上有励磁绕组4,分别由4个放大器提供励磁电流。绕组1产生的磁通1与绕组2产生的磁通2控制着转子的垂直位置;绕组3产生的磁通3与绕组4产生的磁通4控制着转子的水平位置。工作原理与径向8极磁力轴承相同,这里不再介绍了。

4 混合磁力轴承

混合式磁力轴承兼顾了主动磁力轴承和被动磁力轴承的综合特点。是在主动磁力轴承的磁路中叠加了永磁体,定子铁心的静态偏置磁通主要由永磁体提供,绕组补充部分磁通,控制绕组磁通变化即可控制转子位置。由于大部分磁通由永磁体提供,可显著降低功率放大器的功耗。同时绕组匝数减小,缩小了磁力轴承的体积。图9是2种径向混合式磁力轴承的结构示意图。

径向混合式磁力轴承结构示意图
图9 径向混合式磁力轴承结构示意图

图9左图是混合轴向磁通径向磁轴承,此图是剖面图。与图8不同的是,U形铁心1被分为铁心1与铁心2,在2者间插入了永磁体1,永磁体磁通方向与绕组产生磁通方向相同,通过调节绕组电流改变对转子的引力。同样,下方U形铁心2由铁心3与永磁体2有铁心4组成。其他2个方向的结构相同。

图9右图是混合径向磁轴承,铁心1与永磁体1与铁心2组成上面的U形铁心,由永磁体1与绕组共同产生磁通。同样铁心3与永磁体2与铁心4组成下面的U形铁心,铁心5与永磁体3与铁心6组成右面的U形铁心,铁心7与永磁体4与铁心8组成左面的U形铁心。

混合磁力轴承的构成方式很多,这里就不介绍了。

 
  返回上一页   Back to Previous Page