本发明专利技术涉及一种混合磁力轴承及控制方法。解决现有混合磁轴承不能对磁极进行动态分配，平衡性不足的问题。混合磁力轴承包括定子、转子和控制系统，定子包括永磁体阵列和电磁体阵列，电磁体阵列至少由6个以上偶数个电磁体构成，控制系统包括开关对、功放驱动器、数字信号处理器，数字信号处理器包括相连接的ADC单元和CPU单元，每个开关对分别对应连接在一个电磁体线圈上，ADC单元分别连接到每个电磁体线圈上，CPU单元与功放驱动器连接，功放驱动器控制连接各开关对。本发明专利技术的优点是能对磁极属性进行动态分配控制，使得磁轴承的平衡性更好；采用自传感技术，保证了转子系统的稳定性，降低了成本，无需占用空间，维护及校准简单。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种非接触磁悬浮轴承领域，尤其是涉及一种对轴承磁极进行多态分配、平衡性更好混合磁力轴承及控制方法。
技术介绍
磁悬浮轴承又简称为磁轴承，是利用定子和转子之间的磁力作用将转子悬浮于空间，使定子和转子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承。由于定、转子之间不存在机械上的接触，所以磁悬浮轴承的转子可达到很高的运转转速，并且具有机械磨损小、能耗低、寿命长、无润滑和无污染等优点，特别适合高速、真空、超洁净和核等特殊的应用场合。磁悬浮轴承按照磁力的提供方式，可分为主动磁轴承(AMB, Active MagneticBearing)、被动磁轴承(PMB, Passive Magnetic Bearing)和混合磁轴承(HMB, HybridMagnetic Bearing)。混合磁轴承利用永久磁铁产生的磁场取代主动磁悬浮轴承中电磁铁产生的静态偏置磁场，又称为永磁偏置磁轴承，具有降低功率放大器的功耗，减少电磁铁的匝数，缩小磁轴承的体积等优点；同时其电磁线圈就成为了控制线圈，具备更加灵活的控制性能，与之配套的功放也可以进一步减小体积、降低功耗。目前有许多混合磁轴承，其一般结构包括定子、转子，定子上同一圆周平面上一般只设置3到4个磁极，其在控制上只能是通过控制这些磁极的弹性力来调节转子的平衡，但转子在转动过程中可能会出现陀螺现象，尤其是章动模态，导致磁轴承不平衡，但由于现有磁轴承只能控制磁极表现为支承特性，不易调节，容易造成磁轴承损坏。另外现有混合磁轴承对于转子位置的检测都需要在轴承内放置转子位移传感器，以满足检测要求，但存在传感器成本高，安装及布线占空间，维护及校准比较困难。如专利号为201220379576.X，名称为一种径向磁轴承电涡流传感器一体化结构的中国技术专利，其包括四路径向位移传感器探头、控制转子悬浮的永磁偏置混合磁轴承，该永磁偏置混合磁轴承包括两层的磁极和中间的永磁体构成，每次磁极具有四个，在同一圆周上相隔90度分布。该磁轴承在控制上就是通过控制磁极上的支承力来调节转子的平衡。该专利就存在上述的缺点:定子上同一圆周平面上一般只设置3到4个磁极，在控制上只能通过控制这些磁极的弹性力来调节转子的平衡，但转子在转动过程中可能会出现陀螺现象，尤其是章动模态，导致磁轴承不平衡，不易调节，甚至造成磁轴承损坏；需要在轴承内需放置转子位移传感器来检测转子位置，存在传感器成本高，安装及布线占空间，维护及校准比较困难。
技术实现思路
本专利技术主要是解决现有混合磁轴承只能通过控制磁极的支承力来调节转子平衡，不能对磁极进行动态分配，平衡性不足的问题，提供了一种将支承和阻尼属性分离，并能对磁极进行支承和阻尼属性动态分配，平衡性更好的混合磁力轴承，以及该轴承的控制方法。本专利技术另一专利技术目的是解决了现有混合磁轴承检测转子位子需要在轴承内设置转子位移传感器，成本高，安装及布线占空间，维护及校准困难的问题，提供了一种采用自传感技术的混合磁力轴承，以及该轴承的控制方法。本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:一种混合磁力轴承，包括定子、转子和控制系统，定子包括环绕转子外的永磁体阵列和电磁体阵列，电磁体阵列至少由6个以上偶数个电磁体构成，每个电磁体形成一个磁极，所述控制系统包括与电磁体数量对应的开关对、功放驱动器、数字信号处理器，所述数字信号处理器包括有ADC单元和CPU单元，所述ADC单元与CPU单元连接，所述每个开关对分别对应连接在一个电磁体线圈上，所述ADC单元分别连接到每个电磁体线圈上，所述CPU单元与功放驱动器连接，功放驱动器控制连接各开关对，ADC单元:对各电磁体线圈上的电流进行采集，并将这些采集的信息进行模式转换后发送给CPU单元进行处理；CPU单元:对各电磁体线圈处采集的电流值进行计算处理后得到转子相对各磁极的位移值和位移变化量，CPU单元根据位置值和位移变化量分析转子振动量和章动模态量情况，并判断是否提高相应磁极弹性力以及增加相应磁极的阻尼力，然后CPU单元发送指令给功放驱动器，由功放驱动器控制对应磁极的开关对工作，控制各磁极线圈上的电流大小，从而控制转子系统的弹性力或阻尼力，同时功放驱动器还通过控制开关对工作，在各磁极线圈上叠加自传感所需的高频小信号。多个电磁体环绕构成电磁体阵列，一个电磁体形成一个磁极，形成了多磁极。电磁极对于气隙宽度变化产生支撑刚度即表现为弹性力，并能对转子速度变化产生对应的阻尼。控制电流可以使磁极支撑刚度变为零，从而完全表现为电磁阻尼，因此可以控制相应磁极表现为支撑刚度磁极或是支撑阻尼磁极。采用至少6组以上的偶数组电磁体，本专利技术控制系统通过控制实现了对这些磁极进行动态分布，使得一些磁极表现为支撑刚度磁极，一些磁极表现为阻尼磁极，将支撑刚度和阻尼分开，实现两者独立。在保持转子平衡的同时，还能通过电磁阻尼的磁极有效抑制强陀螺效应中的章动模态，明显减少转的振动，使得磁轴承的平衡性更好，满足高精度加工的特殊要求。传统磁力轴承转子位置的检测是大多数的都是通过电涡流传感器来完成的，可以满足检测的要求，但存在传感器成本高，安装及布线占空间，维护及校准比较困难，本专利技术控制系统对转子位移的检测采用自传感技术，内部无需放置任何转子位移传感器，而是通过在线圈上加载高频小信号实现，这使得本专利技术传感器和轴承磁极的工作面完全重合，这种自传感的方式实现了无相差测量，保证了转子系统的稳定性。功放驱动器控制开关对在线圈上产生自传感所需的高频信号，也产生对电磁体控制的控制电流信号，两个信号是叠加的。作为一种优选方案，所述开关对连接在电源上，开关对包括两个串联的开关，每个电磁体对应连接一个开关对，电磁体的线圈一端接中心电位点，另一端连接至其对应的开关对两个开关连接之间，所述ADC单元还连接到各开关对与电源负极连接点上。电磁体线圈采用多相星形连接，运用平衡电阻网络构建中心电位，使得各相独立控制，为控制解耦算法提供方便。开关对连接在直流电源正负极间，正电压Vdc+和负电压VDC_给定的电流加载在电磁体的线圈上，功放驱动器发送驱动信号控制各开关对工作，通过控制开关功率管的电压占空比的不同而产生周期内平均值不同的电流，从而控制线圈上的电流大小。功放驱动器的PWM信号的驱动方式可以有两种:其一是通过正弦波对三角波的调制产生；载波正弦波的初相位使磁极相位依次相差60度并调制其工作电压幅值来形成磁场偏向力，该工作方式是一种交流驱动的磁力相变轴承。其二是通过对各相线圈独立工作其工作电流，形成稳定且可动态调整的电磁场，从而形成磁场偏向力，该工作方式是一种直流或准直流驱动的磁力轴承。功放驱动器的PWM信号，通过改变载波频率使得PWM信号的频率覆盖从低频到高频的叫宽频带，以此来适应磁轴承转子从低速到高速的运行调节。另外数字信号处理器连接至各开关对与电源负极连接的点上，对该点电压进行采集分析，以提供过流保护。一种混合磁力轴承的控制方法，采用权利要求1或2中磁力轴承，包括对转子位移的检测，对磁极弹性力或阻尼力的调节转子位移的检测过程为:由CPU单元控制多相开关给各电磁体线圈加载高频小信号，在线圈上产生反应转子位移信号的感生电流，ADC单元采集各电磁体线圈上的电流，传输给CPU单元，CPU单元对采样电流值进行计算得到各电本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种混合磁力轴承，包括定子、转子和控制系统，定子包括环绕转子外的永磁体阵列和电磁体阵列，电磁体阵列至少由6个以上偶数个电磁体构成，每个电磁体形成一个磁极，其特征在于：所述控制系统包括与电磁体数量对应的开关对（2）、功放驱动器（3）、数字信号处理器（1），所述数字信号处理器（1）包括有ADC单元（4）和CPU单元（5），所述ADC单元与CPU单元连接，所述每个开关对分别对应连接在一个电磁体线圈上，所述ADC单元分别连接到每个电磁体线圈上，所述CPU单元与功放驱动器连接，功放驱动器控制连接各开关对，ADC单元：对各电磁体线圈上的电流进行采集，并将这些采集的信息进行模式转换后发送给CPU单元进行处理；CPU单元：对各电磁体线圈处采集的电流值进行计算处理后得到转子相对各磁极的位移值和位移变化量，CPU单元根据位置值和位移变化量分析转子振动量和章动模态量情况，并判断是否提高相应磁极弹性力以及增加相应磁极的阻尼力，然后CPU单元发送指令给功放驱动器，由功放驱动器控制对应磁极的开关对工作，控制各磁极线圈上的电流大小，从而控制转子系统的上弹性力或阻尼力，同时功放驱动器还通过控制开关对工作，在各磁极线圈上叠加自传感所需的高频小信号。...
【技术特征摘要】
1.一种混合磁力轴承，包括定子、转子和控制系统，定子包括环绕转子外的永磁体阵列和电磁体阵列，电磁体阵列至少由6个以上偶数个电磁体构成，每个电磁体形成一个磁极，其特征在于:所述控制系统包括与电磁体数量对应的开关对(2)、功放驱动器(3)、数字信号处理器(I)，所述数字信号处理器(I)包括有ADC单元(4 )和CPU单元(5 )，所述ADC单元与CPU单元连接，所述每个开关对分别对应连接在一个电磁体线圈上，所述ADC单元分别连接到每个电磁体线圈上，所述CPU单元与功放驱动器连接，功放驱动器控制连接各开关对， ADC单元:对各电磁体线圈上的电流进行采集，并将这些采集的信息进行模式转换后发送给CPU单元进行处理； CPU单元:对各电磁体线圈处采集的电流值进行计算处理后得到转子相对各磁极的位移值和位移变化量，CPU单元根据位置值和位移变化量分析转子振动量和章动模态量情况，并判断是否提高相应磁极弹性力以及增加相应磁极的阻尼力，然后CPU单元发送指令给功放驱动器，由功放驱动器控制对应磁极的开关对工作，控制各磁极线圈上的电流大小，从而控制转子系统的上弹性力或阻尼力，同时功放驱动器还通过控制开关对工作，在各磁极线圈上叠加自传感所需的高频小信号。2.根据权利要求1所述的一种混合磁力轴承，其特征是所述开关对(2)连接在电源上，开关对包括两个串联的开关，每个电磁体对应连接一个开关对，电磁体的线圈一端接中心电位点，另一端连接至其对应的开关对两个开关连接之间。3.一种混合磁力轴承的控制方法，采用权利要求1或2中磁力轴承，其特征是:包括对转子位移的检测，对磁极弹性力或阻尼力的调节 转子位移的检...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡雄心，于振杰，蒋建东，俞思源，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。