專利名稱：一種軸向電磁推力軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種軸向電磁推力軸承。這是一種可以適應(yīng)未來機械設(shè)備自動化要求 的、以電子學(xué)、電磁學(xué)、控制學(xué)、傳感器學(xué)以及計算機學(xué)等多學(xué)科知識為理論和技術(shù) 背景的、適用于一般或特殊要求的機械裝備中轉(zhuǎn)子軸向力支承部件。
技術(shù)背景目前，電磁軸承是世界上公認的高端支承部件之一。它具有傳統(tǒng)機械支承技術(shù)所 難以到達的技術(shù)指標和獨具特色的支承性能。電磁軸承在國外已經(jīng)成功地應(yīng)用于諸如 機械加工、核能、化工、航空航天以及食品藥品等工業(yè)領(lǐng)域中的多種旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運動 機械。目前采用的主動電磁軸承(active magnetic bearing,簡稱AMB)設(shè)計工作 大多是根據(jù)其應(yīng)用的條件，由專業(yè)設(shè)計人員在特定的條件下完成的，這樣做使得在應(yīng) 用中對轉(zhuǎn)子條件的互換性受到了限制。為了能夠使得AMB的設(shè)計在一定條件下適應(yīng)各 種轉(zhuǎn)子的特性，如轉(zhuǎn)子幾何尺寸在一定范圍內(nèi)變化、轉(zhuǎn)子工作條件及工況條件的局 限差異等，就必須使AMB自身能夠完成相關(guān)的技術(shù)設(shè)計。這個構(gòu)思稱之為"在線設(shè) 計"(online design)。在線設(shè)計的實現(xiàn)，可以使得AMB的設(shè)計實現(xiàn)系列化，進而促 進產(chǎn)品化。在這個構(gòu)思中，關(guān)鍵的技術(shù)是AMB自身設(shè)計參數(shù)的傳遞、AMB與轉(zhuǎn)子的識 別及控制參數(shù)的自動設(shè)計過程，這是已有技術(shù)尚未得到解決的問題。本發(fā)明僅涉及為 實現(xiàn)上述構(gòu)思所體現(xiàn)之AMB及其內(nèi)部的智能化結(jié)構(gòu)，而控制器的設(shè)計、相關(guān)程序的編 制以及AMB與控制器之間的連接技術(shù)并未在此表述。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計人員可以根據(jù) AMB系列化的各項具體要求對細B的結(jié)構(gòu)、達到的控制目標以及控制參數(shù)等進行預(yù)設(shè) 計，這種設(shè)計僅對AMB的基本要求進行，而AMB轉(zhuǎn)子系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的專業(yè)設(shè)計工作 將留待AMB被使用時由其自動完成。這里的特點是，專業(yè)設(shè)計人員在構(gòu)建AMB時就己 經(jīng)將自身的設(shè)計思想"融入"AMB及控制器中。這樣，工程設(shè)計人員在使用AMB構(gòu)建 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)時，就無需對每個具體的轉(zhuǎn)子進行具體的控制參數(shù)、位置傳感器和動力學(xué)方 面的專業(yè)設(shè)計，他們所要做的僅僅是象使用滾動軸承那樣，按照AMB的系列參數(shù)選用 即可。而且，由于AMB的總體設(shè)計精度遠低于其他傳統(tǒng)的軸承，故可以大幅度降低 AMB應(yīng)用中的專業(yè)性要求，提高設(shè)計工作的效率，減輕勞動強度，減少設(shè)計費用，乃 至減少以后使用中的維護費用，及提高設(shè)備的使用壽命。本發(fā)明可以解決長期AMB 設(shè)計中專業(yè)知識要求偏高的瓶頸問題。磁軸承的系列化和標準化一直是本研究領(lǐng)域開發(fā)工作的最終目標，上述發(fā)明的實
現(xiàn)不僅具有工程意義，還可以為磁軸承的產(chǎn)品化、系列化和標準化提供相應(yīng)的技術(shù)基 礎(chǔ)。發(fā)明內(nèi)容針對上述問題本發(fā)明提供的一種軸向推力主動磁力軸承，實現(xiàn)磁推力軸承智能 化，為主動磁軸承的產(chǎn)品化、系列化和標準化提供相應(yīng)的技術(shù)基礎(chǔ)，本軸承結(jié)構(gòu)能夠 很好地利用能源，縮小整體體積，并使用極其簡單的水冷卻方法散發(fā)掉電磁鐵部件所 產(chǎn)生的熱量，使整個設(shè)備能在恒溫下工作。另外，推力盤的外接開裂結(jié)構(gòu)可以有效地 減輕其內(nèi)部渦流及對系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生的影響。同時，通過系統(tǒng)的在線設(shè)計功能可以在軸 向?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定懸浮。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是本軸向推力主動磁力軸承它包括電磁鐵部 件、帶V型環(huán)形槽的推力軸承部件、智能部件和轉(zhuǎn)子保護部件四部分。所述電磁鐵部 件包括圓環(huán)狀的2個對稱分布于推力盤兩側(cè)的定子磁鐵鐵芯、以同心圓形式繞制后 鑲嵌于磁鐵鐵芯內(nèi)部推力盤一側(cè)的線圈、環(huán)繞于磁鐵鐵芯外圓側(cè)的用于隔離磁鐵鐵芯 內(nèi)部磁場的外環(huán)套；所述帶V型槽的推力軸承部件是一個圓環(huán)狀的，且在其中部以圓 環(huán)狀形式加工出一個或數(shù)個V型槽的推力盤。這個推力盤在使用中將與轉(zhuǎn)軸組裝而成 為轉(zhuǎn)軸的一個不可分割體；所述智能部件是指鑲嵌于上述電磁鐵部件中磁鐵鐵心非推 力盤一側(cè)的圓盤形電路板，其上面包括有:轉(zhuǎn)子軸向位移傳感器的信號轉(zhuǎn)換電路部分； 系統(tǒng)信息接口、能量接口和控制接口所需要的電子線路裝置；以及對上述接口進行初 步控制的USB接口電路控制器部分；智能部件還包括主動軸向電磁軸承所需要之位移 信號傳感器；所述轉(zhuǎn)子保護部件是指鑲嵌于上述電磁鐵鐵心推力盤一側(cè)、2個圓環(huán)狀 的固態(tài)滑動軸承。電磁鐵部件還包括在隔離套圓環(huán)外側(cè)的軸承殼體。在隔離環(huán)與軸承 殼體之間加工有冷卻軸承作用之冷卻水槽。在推力盤兩側(cè)的電磁鐵鐵心由一個圓環(huán)狀 的隔離環(huán)分隔并進行位置限制，該圓環(huán)狀的隔離環(huán)與推力盤處于同心位置，但不存在 機械接觸。V型環(huán)形槽結(jié)構(gòu)的推力盤、軸承外殼、端蓋及電磁鐵鐵心采用導(dǎo)磁的工程 結(jié)構(gòu)鋼或不銹鋼材料；電磁鐵線圈采用高強度漆包線制作；外環(huán)套、隔離環(huán)采用青銅 或非導(dǎo)磁不銹鋼材料；保護軸承部件采用碳碳復(fù)合材料或其他滑動軸承材料；軸向位 移傳感器采用集成式的專用電感式位移傳感器電路；智能部件上采用的固有參數(shù)存儲 控制電路、帶有PnP功能的USB接口控制器、及Flash存儲控制器；其中，F(xiàn)lash盤存儲有軸承的固有參數(shù)，包括S。(磁極的截面積)、JV。(單個線圈匝數(shù))、/。(偏 磁電流)和《(平衡情況下的單邊氣隙長度)。
根據(jù)上述的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種軸向推力主動軸承。它包括一個外殼與兩個端蓋連接構(gòu)成的軸承腔中，安裝 一個與轉(zhuǎn)軸固定套裝的推力盤，并在推力盤兩側(cè)各安裝一個有電磁鐵鐵芯上繞制電磁 鐵線圈構(gòu)成的電磁鐵組件。上述的智能部件是一個圓盤形電路板，其上有差動式位移傳感器集成電路模塊和 智能存儲控制電路模塊，并有電源線端口、信號線端口和控制線端口通過導(dǎo)線內(nèi)連推 力盤傳感器和外接控制器。上述的推力盤兩側(cè)的電磁鐵組件與外殼之間各有一個與殼體固定連接的外套環(huán)， 對著推力盤的外套環(huán)端面上裝有保護支承環(huán)。上述的推力盤外緣具有V型環(huán)形槽。上述的推力盤兩側(cè)的電磁鐵鐵芯之間有一個隔離環(huán)。上述的隔離環(huán)與外殼之間有冷卻水槽。本發(fā)明采取上述技術(shù)方案，具有下述優(yōu)點1. 電磁鐵部件由于采用了冷卻水槽，可以利用一定壓力的冷卻水裝置冷卻由于 電磁鐵長時間工作產(chǎn)生的熱量。隨著熱量的增加，電磁軸承的溫度將會逐歩升高，這 將會使其內(nèi)部的相關(guān)控制器件產(chǎn)生一定的誤差，從而對控制作用不利。而冷卻水槽可 以帶走熱量，防止溫升；2. 推力盤采用中部開V型槽的結(jié)構(gòu)，以避免鐵心內(nèi)部的渦流效應(yīng)引起的發(fā)熱問 題。降低能源損耗，同時這種結(jié)構(gòu)也可以使推力盤保持一定的機械強度，滿足工程的 需要。這種設(shè)計方法與采用特殊材料的高溫磁軸承相比制造的費用大大降低，應(yīng)用范 圍更廣。3. 軸承鐵心及隔離環(huán)由于采用青銅或非導(dǎo)磁不銹鋼等其他材料制作，可以有效 防止漏磁現(xiàn)象，提高能源的利用效率。4. 采用碳碳復(fù)合材料的保護軸承部件由于其獨特的機械特性、良好的摩擦學(xué)特 性及超高的耐溫效果，可以達到簡單有效地保護電磁軸承的目的。5. 智能部件中可以使用傳統(tǒng)的電渦流位移傳感器，也可以使用集成式專用差動 電感式位移傳感器。無論使用何種傳感器，本發(fā)明之結(jié)構(gòu)均可消除由于傳感器的安裝 結(jié)構(gòu)帶來的轉(zhuǎn)子中心位置誤差，提高信號的靈敏度和準確度，并可使軸承的結(jié)構(gòu)緊湊、 體積大大縮?。黄鋬?nèi)置的軸承信息存取芯片可以保證在該主動軸向電磁軸承被使用時 與系統(tǒng)的電子控制器之間實現(xiàn)即插即用(PnP)的目的。6.智能部件內(nèi)的固有參數(shù)的存儲控制電路及相關(guān)接口，可以解決現(xiàn)有AMB系統(tǒng) 只針對特定轉(zhuǎn)子特定工況參數(shù)下而進行的開發(fā)研究問題，使其具有一定的普適性；可 以大幅度減輕這類軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計人員的工作強度和降低對AMB專業(yè)知識的要求； 簡化了 AMB應(yīng)用設(shè)計的過程；極易在各工業(yè)領(lǐng)域中推廣應(yīng)用。


圖l軸向推力主動磁力軸承結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2軸向推力主動磁力軸承零件分解圖； 圖3圖l中智能部件主要器件立體圖；包括集成位移傳感器部分和固有參數(shù)存儲控制器部分。 圖4智能部件結(jié)構(gòu)框圖； 圖5 AD598信號處理電路； 圖6智能部件的信號接口板圖。附圖各部件為軸向推力盤上的V型環(huán)形槽1,保護支承環(huán)2，電磁鐵線圈3，推力盤 4，端蓋5，轉(zhuǎn)軸6，智能部件7，推力盤傳感器8，外環(huán)套9，隔離環(huán)IO，電磁鐵鐵 心ll，差動式位移傳感器集成電路模塊12，智能存儲控制電路模塊13，信號線端口 14，控制線端口 15，電源線端口16，外殼1具體實施方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例結(jié)合附圖詳述如下參見圖l、圖2、圖3和圖6，軸向推力主動磁力軸承，由電磁鐵鐵心ll、線圈 3、外環(huán)套9、隔離環(huán)IO、帶V型環(huán)形槽1推力盤4、端蓋5、轉(zhuǎn)軸6、智能部件7、 保護支承環(huán)2、推力盤傳感器8 (其中8a集成式位移傳感器，為8b為傳統(tǒng)電渦流位 移傳感器預(yù)留位)和外殼17等部分組成。其中，件ll、 3、 9、 5、 2和8均為成對出 現(xiàn)。當在電磁鐵線圈3中通以適當?shù)碾娏鳎⒔o予合理的控制，兩側(cè)電磁鐵產(chǎn)生的電 磁場可以實施于推力盤8以軸向力，并實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。這時，受控制的是與轉(zhuǎn)軸6 相連的V型環(huán)形槽推力盤4。在智能部件7的電路板上設(shè)置的集成差動式位移傳感器 集成電路模塊12和智能存儲控制電路模塊13，通過信號接口板端口 14與磁軸承數(shù) 字控制器實現(xiàn)信號的傳遞，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。轉(zhuǎn)子保護支承環(huán)2嵌入于電磁 軸承的外環(huán)套9與外殼17之間，可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)軸在發(fā)生故障時的保護作用。參見圖4和圖5，本裝置安裝完成后，軸向磁軸承通過位移傳感器的實時檢測推 力盤的工作位置，通過信號線端口 14把位移信號傳遞給數(shù)字控制器實現(xiàn)精確的控制200810201982.5說明書第5/5頁和穩(wěn)定的懸浮。其工作原理是系統(tǒng)一上電，磁軸承的智能部件7上的智能存儲控制電路模塊13中的USB控制器(即8051MCU)把存儲在Flash盤內(nèi)的各種標準化的參數(shù)， 通過USB控制芯片SL811HS的USB接口傳遞給數(shù)字控制器系統(tǒng)，從而設(shè)定當前系統(tǒng)的 相關(guān)控制參數(shù)的數(shù)據(jù)取值范圍；另一方面，當磁軸承的數(shù)值控制器實現(xiàn)了對系統(tǒng)的穩(wěn) 定懸浮后，也可以把這些控制參數(shù)保存在Flash存儲器上。同時，集成差動位移傳感 器的兩個探頭實時檢測推力盤的位移，通過AD598芯片構(gòu)成的集成差動位移傳感器電 路把兩路位移信號轉(zhuǎn)換成差動位移電信號(其大小正比于推力盤的偏心距)，經(jīng)過信 號調(diào)理電路，把電信號通過智能部件的信號線端口 14傳遞給磁軸承的數(shù)值控制器， 輸出相應(yīng)的控制電流，從而調(diào)節(jié)電磁鐵的電磁力，保證推力盤8 (轉(zhuǎn)軸6)于平衡狀 態(tài)，實現(xiàn)軸向此軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定懸浮。同時，在外環(huán)套9與外殼17之間的水槽內(nèi)通入適量的水流，可使電磁鐵的定子 鐵芯維持在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。權(quán)利要求
1. 一種軸向電磁推力軸承，它包括一個外殼(17)與兩個端蓋(5)連接構(gòu)成的軸承腔中，安裝一個與轉(zhuǎn)軸(6)固定套裝的推力盤(4)，并在推力盤(4)兩側(cè)各安裝一個有電磁鐵鐵心(11)上繞制電磁鐵線圈(3)構(gòu)成的電磁鐵組件。其特征在于所述的推理盤(4)的兩側(cè)的電磁鐵鐵芯(11)上各安裝一個推理盤傳感器(8a，8b)，而一側(cè)的電磁鐵鐵芯(11)上嵌裝一個智能部件(7).
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸向電磁推力軸承，其特征在于所述的智能部件(7) 是一個圓盤形電路板，其上有差動式位移傳感器集成電路模塊(12)和智能存 儲控制電路模塊(13)，并有電源線端口(16)、信號線端口(14)和控制線端口 (15)通過導(dǎo)線內(nèi)連推力盤傳感器(8a， 8b)和外接控制器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸向電磁推力軸承，其特征在于所述的推力盤(4)兩 側(cè)的電磁鐵組件與外殼(17)之間各有一個與殼體(17)固定連接的外環(huán)套 (9)，對著推力盤(4)的外環(huán)套(9)端面上裝有保護支承環(huán)(2)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸向電磁推力軸承，其特征在于所述的推力盤(4)外 緣具有V型環(huán)形槽(l)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸向電磁推力軸承，其特征在于所述的推力盤(4)兩 側(cè)的電磁鐵鐵芯(11)之間有一個隔離環(huán)(10)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的軸向電磁推力軸承，其特征在于所述的隔離環(huán)(10)與 外殼(17)之間有冷卻水槽。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種軸向電磁推力軸承，它包括一個外殼與兩個端蓋連接構(gòu)成的軸承腔中，安裝一個與轉(zhuǎn)軸固定套裝的推力盤，并在推力盤兩側(cè)各安裝一個有電磁鐵鐵芯上繞制電磁鐵線圈構(gòu)成的電磁鐵組件。本發(fā)明的軸承，實現(xiàn)磁軸承智能化，為主動磁軸承的產(chǎn)品化、系列化和標準化提供了相應(yīng)的技術(shù)基礎(chǔ)。
文檔編號F16C37/00GK101398032SQ20081020198
公開日2009年4月1日 申請日期2008年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者夏翠艷, 朱禮進, 鵬 江, 汪希平, 鐘德華, 雷永鋒 申請人:上海大學(xué)