一种单自由度紧凑型对称混合磁悬浮系统的制作方法

1.本技术涉及磁悬浮技术领域，具体而言，涉及一种单自由度紧凑型对称混合磁悬浮系统。


背景技术：

2.磁悬浮技术，尤其是磁悬浮轴承技术，是利用永磁体或电磁铁产生磁力，承载转子，使转子悬浮在目标位置。与传统带有刚性轴承或轴线的转子相比，磁悬浮转子悬浮在空中，不与周围结构产生机械接触，可以轻易达到较高的转速。并且降低能耗、无需润滑。
3.磁悬浮系统的实现一般可以分为三种方式：主动磁悬浮、被动磁悬浮与混合磁悬浮。其中混合磁悬浮由永磁体产生偏置磁场，控制线圈通电产生电磁力，在转子上产生作用力，支撑转子的悬浮。相比与纯电磁线圈控制的主动磁悬系统，混合磁悬浮能够减小控制线圈的功耗，从而减小控制线圈的匝数与尺寸。提高磁悬浮系统的紧凑性，在多个领域都有应用。但是现有的混合磁悬浮系统在设计上仍有一定可以改进的空间，以便于更广泛领域的应用。
4.现有的大部分混合磁悬浮系统，仍需要在使用中额外安装光学位移传感器作为转子悬浮位移的检测器。光学传感器的加入会占用一定的仪器空间，在数据处理上也引入了数据转换与处理的过程，且部分特定工况下由于仪器工作场景的特殊性，光学位移传感器不一定能够高效工作，从而有可能造成磁悬浮系统的工作性能损失。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种单自由度紧凑型对称混合磁悬浮系统，使用了永磁与电磁的共同作用完成了转子的磁悬浮，与纯电磁悬浮相比大大减小了功耗。
6.为了实现上述目的，本技术提供了一种单自由度紧凑型对称混合磁悬浮系统，包括第一永磁体、第二永磁体、第一控制线圈、第二控制线圈、金属转子以及控制电路，其中：第一控制线圈和第二控制线圈对称的设置在金属转子的两侧，第一控制线圈与金属转子之间的距离和第二控制线圈与金属转子之间的距离相同；第一永磁体和第二永磁体对称的设置在金属转子的两侧，第一永磁体设置在第一控制线圈的外侧，第二永磁体设置在第二控制线圈的外侧，第一永磁体与第一控制线圈之间的距离和第二永磁体与第二控制线圈之间的距离相同；第一永磁体、第二永磁体、第一控制线圈、第二控制线圈以及金属转子的中心均在同一轴线上；控制电路分别与第一控制线圈的正极和第二控制线圈的正极连接，第一控制线圈的负极与第二控制线圈的负极连接。
7.进一步的，第一永磁体和第二永磁体的磁极方向相同，材料均为钕铁硼材料。
8.进一步的，第一控制线圈和第二控制线圈的正极均与直流电源的正极连接，第一控制线圈和第二控制线圈的负极均与直流电源的负极连接。
9.进一步的，第一控制线圈和第二控制线圈均为无铁芯控制线圈，与直流电源连接后，第一控制线圈和第二控制线圈的极性相反。
10.进一步的，金属转子的材料为马氏体不锈钢材料。
11.进一步的，控制电路包括控制器模块、交直流耦合电桥以及相敏检波模块，其中：交直流耦合电桥与第一控制线圈和第二控制线圈的正极连接，用于向第一控制线圈和第二控制线圈加载交流激励和直流激励；相敏检波模块分别与交直流耦合电桥和控制器连接，用于位移检测；控制器模块与交直流耦合电桥连接，用于进行pid控制，实现对输出直流电压大小的控制。
12.进一步的，还包括信号发生器和加法器，其中：信号发生器与相敏检波模块连接，用于为位移检测提供高频激励信号；加法器设置在相敏检波模块和控制器模块之间，用于位移信号的非负变换。
13.本发明提供的一种单自由度紧凑型对称混合磁悬浮系统，具有以下有益效果：
14.本技术结构简单、线圈绕制方向与工艺确定，采用模块化的设计易于加工与安装，控制线圈既能够作为位置传感器使用，又能够作为磁悬浮的电磁力控制器使用，使混合磁悬浮系的统结构更加紧凑，简化了控制系统，有利于物理空间有限的仪器采用，实现低功耗、长期稳定的磁悬浮；此外，当金属转子或使用工况发生改变时，调整永磁体与控制线圈之间的距离就能够直接对适用条件进行相应的调整。
附图说明
15.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，使得本技术的其它特征、目的和优点变得更明显。本技术的示意性实施例附图及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
16.图1是根据本技术实施例提供的单自由度紧凑型对称混合磁悬浮系统的示意图；
17.图2是根据本技术实施例提供的单自由度紧凑型对称混合磁悬浮系统的控制电路示意图；
18.图3是根据本技术实施例提供的单自由度紧凑型对称混合磁悬浮系统的金属转子悬浮位置测试的示意图；
19.图中：1-第一永磁体、2-第二永磁体、3-第一控制线圈、4-第二控制线圈、5-金属转子、6-控制电路。
具体实施方式
20.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
21.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清
楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
22.在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
23.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
24.另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
25.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
26.如图1所示，本技术提供了一种单自由度紧凑型对称混合磁悬浮系统，其特征在于，包括第一永磁体1、第二永磁体2、第一控制线圈3、第二控制线圈4、金属转子5以及控制电路6，其中：第一控制线圈3和第二控制线圈4对称的设置在金属转子5的两侧，第一控制线圈3与金属转子5之间的距离和第二控制线圈4与金属转子5之间的距离相同；第一永磁体1和第二永磁体2对称的设置在金属转子5的两侧，第一永磁体1设置在第一控制线圈3的外侧，第二永磁体2设置在第二控制线圈4的外侧，第一永磁体1与第一控制线圈3之间的距离和第二永磁体2与第二控制线圈4之间的距离相同；第一永磁体1、第二永磁体2、第一控制线圈3、第二控制线圈4以及金属转子5的中心均在同一轴线上；控制电路6分别与第一控制线圈3的正极和第二控制线圈4的正极连接，第一控制线圈3的负极与第二控制线圈4的负极连接。
27.具体的，本技术实施例提供的单自由度紧凑型对称混合磁悬浮系统通过控制电路6对控制线圈进行支配，在第一控制线圈3和第二控制线圈4分别加载交流激励和直流激励：加载交流激励时，使两个控制线圈之间产生交流磁场，从而使中间的金属转子5产生涡流效应，涡流效应会产生与控制线圈产生的变化磁场反向的磁场，阻碍控制线圈引起的磁场变化，使控制线圈表现出等效电阻的变化，从而实现对金属转子5位置的检测；加载直流激励时，使两个控制线圈产生电磁力，与第一永磁体1和第二永磁体2共同作用，两线圈产生的磁场方向相同，故对金属转子5表现为一端是吸引力，一端是排斥力，实现金属转子5的位置调整，并使其能够保持磁悬浮状态。两组永磁体和两组控制线圈均相对于金属转子5对称设置，并且中心均位于同一轴线上，实现整体系统的模块化设计；金属转子5处于平衡位置时，第一控制线圈3和第二控制线圈4与金属转子5的距离相同，确保金属转子5与线圈接触(
±
最大值)时以及金属转子5处于中心位置时，控制线圈作为位移传感器具有较好的灵敏度及线性；由于永磁体和控制线圈之间距离的改变会影响金属转子5调节的刚度系数和电流系数，因此使用前根据金属转子5的特性或者实际使用工况，对第一永磁体1与第一控制线圈3之间的距离和第二永磁体2与第二控制线圈4之间的距离进行调整，调整完毕后使该距离保持恒定。
28.进一步的，第一永磁体1和第二永磁体2的磁极方向相同，材料均为钕铁硼材料。第一永磁体1和第二永磁体2形状优选为圆柱体，材料优选为钕铁硼材料，两者同向布置，磁极方向相同，均为s极向上。第一永磁体1和第二永磁体2主要用于形成磁场，同向布置，对于金
属转子5表现为两端异极，并配合控制线圈，支撑金属转子5进行悬浮。
29.进一步的，第一控制线圈3和第二控制线圈4的正极均与直流电源的正极连接，第一控制线圈3和第二控制线圈4的负极均与直流电源的负极连接。直流电源用于向控制线圈提供电流，使其产生磁力。第一控制线圈3第二控制线圈4的正极均与+3v的直流电源连接，负极均与直流电源的负极连接。
30.进一步的，第一控制线圈3和第二控制线圈4均为无铁芯控制线圈，与直流电源连接后，第一控制线圈3和第二控制线圈4的极性相反。由于铁芯会带来额外的磁滞损耗，因此第一控制线圈3和第二控制线圈4均优选为无铁芯控制线圈；采用第一控制线圈3和第二控制线圈4串联接入控制电路6中，并且绕线方向满足正极接直流电源正极、负极接直流电源负极时，第一控制线圈3和第二控制线圈4的极性相反，一方面用于金属转子5位移检测的传感器，另一方面用于金属转子5位置调整的执行器。
31.进一步的，金属转子5的材料为马氏体不锈钢材料。金属转子5一方面作为位置传感器实现悬浮物位置信号的确定，一方面作为悬浮器进行悬浮。金属转子5的材料优选为含碳量1％，含铬量16％的马氏体不锈钢材料，直径优选为4.5mm；悬浮前，需要对金属转子5做磁化处理，使用过程中，可以将金属转子5放置在无磁不锈钢管中，缓缓置于悬浮位置处，此时由于永磁体偏置磁场的作用，金属转子5被束缚在中间位置，不会向不锈钢管两端滑落。
32.进一步的，如图2所示，控制电路6包括控制器模块、交直流耦合电桥以及相敏检波模块，其中：交直流耦合电桥与第一控制线圈3和第二控制线圈4的正极连接，用于向第一控制线圈3和第二控制线圈4加载交流激励和直流激励；相敏检波模块分别与交直流耦合电桥和控制器连接，用于位移检测，金属转子5偏离中心位置后，会产生与位移相应的相位偏移，通过相敏检波模块解调为直流电压分量，该分量与位移呈线性关系，从而实现位移的检测；控制器模块与交直流耦合电桥连接，用于进行pid控制，实现对输出直流电压大小的控制，控制器模块主要根据相敏检波所输出的位移信号进行pid控制，从而实现对输出直流电压大小的控制。
33.进一步的，还包括信号发生器和加法器，其中：信号发生器与相敏检波模块连接，用于为位移检测提供高频激励信号，高频激励信号加载至控制线圈后形成电涡流传感器，实现位移的检测；加法器设置在相敏检波模块和控制器模块之间，用于位移信号的非负变换，由于金属转子5会偏移产生正位移以及负位移，加法器实现位移信号的非负变换。
34.更具体的，如图3所示，将控制电路6接入电源后，在第一控制线圈3和第二控制线圈4的高频交流激励作用下，金属转子5周围的变化磁场会在金属转子5表面产生涡流效应，同时金属转子5表面的涡流会产生与控制线圈产生的变化磁场反向的磁场，阻碍控制线圈引起的磁场变化，最终导致控制线圈表现出等效电阻的变化，金属转子5越接近一边的控制线圈，这一边的磁阻作用就越强，这一边的控制线圈阻值就会变大，这种变化对应着金属转子5在空间中的位置，通过转子位移的检测，位置信号会传输到控制电路6中的控制器模块，通过相敏检波模块处理得到的位移电压信号，经由控制器模块进行pid调节，转换为控制信号，后经功率放大器后将该电压(直流激励)加载至控制线圈，实现直流加载，调节转子位移，实现转子在中心位置的稳定悬浮；图3中为正常工作后的悬浮状态，转子位于中心位置，此时控制线圈中加载的直流信号趋于或等于零，将功率降至最低。
35.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技
术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种单自由度紧凑型对称混合磁悬浮系统，其特征在于，包括第一永磁体、第二永磁体、第一控制线圈、第二控制线圈、金属转子以及控制电路，其中：所述第一控制线圈和所述第二控制线圈对称的设置在所述金属转子的两侧，所述第一控制线圈与所述金属转子之间的距离和所述第二控制线圈与所述金属转子之间的距离相同；所述第一永磁体和所述第二永磁体对称的设置在所述金属转子的两侧，所述第一永磁体设置在所述第一控制线圈的外侧，所述第二永磁体设置在所述第二控制线圈的外侧，所述第一永磁体与所述第一控制线圈之间的距离和所述第二永磁体与所述第二控制线圈之间的距离相同；所述第一永磁体、所述第二永磁体、所述第一控制线圈、所述第二控制线圈以及所述金属转子的中心均在同一轴线上；所述控制电路分别与所述第一控制线圈的正极和所述第二控制线圈的正极连接，所述第一控制线圈的负极与所述第二控制线圈的负极连接。2.根据权利要求1所述的单自由度紧凑型对称混合磁悬浮系统，其特征在于，所述第一永磁体和所述第二永磁体的磁极方向相同，材料均为钕铁硼材料。3.根据权利要求1所述的单自由度紧凑型对称混合磁悬浮系统，其特征在于，所述第一控制线圈和所述第二控制线圈的正极均与直流电源的正极连接，所述第一控制线圈和所述第二控制线圈的负极均与直流电源的负极连接。4.根据权利要求3所述的单自由度紧凑型对称混合磁悬浮系统，其特征在于，所述第一控制线圈和所述第二控制线圈均为无铁芯控制线圈，与直流电源连接后，所述第一控制线圈和所述第二控制线圈的极性相反。5.根据权利要求1所述的单自由度紧凑型对称混合磁悬浮系统，其特征在于，所述金属转子的材料为马氏体不锈钢材料。6.根据权利要求1所述的单自由度紧凑型对称混合磁悬浮系统，其特征在于，所述控制电路包括控制器模块、交直流耦合电桥以及相敏检波模块，其中：所述交直流耦合电桥与所述第一控制线圈和所述第二控制线圈的正极连接，用于向所述第一控制线圈和所述第二控制线圈加载交流激励和直流激励；所述相敏检波模块分别与所述交直流耦合电桥和所述控制器连接，用于位移检测；所述控制器模块与所述交直流耦合电桥连接，用于进行pid控制，实现对输出直流电压大小的控制。7.根据权利要求6所述的单自由度紧凑型对称混合磁悬浮系统，其特征在于，还包括信号发生器和加法器，其中：所述信号发生器与所述相敏检波模块连接，用于为位移检测提供高频激励信号；所述加法器设置在所述相敏检波模块和所述控制器模块之间，用于位移信号的非负变换。

技术总结
本申请涉及磁悬浮技术领域，具体而言，涉及一种单自由度紧凑型对称混合磁悬浮系统，包括第一永磁体、第二永磁体、第一控制线圈、第二控制线圈、金属转子以及控制电路，其中：第一控制线圈和第二控制线圈对称的设置在金属转子的两侧；第一永磁体设置在第一控制线圈的外侧，第二永磁体设置在第二控制线圈的外侧；第一永磁体、第二永磁体、第一控制线圈、第二控制线圈以及金属转子的中心均在同一轴线上；控制电路分别与第一控制线圈的正极和第二控制线圈的正极连接，第一控制线圈的负极与第二控制线圈的负极连接。本申请结构简单、线圈绕制方向与工艺确定，有利于物理空间有限的仪器采用，实现低功耗、长期稳定的磁悬浮。长期稳定的磁悬浮。长期稳定的磁悬浮。


技术研发人员：李得天 李博文 习振华 郭美如 成永军 贾文杰
受保护的技术使用者：兰州空间技术物理研究所
技术研发日：2023.02.03
技术公布日：2023/7/12