一种单片DLP色轮用悬浮和旋转一体化装置

技术领域

本发明涉及数字光处理技术领域，具体涉及一种单片DLP色轮用悬浮和旋转一体化装置。

背景技术

色轮是单片DLP投影机中独有的重要设备，它的作用就是将光源产生的白光分解为RGB三原色，提供给成像器件用于图像显示输出。作为单片DLP投影机中唯一的高速旋转设备，色轮对其驱动系统的性能有着极高的要求。

传统的机械轴承由于定子与转子之间存在机械接触，在转速较高时存在着高能耗、高噪音的缺点，并且需要润滑和冷却。而投影机由于高压汞灯或氙灯光源的存在，本身就是一个巨大热源，支承轴承的工作环境相当恶劣，投影机设计生产时必须完善轴承的冷却、维护、更换等条件，增加了单片DLP投影机小型化的难度。

磁轴承技术的基本原理是利用定子铁心与转子铁心之间的磁场力来实现转轴的无接触支承。由于定、转子之间没有机械接触，磁轴承能承受的转速上限极高，只受制于转子材料本身刚性限制，在相同轴颈下，磁轴承能承受的转速比滚珠轴承大约高5倍，比流体动压滑动轴承高2.5倍；磁轴承功耗低，实验表明同等负载条件下，磁轴承的功耗是流体动压滑动轴承功耗的10％～20％；磁轴承精度高，其动态和静态性能均能实时可控，其回转精度可以达到0.1μm或更高；磁轴承适用工况范围广，对于极端高温和低温都有良好的适应性。

由于磁轴承的以上特点，如果能够将磁轴承应用于单片DLP投影机的色轮驱动，则具有普通轴承不可比拟的优势，值得进一步技术开发。

根据悬浮力是否可控，磁轴承可分为被动型和主动型两种类型。被动型磁轴承主要利用磁性材料之间固有的斥力或吸力(如永磁材料之间，永磁材料与软磁材料之间)来实现转轴的悬浮，其结构简单，功率损耗少。主动型磁轴承主要是通过主动控制定、转子之间的磁场力来实现转轴的稳定悬浮，具有刚度大、悬浮精度高的优点。

在驱动色轮旋转方面，目前成熟应用的高速电机主要有：感应电机、永磁电机和磁阻电机。

感应电机无需位置传感器，结构简单，技术成熟，容易启动，容量大，成本较低，可在高温情况下长时间运行。然而感应电机的工作依赖于转差，必然存在比较大的铁耗，特别是在高速运行下，转子的涡流会很大，电机的效率降低。同时，散热设计比较困难，转子热量得不到有效释放，长时间高温下运行，定转子材料容易热疲劳，机械强度降低。

永磁电机利用永磁体建立磁场，无励磁系统，效率高，具有较高的功率密度，功率因数高，机构简单，运行可靠。但是由于永磁体位于转子上，不利于高速运行，此外散热条件的限制会使永磁转子温度过高，会造成不可逆退磁。

开关磁阻电机转子结构简单，不存在绕组以及永磁体，高速运行能力强。然而由于其本身结构简单，磁阻差距明显，转矩脉动加大，转矩脉动噪声和机械损耗也增多。同时，表面结构凹凸不平，使得高速运行下，损耗大，效率偏低。

传统的磁悬浮电机系统主要由两个径向磁轴承、一个轴向磁轴承和高速电机组成，相互之间在电磁方面是独立的，转子的轴向长度较长，难以实现较高转速下的稳定运行。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出一种单片DLP色轮用悬浮和旋转一体化装置。

为解决上述技术问题，本发明公开了一种单片DLP色轮用悬浮和旋转一体化装置，包括色轮和空心转子，所述色轮与空心转子紧固在一起，能够与空心转子同步旋转；所述空心转子内部轴向方向依次设置有径向磁轴承定子、环形永磁体B、轴向磁轴承定子、环形永磁体A和双凸极电机定子；所述径向磁轴承定子上设置有径向磁轴承绕组，所述径向磁轴承绕组控制空心转子径向自由度；所述轴向磁轴承定子上设置有轴向磁轴承绕组，所述轴向磁轴承绕组控制空心转子轴向自由度和翻转自由度；所述双凸极电机定子上设置有双凸极电机绕组，所述双凸极电机定子控制空心转子与色轮的旋转。

在一种实现方式中，所述轴向磁轴承定子具有四个磁极，每个磁极上设置U形齿，所述U形齿卡接在空心转子上端部，U形齿上设置有轴向磁轴承绕组，U形齿与空心转子之间存在气隙。

在一种实现方式中，所述径向磁轴承定子具有四个磁极，每个磁极上设置有径向磁轴承绕组，四个磁极的外表面与空心转子之间存在气隙。

在一种实现方式中，所述双凸极电机定子上设置有双凸极电机定子凸极，双凸极电机定子凸极上设置有双凸极电机绕组；所述空心转子上设置有空心转子凸极，所述双凸极电机定子凸极与所述空心转子凸极之间存在气隙。

在一种实现方式中，所述轴向磁轴承定子分别与所述环形永磁体A和所述环形永磁体B接触，所述环形永磁体A与双凸极电机定子接触，所述环形永磁体B与径向磁轴承定子接触；所述轴向磁轴承定子、环形永磁体A、环形永磁体B、双凸极电机定子和径向磁轴承定子同心。

在一种实现方式中，所述环形永磁体A的充磁方向为轴向，所述环形永磁体B充磁方向为轴向，所述环形永磁体A与所述环形永磁体B放置时采取同极相对的方式放置，为轴向磁轴承和径向磁轴承提供偏置磁场，同时为双凸极电机提供励磁磁场。

在一种实现方式中，所述轴向磁轴承定子上四个磁极的U形齿上轴向磁轴承绕组能够控制空心转子一个轴向自由度和两个翻转自由度。

在一种实现方式中，所述径向磁轴承定子上四个磁极的径向磁轴承绕组能够控制空心转子两个径向自由度。

在一种实现方式中，所述双凸极电机定子所有双凸极电机定子凸极上的双凸极电机绕组通入电流，产生使空心转子与色轮旋转的转矩。

在一种实现方式中，所述双凸极电机定子上双凸极电机定子凸极的个数、空心转子上空心转子凸极的个数符合双凸极电机运行的要求，具体参见公开号为CN1214809A的中国专利申请《双凸极永磁电机》。

有益效果：双凸极永磁电机结合了永磁电机与开关磁阻电机的特点，具有结构简单、控制灵活、动态响应快、调速性能好、转矩/电流比大，可实现各种特殊要求的转矩/转速特性，功率因数接近于1，效率高等显著优点，本发明将磁轴承与双凸极电机集成于一体，不但实现了空心转子的全悬浮和旋转，减少了维护成本、摩擦损耗，而且简化了磁轴承电机系统的结构，降低了磁轴承系统的能量损耗。相对于传统的单片DLP色轮驱动系统，本发明具有噪音小、系统结构简单以及使用与运行成本低等众多优点，具有广阔的市场应用前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明结构示意图。

图2是二分之一剖分图。其中：1、色轮。2、空心转子。3、轴向磁轴承定子。4、双凸极电机定子。5、径向磁轴承定子。6、环形永磁体A。7、环形永磁体B。8、径向磁轴承绕组。9、轴向磁轴承绕组。10、双凸极电机绕组。

图3是径向磁轴承定子、径向磁轴承绕组和空心转子示意图。

图4是轴向磁轴承定子、轴向磁轴承绕组示意图。

图5是双凸极电机定子、双凸极电机绕组、空心转子示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1所示为本发明一种单片DLP色轮用悬浮和旋转一体化装置的结构示意图，图2为图1的二分之一剖分图，包括色轮1和空心转子2，所述色轮1与空心转子2紧固在一起，能够与空心转子2同步旋转；所述空心转子2内部轴向方向(Z轴)从上往下依次设置有径向磁轴承定子5、环形永磁体B7、轴向磁轴承定子3、环形永磁体A6和双凸极电机定子4；所述径向磁轴承定子5上设置有径向磁轴承绕组8，所述径向磁轴承绕组8控制空心转子2沿x轴与y轴平动的径向自由度；所述轴向磁轴承定子3上设置有轴向磁轴承绕组9，所述轴向磁轴承绕组9控制空心转子2沿z轴平动的轴向自由度和绕x轴与y轴旋转的翻转自由度；所述双凸极电机定子4上设置有双凸极电机绕组10，所述双凸极电机定子4控制空心转子2与色轮1的旋转。

本实施例中，如图4所示，所述轴向磁轴承定子3具有四个磁极，每个磁极上设置U形齿，所述U形齿卡接在空心转子2上端部，U形齿上设置有轴向磁轴承绕组9，U形齿与空心转子2之间存在气隙。

本实施例中，如图3所示，所述径向磁轴承定子5具有四个磁极，每个磁极上设置有径向磁轴承绕组8，四个磁极的外表面与空心转子之间存在气隙。

本实施例中，如图5所示，所述双凸极电机定子4上设置有双凸极电机定子凸极，双凸极电机定子凸极上设置有双凸极电机绕组10；所述空心转子2上设置有空心转子凸极，所述双凸极电机定子凸极与所述空心转子凸极之间存在气隙。

本实施例中，如图2所示，所述轴向磁轴承定子3分别与所述环形永磁体A6和所述环形永磁体B7接触，所述环形永磁体A6与双凸极电机定子4接触，所述环形永磁体B7与径向磁轴承定子5接触；所述轴向磁轴承定子3、环形永磁体A6、环形永磁体B7、双凸极电机定子4和径向磁轴承定子5同心。

本实施例中，所述环形永磁体A6的充磁方向为轴向，所述环形永磁体B7充磁方向为轴向，所述环形永磁体A6与所述环形永磁体B7放置时采取同极相对的方式放置。

本实施例中，所述轴向磁轴承定子3上四个磁极的U形齿上轴向磁轴承绕组9能够控制空心转子2沿z轴平动的一个轴向自由度和绕x轴与y轴旋转的两个翻转自由度。

本实施例中，所述径向磁轴承定子5上四个磁极的径向磁轴承绕组8能够控制空心转子2沿x轴与y轴平动的两个径向自由度。

本实施例中，所述双凸极电机定子4所有双凸极电机定子凸极上的双凸极电机绕组10通入电流，产生使空心转子2与色轮1旋转的转矩。

本实施例中，所述双凸极电机定子4上双凸极电机定子凸极的个数、空心转子2上空心转子凸极的个数符合双凸极电机运行的要求，具体参见公开号为CN 1214809A的中国专利申请《双凸极永磁电机》，双凸极电机定子凸极的个数优选6个，空心转子凸极的个数优选4个。

本发明提供了一种单片DLP色轮用悬浮和旋转一体化装置的思路，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。