一种磁流体永磁混合轴承

技术领域

本发明涉及一种新型磁流体永磁混合轴承。

背景技术

普通的轴承在特定的使用场合有如下的缺陷，例如摩擦磨损，而导致轴承寿命较短，需要经常更换和维护。由于摩擦和磨损的存在，普通轴承需要定期检查和维护，以确保其正常运行。这也会导致设备停机时间增加和维护成本上升。

进一步的，由于摩擦力的存在，普通轴承在高速旋转时会产生振动和噪音，对设备的稳定性和工作环境造成影响。

此外，为减小摩擦和磨损，又引入了润滑的技术手段。普通轴承需要使用润滑剂来减少摩擦和磨损，因此需要定期添加和更换润滑剂，增加了维护成本和操作复杂性。

为了解决以上普通轴承在特定应用环境下短板的问题，出现了一种应用磁力的磁轴承，它是一种利用磁力作用将转子悬浮于空间并能实现高速旋转的轴承。现有的磁轴承一般采用电路控制导线中的电流所产生的磁力线，使转轴悬浮，这是采用主动磁力产生装置实现磁悬浮的手段，即主动式磁轴承。

值得注意的是，磁轴承的刚度和承载能力相对较小，这是由于其采用纯磁力驱动悬浮来实现系统稳定的特性决定的。进一步的，传统磁轴承因为电机转子侧运行在真空环境下，且承载力较大，传统磁轴承在定子侧和转子侧都采用电磁线圈，尤其是转子侧由于线圈涡流导致其发热严重。而且由于在真空环境下，其散热只能通过热辐射实现，散热效率极低，导致轴承的功率无法做大。

采用电磁线圈主动磁力产生的磁轴承的用磁力托举起转子，在高频模态下，动态控制的要求极高，非常容易出现控制失稳，径动章动超差，出现故障。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是克服现有传统主动式磁轴承技术中的三个难题：承载力不足、高频模态控制、功耗发热。

在传统主动式磁轴承的基础上，增加永磁体、磁流体这样被动磁力产生的装置结构，并适配响应的混合控制方法是一个新型的设计思路，这样的设计可以增加轴承的刚度和承载能力，同时还可以提高转子的稳定性和精度，且解决发热散热问题。

磁流体又称磁性液体、铁磁流体或磁液，是一种新型的功能材料，它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性，由直径为纳米量级的磁性固体颗粒(金属及合金粉末)、基载液以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。该流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时，才表现出磁性。需要特别指出的是，磁流体被应用于密封、医疗器械、声音调节、光显示、磁流体选矿等领域。其中，尤其是轴承密封，是磁流体的最主要的传统应用领域。在现有技术领域，已存在大量使用磁流体进行密封的专利与文献。本设计将磁流体与永磁磁轴承相结合，利用磁流体改善磁轴承的控制性能和散热性能。

在控制系统方面，主动磁轴承完全依赖通过调整电磁线圈的电流来改变磁场强度，从而调整轴承对转子的支撑力，因此主动磁轴承需要依赖复杂的控制系统来调整电流，保持转子的稳定运行。而磁流体永磁混合轴承，利用磁流体的磁致伸缩效应和永磁的磁力，对转子可被动地进行支撑。该种磁流体永磁混合轴的外部电气控制系统相比于单纯的主动式轴承更加简单。

因此，本发明结合磁流体、永磁体的物理特性，并加入电磁线圈所产生的电磁力，形成一种磁流体永磁混合轴承。该混合轴承包括：轴承外架、轴承内芯、磁流体、永磁体、壳体和电气控制模块；

轴承外架具有圆柱状内腔，是轴承运行时的静态部件，由第一导磁连接部、第二导磁连接部、铁芯、绕组构成。

轴承内芯包括转轴本体和永磁体磁环，转轴本体总体呈符合空气动力学的圆柱形，是轴承运行时的动态部件，沿轴线方向安装于轴承外架的圆柱状内腔中，永磁体磁环安装于转轴本体的圆柱状结构上。

混合轴承包含有磁流体和永磁体，磁流体和永磁体为被动磁力发生体，在该混合轴承中起到被动产生磁力的作用，为整个轴承运行提供基础的磁力支持和应对高速复杂变化的动态载荷时的带阻尼的承载力。为使轴承可悬浮运行，轴承外架和轴承内芯之间设计和安装时留有空隙，沿转轴方向顺次分布可称为磁流体腔室和空隙腔室，磁流体充入磁流体腔室。

电气控制模块和铁芯、绕组共同构成主动磁力发生装置，所述电气控制模块具有控制单元、驱动执行单元和位置传感器，所述控制单元接受位置传感器传送来的位置偏移信号，并发出相应的控制指令至驱动执行单元，驱动执行单元中的电力电子器件发出相应的PWM波形至绕组，由绕组产生相应的主动控制磁场，并由铁芯进行增强，形成对混合轴承的轴承转轴本体旋转运行时的磁力悬浮支撑。当轴承开始运转时，通过外部供电系统施加的电流，激励绕组产生磁场。这个磁场与转轴本体上的永磁体磁环的磁场相互作用，进而在轴承中形成的磁场力。这个磁场力结合磁流体提供的磁场力将轴承内芯悬浮起来，实现了混合轴承的悬浮运行。因此混合轴承的运行中，是由永磁体、磁流体产生的被动磁力和所述电气控制模块所产生的主动磁力相结合，共同对安装于转轴本体上的永磁体磁环产生磁力，使轴承内芯悬浮运行。

以下是这种设计的一些特点：

1.实现磁流体的应用创新，即创造性地在磁轴承中使用磁流体，改善了磁轴承的控制性能和散热性能。

2.磁流体腔室和空隙腔室相对长度比例在设计中可调节，即设计成不同的比例，配合不同的控制参数，达到不同的磁轴承性能指标。

3.控制算法在启动控制之前进行控制参数匹配，适配磁流体磁轴承的硬件型号(磁流体腔室和空隙腔室不同的长度比例)，并适配搭载磁流体的不同参数(如起始磁化率、饱和磁化强度)，选择出最适合的控制参数进行控制。

4.使用永磁式设计与磁流体设计相结合的方式，使磁轴承的整体结构更加简单紧凑，单位体积承载力高，功率密度高。

5.磁流体永磁混合轴承不需要复杂的控制系统。

采用本方案设计的磁流体永磁混合磁悬浮具有如下优势：

1.增强刚度和承载能力，永磁体和磁流体结构可以提供更强的磁力，使转子能够更好地被悬浮并保持稳定。这可以使得轴承的刚度和承载能力得到提升，从而适应更广泛的应用场景。

2.提高转轴转动的稳定性，通过增加磁流体结构，配合专有适配性的控制方法和参数，解决传统磁轴承高频模态控制难题，提高了轴承的动态性能。

3.加入磁流体，在转子和轴承之间形成一层稳定的液膜，提升了该轴承的散热能力，并且减小了转子在旋转过程中的振动和噪声。

4.由于永磁体和磁流体的引入，该混合磁轴承的部件简单紧凑，在不增加整体体积的情况下有效地降低稳态功耗，相比于主动式磁轴承，降低了对电源的依赖。

5.磁流体永磁混合轴承更简单的控制系统，使用更少的器件，降低了成本和后期故障的概率，改善了设备的运维性能。被动磁力控制利用磁性材料本身的固有磁性，相较于纯主动式磁轴承提供磁力完全依赖电力，本混合轴承减小了磁轴承驱动电力的需求，因此可以更小的功耗实现同样的承载力。

附图说明

图1为磁流体永磁混合磁轴承实施例三维图。

图2为磁流体永磁混合磁轴承实施例三维剖视图。

图3为磁流体永磁混合磁轴承实施例剖面图。

图4为传统主动式磁轴承电气控制部分拓扑图。

图5为磁流体永磁混合磁轴承电气控制部分拓扑图。

图6为磁流体永磁混合磁轴承起动至稳态控制循环流程图。

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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下将结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

图1为该磁流体永磁混合磁轴承的一个实施例的三维图，图2为磁流体永磁混合磁轴承实施例三维剖视图。由整体三维图可见，轴承呈环形构造，符合旋转动力学原理。在圆柱状转子的的外围为轴承的相关组件，包含轴承外架、轴承内芯、磁流体、永磁体和壳体。

图3为磁流体永磁混合磁轴承的典型实施例的剖面图。由图可见，轴承外架具有圆柱状内腔，是轴承运行时的静态部件，由第一导磁连接部、第二导磁连接部、铁芯、绕组构成。轴承内芯包括转轴本体和永磁体磁环，转轴本体总体呈符合空气动力学的圆柱形，是轴承运行时的动态部件，沿轴线方向安装于轴承外架的圆柱状内腔中，永磁体磁环安装于转轴本体的圆柱状结构上。

混合轴承包含有磁流体和永磁体，磁流体和永磁体为被动磁力发生体，在该混合轴承中起到被动产生磁力的作用，为整个轴承运行提供基础的磁力支持和应对高速复杂变化的动态载荷时的带阻尼的承载力。为使轴承可悬浮运行，轴承外架和轴承内芯之间设计和安装时留有空隙，沿转轴方向顺次分布可称为磁流体腔室和空隙腔室，磁流体充入磁流体腔室。

所述磁流体位于轴承内芯与轴承外架之间的间隙中，即磁流体腔室。磁流体腔室中的磁流体具有自适应特性，能够根据轴承的运行状态和负载变化，位于特殊液态介质中的磁性颗粒能自动调整磁力的大小和分布。因为磁流体由微米级的磁性颗粒和具有润滑效果的特殊液态介质组成。在没有外部磁场的情况下，磁性颗粒处于无序分布的状态，磁力相互抵消，不会产生明显的磁力效应。然而，当外部磁场施加在磁流体腔室中时，磁性颗粒会受到磁场的作用，使得其在磁流体中发生定向排列。由于磁性颗粒之间相互作用，形成了稳定的磁力链，使得整个磁流体腔室中的磁力得以增强。同时，磁性颗粒的定向排列又会影响磁流体的流动特性。当轴承受到外力作用或运动状态发生变化时，磁性颗粒会改变其排列方式，进而改变磁流体的黏滞特性。这种黏滞特性的变化使得磁流体腔室中的磁力得以调整。

通过调节施加在磁流体腔室的外部磁场强度和方向，可以改变磁性颗粒的定向排列以及磁力的分布情况。当外部磁场发生变化时，磁性颗粒会自动重新排列，形成新的磁力链，从而调整磁力的大小和分布。因此，这种自动调整能力使得混合轴承能够适应不同工况下的要求，提供稳定的磁力支持和承载能力。这种特性使得混合轴承能够适应不同工况的要求，提供稳定的支撑和承载。

此外，磁流体腔室中的磁流体具有一定的黏滞和阻尼特性。当轴承发生振动或受到冲击时，磁流体的黏滞特性可以吸收能量，减少振动和冲击对轴承的影响，提高轴系的稳定性。传统主动式磁轴承的散热模式因为转轴本体和轴承外架在运行时，并不直接接触，轴承外架与转轴本体之间的空隙或由气隙腔室(空气或者氦气等保护性惰性气体)或真空腔室(将空隙采用分子泵等形式抽真空)。在轴承运行时所产生的热量，这些热量通过热辐射和气体(空气或者氦气等保护性惰性气体)热传导的方式向周围环境传递，散热效率不高，导致磁轴承在频繁运行的场景下经常可能触发过热保护而停机。采用磁流体的混合轴承，由于在轴承外架与转轴本体之间的空隙的一部分为磁流体腔室(另一部分为空隙腔室，根据设计需要选择真空、空气或惰性保护气体填充)并填充有磁流体。磁流体作为一种液态介质，可以有效地帮助转轴本体散热，因此磁流体永磁混合轴承的转轴本体散热效率远高于完全由真空或气体包裹的主动式磁轴承，可以适应更多的应用场景和使用工况。磁流体腔室和空隙腔室的长度的相对比例可以根据应用场景和使用工况的变化进行设计，但由于混合轴承的散热优势，磁流体腔室和空隙腔室的长度的相对比例不宜过低(即磁流体腔室应至少占有混合轴承轴系长度的相当比例，例如25％以上)，使得混合轴承的散热与传统主动式磁轴承散热效率区别过小，无法体现混合轴承在热效应管理上的设计优势。

同时，磁流体腔室中的磁流体具有快速响应的特点。当轴承运行状态发生变化时，磁流体能够迅速配合混合轴承运行负载的变化、混合轴承间隙的变化、主动磁力发生体中的绕组线圈产生磁力的变化改变磁性颗粒的分布，迅速调整磁力的分布。

混合轴承中的永磁体设计为圆环柱形，安装于第一导磁连接部和第二导磁连接部之间，使磁力线在三者之间沿着磁路顺次通过第一导磁连接部、永磁体和第二导磁连接部，与轴承内芯的永磁体磁环产生相吸的力。永磁体的材料选择至关重要，常用的永磁体材料有钕铁硼和钴磁体等，不同的材料具有不同的磁性能，需要根据该混合轴承的具体的应用场景，即基础载荷和变动载荷的预测情况选择合适的材料。

磁流体腔室其所占转轴长度与空隙腔室所占转轴长度根据混合轴承所需要的应用场景下，使充入磁流体的体积数量可变，可使基础支撑力和动态支撑力的比例相对变化。磁流体腔室和空隙腔室的长度的相对比例可以在设计时根据实际轴承的负荷特性中高速动态响应磁力支持和基础磁力支持的实际比例进行设计调整。经过实验验证，如果空隙腔室相对于磁流体腔室比例过大时，即所充入磁流体所产生的被动支撑磁力与绕组线圈中的主动电磁力相对比例过低时，不能够有效起到混合轴承中磁流体所提供的自适应和阻尼支撑的作用，失去了混合轴承的优势。而且，由于绕组线圈中所产生的主动电磁力的变化特性和磁流体中的磁性颗粒的被动磁力的变化特性差异较大，如绕组线圈中的主动电磁力相对于磁流体所产生的被动支撑磁力比例过大时，转轴本体在空隙腔室一侧的受力变化绝对值和变化率将显著高于转轴本体的磁流体腔室一侧。为使转轴本体轴线垂直方向的受力相对均匀，磁流体腔室和空隙腔室的长度的相对比例优选推荐设置为1:1至1:3之间。

图4为传统主动式磁轴承电气控制部分的拓扑图。电气控制模块和铁芯、绕组共同构成主动磁力发生装置，电气控制模块具有控制单元、驱动执行单元和位置传感器，所述控制单元接受位置传感器传送来的位置偏移信号，并发出相应的控制指令至驱动执行单元，驱动执行单元中的电力电子器件发出相应的PWM波形至绕组，由绕组产生相应的主动控制磁场，并由铁芯进行增强，形成对主动式磁轴承的轴承转轴本体旋转运行时的主动磁力悬浮支撑。当轴承开始运转时，通过外部供电系统施加的电流，激励绕组产生磁场。这个磁场与转轴本体上的永磁体磁环的磁场相互作用，进而在轴承中形成的磁场力。这个磁场力结合磁流体提供的磁场力将轴承内芯悬浮起来，实现了主动磁轴承轴承的悬浮运行。

电气控制模块的控制单元中包含一个不完全微分PID控制模块和两个PI控制模块。控制模块接收来自于位置传感器的位置反馈偏移信号,经所述控制单元的处理，发送到所述驱动执行单元，驱动执行单元为共用一个桥臂的两组H桥。电气控制模块的绕组为所述电气控制模块的控制单元所发出的控制信号至所述驱动执行单元，为两个H桥所驱动对应的两组线圈。两个H桥共包含2个独立桥臂上的2个可控功率管(如MOSFET管或IGBT等)和2个不可控功率管(二极管等)，以及1个共用桥臂上的1个可控功率管和1个不可控功率管。将两组H桥分别定义为p和n，则两个H桥所对应驱动的两个线圈绕组中的电流为i

图5为本发明混合轴承电气控制部分的拓扑图。电气控制模块和铁芯、绕组共同构成主动磁力发生装置，电气控制模块具有控制单元、驱动执行单元和位置传感器，所述控制单元接受位置传感器传送来的位置偏移信号，并发出相应的控制指令至驱动执行单元，驱动执行单元中的电力电子器件发出相应的PWM波形至绕组，由绕组产生相应的主动控制磁场，并由铁芯进行增强，形成对混合轴承的轴承转轴本体旋转运行时的磁力悬浮支撑。当轴承开始运转时，通过外部供电系统施加的电流，激励绕组产生磁场。这个磁场与转轴本体上的永磁体磁环的磁场相互作用，进而在轴承中形成的磁场力。这个磁场力结合磁流体提供的磁场力将轴承内芯悬浮起来，实现了主动磁轴承轴承的悬浮运行。因此混合轴承的运行中，是由永磁体、磁流体产生的被动磁力和所述电气控制模块所产生的主动磁力相结合，共同对安装于转轴本体上的永磁体磁环产生磁力，使轴承内芯悬浮运行。

电气控制模块的控制单元中包含了并仅包含唯一一个不完全微分PID控制模块和唯一一个PI控制模块，简化了控制的复杂程度，对控制响应速度进行了提升。控制模块接收来自于位置传感器的位置反馈偏移信号,经所述控制单元的处理，发送到所述驱动执行单元，驱动执行器为单一一组H桥。电气控制模块的绕组为所述电气控制模块的控制单元所发出的控制信号至所述驱动执行单元，为单一一组线圈。

上述的单一一组H桥共包含4个可控功率管(如MOSFET管或IGBT等)。

控制单元的中位置传感器获得并发送当前实际位置反馈偏移信号p

对比传统的主动式磁轴承和本发明磁流体永磁混合轴承的电气控制的拓扑原理图，PI控制器由2个减少为1个，比较计算环节由5个减少为2个，驱动执行器的H桥数目由2个减少为1个，所需电力电子功率器件数由6个减少到4个，绕组从2个减少为1个。相较于传统的主动式磁轴承，本发明磁流体永磁混合轴承的电气控制的硬件结构和控制逻辑均获得了大幅的简化，控制响应速度更高，且运行故障率低。

PI控制器是一种常用的控制器类型，它由比例(P)和积分(I)两个部分组成。PI控制器根据控制误差的大小来调整输出信号，以使系统的输出值逼近期望值。比例(P)部分根据控制误差的大小来产生输出信号。它通过将控制误差与一个比例增益相乘来调整输出信号的大小。比例增益决定了输出信号对于控制误差的敏感程度，增大比例增益可以加快系统的响应速度，但可能会引入振荡和不稳定性。积分(I)部分根据控制误差的积分来产生输出信号。它通过将控制误差与一个积分增益相乘来调整输出信号的大小。积分增益可以消除系统的静态误差，并提高系统的稳定性。但如果积分增益过大，可能会引入振荡和不稳定性。PI控制器的输出信号是比例部分和积分部分的叠加。通过调整比例增益和积分增益，可以实现对系统的响应速度、稳定性和静态误差的控制。通常，PI控制器可以通过试探法、经验法或系统建模等方法来确定合适的增益参数。

PI控制器在工业控制系统中广泛应用，特别适用于对静态误差要求较高的系统。它可以提供稳定的控制性能，并且相对简单易用。然而，对于响应速度要求较高的复杂系统，PI的增益参数选取的调参、配参的要求很高，参数选择稍有不慎就会造成计算不收敛，出现控制错误。因此，混合轴承通过磁流体和永磁体提供的基础被动磁力支撑，降低了系统动态响应的速度要求，减少了系统的复杂性。通过减少了1个PI控制器，所带来系统的简化，使调参配参的难度大幅下降，增加了整个混合轴承系统的稳定性。

更进一步地，共用桥臂的H桥电路天然具有控制复杂、系统稳定性低的缺点。由于两个桥臂共用一个电流回路，需要更复杂的控制策略来确保两个桥臂之间的互斥的控制死区，以避免回路中的短路问题。这大大增加了控制系统的复杂性和设计难度。驱动执行器的H桥数目由2个减少为1个，即减小了系统的复杂性，降低了故障率，还精简器件，降低了生产制造的硬件成本。

图6为磁流体永磁混合磁轴承起动至稳态控制循环流程图。本发明中的磁流体永磁混合轴承，在进入稳态判断的判断条件范围小于一般的主动式磁悬浮轴承。由于混合轴承中，提供了额外的永磁体和磁流体的结合的被动磁力支撑，对抗负载变化的自适应能力和阻尼能力高于一般的主动式磁悬浮轴承，可以实现较为稳定的悬浮和定位效果。一般的主动式磁悬浮轴承对转轴本体旋转进入稳态的判断需要采用驱动电流的幅值和变化率，再结合转轴本体的转速波动范围来进行判断。

此外，不同型号的磁流体具有不同的性质，如黏度、导磁率等。混合轴承需要根据所使用的磁流体的性质来进行设计和制造，以确保轴承能够正常工作。如前所述，轴承的尺寸和结构设计根据负载类型特性的不同，会有不同的设计，尤其是磁流体腔室和空隙腔室的长度的相对设计比例，影响到被动磁力和主动磁力的在运行时数值的相对比例。如果不恰当的磁流体参数设置，将会导致混合轴承在运行控制时的不稳定，甚至造成轴承损坏。因此，磁轴承起动进入磁悬浮悬浮控制模式时，需要载入该型混合轴承在当前应用场景下所适配磁流体型号和相应的参数，如起始磁化率、饱和磁化强度等。在针对某一类型负荷特性所设计的混合轴承(即磁流体腔室和空隙腔室的长度的相对设计比例在设计时已确定)，通过注入不同型号的磁流体，可以获得负载特效不完全相同的磁流体永磁混合轴承。例如，在涡轮鼓风机和涡轮压缩机中，使用高速选择的磁流体永磁混合轴承，如果选用不同的涡轮叶片叶型，轴承的负载特性不同。因此，可以通过在磁流体腔体内注入不同型号的磁流体，并匹配不同的混合轴承控制参数，以获取在特定的负载情况下最优的控制性能。

混合轴承从起动到稳态运行的运行控制循环逻辑如下：

(1)混合轴承起动进入磁悬浮悬浮控制模式，以控制混合轴承的转轴本体进入悬浮旋转状态，此时需载入混合轴承所适配磁流体型号，适配磁流体的不同参数，如起始磁化率、饱和磁化强度；

(2)磁悬浮悬浮控制模式运行一段时间后，判断转轴本体的悬浮运行状态是否进入稳态；

(3)步骤(2)的判断结果为否，则继续保持悬浮控制状态，直至下一个判断周期；

(4)如步骤(2)的判断结果为是，则控制转轴本体进入偏心控制状态，调整控制转轴本体的中心位置，使转轴本体偏心并进入磁悬浮轻载荷控制状态；

(5)混合轴承在磁悬浮轻载荷控制状态时对载荷是否达到阈值进行判断；

(6)如步骤(5)的判断结果为是，则混合轴承的控制状态回到悬浮控制状态；

(7)如步骤(5)的判断结果为否，则保持持续运行，每控制周期判断是否接受停机命令；

(8)如步骤(7)的判断结果为否，则判断为并未接收到停机指令，继续保持磁悬浮轻载荷控制状态；

(9)如步骤(7)的判断结果为是，则进入停机状态，将混合轴承降速停机，等待下一个起动指令。

由于引入了磁流体和永磁体作为混合轴承的被动磁力支撑，在于主动式磁轴承的运行控制逻辑中，其运行的稳定性更高，即转轴运行时的转速波动更低。如果在磁流体永磁混合轴承的控制参数中，可以采用更低的转速波动比例对转轴是否进入稳态悬浮运行进行判断，以获得更好的运行控制精度。在混合轴承其起动至稳态的控制流程逻辑中，步骤(2)判断转轴本体的悬浮运行状态是否进入稳态的参数为转速波动值是否小于额定转速的0.2％。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。