CN101054998A - 一种磁悬浮飞轮用轴向磁轴承 - Google Patents

一种磁悬浮飞轮用轴向磁轴承 Download PDF

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Abstract

一种磁悬浮飞轮用轴向磁轴承，由定子部分和转子组成，定子部分由4个定子铁心以及线圈组成，4个定子铁心构成整个圆周方向上的8个定子铁心磁极，并沿+X、－X、+Y、－Y方向放置，每个定子铁心磁极上绕制有线圈。定子部分与转子之间形成轴向磁气隙，本发明通过分布于+X、－X、+Y、－Y方向的4个定子铁心可实现磁悬浮转子的轴向平动以及径向扭动控制，可大大减小系统的轴向尺寸。该轴向磁轴承还具有无偏置、功耗低、性能可靠等优点。

Description

一种磁悬浮飞轮用轴向磁轴承
技术领域
本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种磁悬浮飞轮用轴向磁轴承，可作为微小型卫星等航天器中旋转部件的无接触支撑，特别适用于磁悬浮飞轮的非接触支承。
背景技术
常用磁悬浮轴承分电磁偏置式和永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，前者采用电流产生偏置磁场，因此工作电流大、功耗大，后者利用永磁体替代电流产生偏置磁场，永磁体产生的磁场承担主要的承载力，电磁磁场提供辅助的调节承载力，因而这种轴承可大大减小控制电流，降低损耗。但现有的永磁偏置轴向磁轴承，其电磁磁路经过永磁体，因而仍然功耗大，中国专利申请号：200510011272.2给出的一种永磁偏置轴向磁轴承，如图1所示，该结构通过激磁气隙5可以使得电磁磁路经过轴承体1、气隙以及该激磁气隙5形成回路，避免了电磁磁路直接经过永磁体3，因而功耗低，但是现有所有结构的轴向磁轴承，其定子部分和转子部分均采用实体结构，因而在实体结构的定子和转子中的铁耗仍然较大。更重要的是，现有轴向磁轴承定子结构都是整圆结构，对转子只能进行轴向平动控制，无法利用轴向磁轴承对转子进行径向扭动控制，因而在磁悬浮飞轮等应用领域受到了限制。这是由于在磁悬浮飞轮等应用场合中，其常常要求飞轮轴向长度小而径向长度大，而现有磁悬浮飞轮，为了实现径向平动以及径向扭动控制，需要成对使用径向磁轴承，所以轴向长度比较长，如果轴向磁轴承自身可以进行径向扭动控制的话，那么径向磁轴承就可以采用一个，且对转子只进行径向平动控制，可大大减小飞轮的轴向尺寸。另外，不论是电磁偏置磁轴承还是永磁偏置磁轴承，其由于偏置产生的大位移负刚度会影响磁悬浮飞轮的高精度控制，这是由于磁悬浮飞轮的主要功能是通过飞轮电机的加速和减速输出力矩以调整安装有磁悬浮飞轮的卫星等航天器的姿态，为使其不向星体产生干扰力矩，需使磁悬浮飞轮转子绕其惯性主轴旋转，消除转子不平衡引入的同频扰动，但是电磁偏置或永磁偏置磁轴承的偏置磁场产生的位移负刚度会在转子发生小偏移时产生扰动力矩，精确补偿非常困难，这对于磁悬浮飞轮的高精度控制是不利的，总之，现有轴向磁轴承存在功耗大、无法进行径向扭动控制且难以满足磁悬浮飞轮对轴向长度以及高精度控制要求的缺陷。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种无偏置、功耗低、可进行轴向平动和径向扭动控制的磁悬浮飞轮用轴向磁轴承。
本发明的技术解决方案为：由定子部分和转子组成，定子部分由4个定子铁心以及线圈组成，4个定子铁心构成整个圆周方向上的8个定子铁心磁极，并沿+X、-X、+Y、-Y方向放置，每个定子铁心磁极上绕制有线圈，定子部分与转子之间形成轴向磁气隙。
所述的定子铁心与转子之间形成的轴向磁气隙为0.2-0.4mm；所述的转子为导磁性能良好的材料制成的推力圆盘，或者为导磁性能良好的材料制成的飞轮转子的一部分。所述的定子铁心采用导磁性能良好的材料叠压而成。
上述方案的原理是：利用线圈产生的磁场保持磁轴承定转子气隙均匀，并使转子得到无接触支撑。如图2实线箭头所示，本发明的电磁磁路通过定子铁心磁极、气隙以及转子构成闭合回路。由于定子铁心部分采用叠片压制而成，而铁心的涡流损耗与叠片厚度成正比，因此采用叠片结构的定子相比于现有具有实体结构定子的轴向磁轴承减小了磁轴承的功耗。为了实现轴向平动和径向扭动的控制，本发明的轴向磁轴承需成对使用，分别定义为I和II，安装时保证两个轴向磁轴承的磁极正对，即同时保证两个轴向磁轴承的4个定子铁心分别沿+X、-X、+Y和-Y放置。对于轴向磁轴承进行平动控制时，设轴向磁轴承转子沿z轴向+z方向平动，轴向磁轴承I的定子部分与转子之间的气隙减小，轴向磁轴承II的定子部分与转子之间的气隙增大，此时轴向磁轴承II的X方向和Y方向线圈通入电流，使轴向磁轴承II的定子部分与转子之间气隙处产生电磁力使得转子恢复到平衡位置；同理，当轴向磁轴承转子沿z轴向-z方向平动时，轴向磁轴承II的定子部分与转子之间的气隙减小，轴向磁轴承I的定子部分与转子之间的气隙增大，此时轴向磁轴承I的X方向和Y方向线圈通入电流，使轴向磁轴承I的定子部分与转子之间气隙处产生电磁力使得转子恢复到平衡位置；对轴向磁轴承的转子进行径向扭动控制时，设轴向磁轴承转子由于扰动绕X方向发生扭动，使得轴向磁轴承I+Y方向的定子部分与转子之间的磁气隙减小，-Y方向的定子部分与转子之间的磁气隙增大，而轴向磁轴承II+Y方向的定子部分与转子之间的磁气隙增大，-Y方向的定子部分与转子之间的磁气隙减小，此时通过轴向磁轴承控制器使轴向磁轴承I-Y方向与轴向磁轴承II+Y方向的定子铁心磁极线圈通入电流，使得轴向磁轴承I-Y方向和轴向磁轴承II+Y方向的定子铁心磁极产生电磁力，将转子恢复到原来的平衡位置，实现绕X方向的扭动控制。同理，当轴向磁轴承转子由于扰动绕Y方向发生扭动，使得轴向磁轴承I+X方向的定子部分与转子之间的磁气隙减小，-X方向的定子部分与转子之间的磁气隙增大，而轴向磁轴承II+X方向的定子部分与转子之间的磁气隙增大，-X方向的定子部分与转子之间的磁气隙减小，此时通过轴向磁轴承控制器使轴向磁轴承I-X方向与轴向磁轴承II+X方向的定子磁极线圈通入电流，使得轴向磁轴承I-X方向和轴向磁轴承II+X方向的定子磁极产生电磁力，将转子恢复到原来的平衡位置，实现绕Y方向的扭动控制。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明所述的轴向磁轴承的定子部分采用了4个定子叠片铁心，且没有电磁或者永磁引入的偏置磁场，因此减小了磁轴承功耗。由于本发明采用4个定子铁心构成整个圆周方向上的8个定子铁心磁极，并沿+X、-X、+Y、-Y方向放置，因而不但可以实现转子的轴向平动控制，而且还可实现径向扭动控制，这使得现有磁悬浮飞轮系统的径向磁轴承只使用一个，且对转子仅实现径向平动控制即可，大大减小了飞轮的轴向尺寸；又由于本发明的轴向磁轴承无偏置，易于实现较低的轴向平动综合刚度及径向扭转综合刚度，故可易实现磁悬浮飞轮的高精度控制。
附图说明
图1为已申请专利的永磁偏置轴向磁轴承截面图。
图2为本发明的轴向磁轴承轴向截面图。
图3为本发明的轴向磁轴承端面图。
图4为本发明的轴向磁轴承实际安装时的结构图，其中(a)为轴向截面图，(b)为端面图。
具体实施方式
如图2和图3所示，本发明由定子部分和转子1组成，定子部分由4个定子铁心2以及线圈3组成，4个定子铁心2构成整个圆周方向上的8个定子铁心磁极，并沿+X、-X、+Y、-Y方向放置，为了增加定子铁心磁极的截面积以提高轴向磁轴承的承载力，将定子铁心磁极的面积制成圆弧面。每个定子铁心磁极上绕制有线圈3，定子部分与转子之间形成轴向磁气隙4。其中定子铁心2与转子部分1形成的轴向磁气隙4为0.2-0.4mm。为了实现轴向平动和径向扭动的控制，本发明的轴向磁轴承需成对使用，分别定义为I和II，安装时保证两个轴向磁轴承的磁极正对，即同时保证两个轴向磁轴承的4个定子铁心分别沿+X、-X、+Y和-Y放置。对于轴向磁轴承进行平动控制时，设轴向磁轴承转子沿z轴向+z方向平动，轴向磁轴承I的定子部分与转子之间的气隙减小，轴向磁轴承II的定子部分与转子之间的气隙增大，此时轴向磁轴承II的X方向和Y方向线圈通入电流，使轴向磁轴承II的定子部分与转子之间气隙处产生电磁力使得转子恢复到平衡位置；同理，当轴向磁轴承转子沿z轴向-z方向平动时，轴向磁轴承II的定子部分与转子之间的气隙减小，轴向磁轴承I的定子部分与转子之间的气隙增大，此时轴向磁轴承I的X方向和Y方向线圈通入电流，使轴向磁轴承I的定子部分与转子之间气隙处产生电磁力使得转子恢复到平衡位置；对轴向磁轴承的转子进行径向扭动控制时，设轴向磁轴承转子由于扰动绕X方向发生扭动，使得轴向磁轴承I+Y方向的定子部分与转子之间的磁气隙减小，-Y方向的定子部分与转子之间的磁气隙增大，而轴向磁轴承II+Y方向的定子部分与转子之间的磁气隙增大，-Y方向的定子部分与转子之间的磁气隙减小，此时通过轴向磁轴承控制器使轴向磁轴承I-Y方向与轴向磁轴承II+Y方向的定子铁心磁极线圈通入电流，使得轴向磁轴承I-Y方向和轴向磁轴承II+Y方向的定子铁心磁极产生电磁力，将转子恢复到原来的平衡位置，实现绕X方向的扭动控制。同理，当轴向磁轴承转子由于扰动绕Y方向发生扭动，使得轴向磁轴承I+X方向的定子部分与转子之间的磁气隙减小，-X方向的定子部分与转子之间的磁气隙增大，而轴向磁轴承II+X方向的定子部分与转子之间的磁气隙增大，-X方向的定子部分与转子之间的磁气隙减小，此时通过轴向磁轴承控制器使轴向磁轴承I-X方向与轴向磁轴承II+X方向的定子磁极线圈通入电流，使得轴向磁轴承I-X方向和轴向磁轴承II+X方向的定子磁极产生电磁力，将转子恢复到原来的平衡位置，实现绕Y方向的扭动控制。本发明所用的定子铁心2可用导磁性能良好的电工薄钢板如电工硅钢板DR510、DR470、DW350、1J50、1J79或硅钢薄带等磁性材料冲压迭制而成；转子1为导磁性能良好的材料如电工纯铁、1J50、1J79等制成的推力圆盘，或者为导磁性能良好的材料如电工纯铁、S06钢等制成的飞轮转子的一部分；激磁线圈5用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。
在实际应用中，如图2所示的轴向磁轴承定子外侧要安装有轴承座，如图4所示，图中5为轴承座，选用非导磁材料制成，如铜、铝、钛合金等。图4(a)为带有轴承座的本发明的轴向磁轴承的轴向截面图，(b)为带有轴承座的本发明的轴向磁轴承的端面图，图中采用螺钉和紧固带将沿+X、-X、+Y、-Y方向放置的4个定子铁心固定。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1、一种磁悬浮飞轮用轴向磁轴承，其特征在于：由定子部分和转子(1)组成，定子部分由4个定子铁心(2)以及线圈(3)组成，4个定子铁心(2)构成整个圆周方向上的8个定子铁心磁极，并沿+X、-X、+Y、-Y方向放置，每个定子铁心磁极上绕制有线圈(3)，定子部分与转子之间形成轴向磁气隙(4)。
2、根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮用轴向磁轴承，其特征在于：所述的定子铁心(2)与转子(1)之间形成的轴向磁气隙(4)为0.2-0.4mm。
3、根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮用轴向磁轴承，其特征在于：所述的定子铁心(2)采用导磁性能良好的材料叠压而成。
4、根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮用轴向磁轴承，其特征在于：所述的转子(1)为导磁性能良好的材料制成的推力圆盘，或者为导磁性能良好的材料制成的飞轮转子的一部分。
5、根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮用轴向磁轴承，其特征在于：所述的轴向磁轴承需成对使用，对转子(1)进行轴向平动控制以及径向扭动控制。
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