CN102338160A - 一种五自由度磁轴承 - Google Patents

Abstract

一种五自由度磁轴承，主要由上下层轴向定子、上下层轴向转子、径向定子、径向转子铁心、激磁线圈和永磁体组成，其中轴向定子和轴向转子均为同等轴向长度的整环结构，轴向定转子之间的磁阻力实现转子z方向的平动及绕x、y轴的转动，两个径向定子均由定子齿和定子导磁轭组成，安装时两个径向定子正交放置，且两个定子之间安装有径向定子隔磁环用以隔磁。本发明采用的径向磁轴承采用x、y通道解耦的形式，主动控制径向的平动，轴向及扭转依靠轴向定转子之间的磁阻力被动实现，可提高磁轴承的径向控制精度，减小整个磁轴承的体积。

Description

一种五自由度磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种五自由度永磁偏置径向磁轴承，可作为磁悬浮飞轮等航天器惯性执行机构中转子部件的无接触支撑。

背景技术

随着卫星任务多样化的发展，卫星对姿态控制系统的要求越来越高，磁悬浮飞轮作为一种航天器姿态控制执行机构，对其要求为控制精度高、功耗低、体积小。在现有磁悬浮飞轮结构中，一般采用两个单自由度轴向磁轴承+两个两自由度径向磁轴承结构，或两个三自由度轴向磁轴承+一个两自由度径向磁轴承结构。而现有的径向磁轴承一般定子部分分为四个磁极，且永磁磁路及电磁磁路在各个磁极之间互相耦合，如专利200510011690.1所述的永磁偏置外转子径向磁轴承及专利200710063272.6中的具有冗余结构的永磁偏置外转子径向混合磁轴承均包含有四个相互耦合的径向磁极组成，若应用到大角度扭转的磁悬浮反作用飞轮中，当飞轮扭转时，径向四个磁极下的气隙大小不再相等，若径向某一通道承重施加电流时，受通道耦合影响，电流在另一通道会产生一个额外附加力，而本身通道的励磁减少，使承重通道的承载力降低。由于存在上述缺陷，现有磁轴承在飞轮应用中存在径向通道耦合严重、体积大的缺点。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种径向通道耦合小、控制精度高、体积小的低功耗五自由度磁轴承。

本发明的技术解决方案是：一种五自由度磁轴承，由定子部分和转子部分组成，其中定子部分包括下轴向定子、上轴向定子、定子隔磁环、永磁体、径向定子、径向定子隔磁环和径向线圈，转子部分包括上轴向转子、下轴向转子、径向转子铁心和转子隔磁环，其中永磁体的外侧为径向定子，径向定子共有两个，沿圆周方向正交放置，两个径向定子之间有径向定子隔磁环，径向定子由定子齿和定子导磁轭组成，径向定子齿上绕有径向线圈，永磁体的轴向上下两侧均为定子隔磁环，永磁体与定子隔磁环的径向内侧为下轴向定子，下轴向定子的上侧为上轴向定子，径向定子的外侧为径向转子铁心，径向定子和径向转子铁心之间为径向磁气隙，径向转子铁心上下两侧为转子隔磁环，下轴向转子安装在径向转子铁心和转子隔磁环的径向外侧，并与上轴向转子相连，上轴向定子的外侧为上轴向转子，上轴向定子和上轴向转子以及下轴向定子和下轴向转子之间为轴向磁气隙，上轴向定子和上轴向转子以及下轴向定子和下轴向转子均为同等轴向长度的整环结构。

所述径向定子隔磁环的厚度为2mm～4mm。永磁体沿周向方向分为互不相连的四块，各永磁体块均为沿径向充磁，分别位于径向定子的四个定子齿的径向内侧，且各永磁体的周向跨距与径向定子的定子齿的周向跨距相同，均为60°～80°圆心角。

所述径向磁气隙大小为0.3mm～0.8mm，轴向磁气隙的大小为0.4mm～0.85mm。

所述径向转子铁心采用1J50或非晶中的任意一种叠压制成，上轴向定子、下轴向定子、上轴向转子和下轴向转子均采用1J22棒材或电工纯铁中的任意一种制成。

所述径向转子铁心轴向长度比径向定子齿轴向长度大3～6mm。

本发明的原理是：本发明的五自由度磁轴承，利用轴向定子和轴向转子之间的相互作用力(磁偏拉力)来控制轴向平动及绕x轴、y轴的扭动，利用径向定子和径向转子之间的相互作用力来控制径向两个方向的平动，永磁体同时为轴向磁气隙和径向磁气隙提供偏置磁通，如图1中实线箭头方向所示，永磁体产生的永磁磁通路径为：磁通从永磁体N极出发，分别经过x方向及y方向径向定子、x及y方向径向气隙到转子铁心，然后经由上、下轴向转子、轴向气隙，到达上下轴向定子，再回到永磁体S极。径向x方向电磁磁路路径如图2中虚线箭头方向所示：电磁磁通从+x方向上的径向定子齿出发，经+x方向磁气隙、径向转子铁心、-x方向磁气隙、-x方向径向定子齿，然后经x方向定子导磁轭，回到+x方向上的定子齿形成回路。径向y方向电磁磁路与x方向相似，由+y方向上的径向定子齿出发，经+y方向磁气隙、径向转子铁心、-y方向磁气隙、-y方向径向定子齿，然后经y方向定子导磁轭，回到+y方向上的定子齿形成回路。由于定子隔磁环的存在，径向x方向与y方向的永磁磁路互不耦合，电磁磁路也互不耦合，因此当x方向气隙发生显著变化，或x通道施加控制电流时，y方向的永磁及电磁磁密均不会发生变化，且x方向电流产生的磁压降仅降落在+x和-x方向磁气隙上，因此该电流可以在x方向产生更大的电磁磁密，从而可增大x方向的出力。

在轴向平动控制以及绕x、y方向的扭转控制时，由于上下轴向定子和上下轴向转子均为在轴向气隙处同等轴向长度的整环结构，因此当转子部分发生轴向平动或绕x、y方向的扭转时，轴向定子与轴向转子之间会产生磁偏拉力(磁阻力)，所以依靠磁阻力可以使得转子回复到初始的平衡位置。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明一种五自由度磁轴承，径向结构采用x、y方向通道解耦的形式，使永磁磁路及电磁磁路在x方向的通道和y方向的通道之间均互不影响，当转子扭转使某一方向的通道气隙大小发生变化时，另一方向通道的永磁偏置磁密不会发生变化，因此在扭转情况下仍可保持较大的最大承载力，而电磁磁路互不耦合，可使各通道电流产生的磁压降仅降落在其所在通道的磁气隙上，从而产生更大的电磁磁密，增大本通道的出力。同时，采用上下轴向定子和上下轴向转子均为同等轴向长度的整环结构，使得在轴向磁气隙处产生磁阻力实现转子的轴向平动以及径向扭转的被动控制。因此，与现有磁轴承结构相比，本发明具有x、y通道解耦、体积小的优点。

附图说明

图1为本发明沿x及y方向切开的轴向截面图。

图2为本发明的径向x方向通道的径向截面图。

图3为本发明的径向定子组件立体图。

图4为本发明径向定子组件爆炸视图。

图5为本发明单个径向通道定子组件的爆炸视图。

具体实施方式

如图1、图2所示，五自由度磁轴承由定子部分和转子部分组成，其中定子部分包括下轴向定子1、上轴向定子2、定子隔磁环3、永磁体4、径向定子5、径向定子隔磁环6和径向线圈7，转子部分包括上轴向转子8、下轴向转子9、径向转子铁心10和转子隔磁环11，其中永磁体4的外侧为径向定子5，径向定子5共有两个，沿圆周方向正交放置，两个径向定子5之间有径向定子隔磁环6，径向定子5由定子齿51和定子导磁轭52组成，径向定子齿上绕有径向线圈7，永磁体4的轴向上下两侧均为定子隔磁环3，永磁体4与定子隔磁环3的径向内侧为下轴向定子1，下轴向定子1的上侧为上轴向定子2，径向定子5的外侧为径向转子铁心10，径向定子5和径向转子铁心10之间为径向磁气隙12，径向转子铁心10上下两侧为转子隔磁环11，下轴向转子9安装在径向转子铁心10和转子隔磁环11的径向外侧，并与上轴向转子8相连，上轴向定子2的外侧为上轴向转子8，上轴向定子2和上轴向转子8以及下轴向定子1和下轴向转子9之间为轴向磁气隙13，上轴向定子2和上轴向转子8以及下轴向定子1和下轴向转子9均为同等轴向长度的整环结构，换句话说，就是在轴向磁气隙13处的轴向定子和轴向转子具有同样的轴向长度。

本发明的径向定子5在x、y方向各有一个，两个径向定子及相邻的定子隔磁环3、永磁体4、径向定子隔磁环6共同组成了径向定子组件如图3所示，在安装时x、y方向的两个径向定子正交放置，径向定子隔磁环6位于两个通道定子之间，用于隔离两个通道的永磁磁路和电磁磁路，径向定子组件的爆炸视图如图4所示。单个通道的径向定子组件包括径向定子5(图中为极靴形式)、永磁体4、径向定子隔磁环6，其爆炸视图如图5所示，每个径向定子5均由定子齿51和定子导磁轭52组成，两个径向定子形成的定子组件沿圆周均匀分布有四个定子齿51，各定子齿沿圆周方向跨距β为60°～80°圆心角，径向定子隔磁环6的厚度为2mm～4mm，以保证x通道和y通道磁路互不耦合。

如图3所示，永磁体4沿周向方向分为互不相连的四块(如图4所示)，各永磁体块均为沿径向充磁，分别位于径向定子5的四个定子齿的径向内侧，且各永磁体4的周向跨距β₁与径向定子5的定子齿的周向跨距β相同，均为60°～80°圆心角，如图5所示。

为保证飞轮转子扭转一定角度后各定子与转子不发生相互碰撞，径向磁气隙12大小为0.3mm～0.8mm，轴向磁气隙13的大小为0.4mm～0.85mm。

径向转子铁心10采用1J50或非晶中的任意一种叠压制成，下轴向定子1、上轴向定子2、上轴向转子8和下轴向转子9均采用1J22棒材或电工纯铁中的任意一种制成。

飞轮转子扭转时，轴承转子铁心会沿平行于气隙方向发生偏移，为保证偏移后定子跨距范围仍在转子跨距范围之内，径向转子铁心10轴向长度比径向定子齿51轴向长度大3～6mm，使径向漏磁系数在1.3～1.9之间。

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)

1.一种五自由度磁轴承，其特征在于：由定子部分和转子部分组成，其中定子部分包括下轴向定子(1)、上轴向定子(2)、定子隔磁环(3)、永磁体(4)、径向定子(5)、径向定子隔磁环(6)和径向线圈(7)，转子部分包括上轴向转子(8)、下轴向转子(9)、径向转子铁心(10)和转子隔磁环(11)，其中永磁体(4)的外侧为径向定子(5)，径向定子(5)共有两个，沿圆周方向正交放置，两个径向定子(5)之间有径向定子隔磁环(6)，径向定子(5)由定子齿(51)和定子导磁轭(52)组成，径向定子齿上绕有径向线圈(7)，永磁体(4)的轴向上下两侧均为定子隔磁环(3)，永磁体(4)与定子隔磁环(3)的径向内侧为下轴向定子(1)，下轴向定子(1)的上侧为上轴向定子(2)，径向定子(5)的外侧为径向转子铁心(10)，径向定子(5)和径向转子铁心(10)之间为径向磁气隙(12)，径向转子铁心(10)上下两侧为转子隔磁环(11)，下轴向转子(9)安装在径向转子铁心(10)和转子隔磁环(11)的径向外侧，并与上轴向转子(8)相连，上轴向定子(2)的外侧为上轴向转子(8)，上轴向定子(2)和上轴向转子(8)以及下轴向定子(1)和下轴向转子(9)之间为轴向磁气隙(13)，上轴向定子(2)和上轴向转子(8)以及下轴向定子(1)和下轴向转子(9)均为同等轴向长度的整环结构。

2.根据权利要求1所述的五自由度磁轴承，其特征在于：所述径向定子隔磁环(6)的厚度为2mm～4mm。

3.根据权利要求1所述的五自由度磁轴承，其特征在于：所述永磁体(4)沿周向方向分为互不相连的四块，各永磁体块均为沿径向充磁，分别位于径向定子(5)的四个定子齿(51)的径向内侧，且各永磁体(4)的周向跨距与径向定子(5)的定子齿(51)的周向跨距相同，均为60°～80°圆心角。

4.根据权利要求1所述的五自由度磁轴承，其特征在于：所述的径向磁气隙(12)大小为0.3mm～0.8mm，轴向磁气隙(13)的大小为0.4mm～0.85mm。

5.根据权利要求1所述的五自由度磁轴承，其特征在于：所述的径向转子铁心(10)采用1J50或非晶中的任意一种叠压制成，上轴向定子(2)、下轴向定子(1)和上轴向转子(8)、下轴向转子(9)均采用1J22棒材或电工纯铁中的任意一种制成。

Images