CN104373461B - 一种双永磁体内转子永磁偏置球面径向磁轴承 - Google Patents

一种双永磁体内转子永磁偏置球面径向磁轴承 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双永磁体内转子永磁偏置球面径向磁轴承，包括定子系统和转子系统两部分，定子系统主要包括：定子上球面铁心、定子下球面铁心、激磁线圈、定子隔磁环、定子上导磁环、定子下导磁环、定子永磁体、定子套筒和定子锁环；转子系统主要包括：转子上球面铁心、转子下球面铁心、转子隔磁环、转子上导磁环、转子下导磁环、转子永磁体、转子套筒和转子锁环；定子上球面铁心组成4个磁极，定子下球面铁心组成4个磁极，定子上球面铁心和定子下球面铁心组成磁轴承上下两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的球面磁极，每个定子磁极绕制有激磁线圈。避免了径向平动控制对径向扭动控制的干扰，减小了其自身剩磁对外界的磁干扰，可作为空间用磁悬浮万向动量轮等旋转部件的无接触支承，提高动量轮的控制力矩精度。

Description

一种双永磁体内转子永磁偏置球面径向磁轴承
技术领域
本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，尤其涉及一种双永磁体内转子永磁偏置球面径向磁轴承。
背景技术
纯电磁磁轴承利用偏置电流提供偏置磁场，线圈绕组电流较大，导致磁轴承功耗大。永磁偏置混合磁轴承利用永磁体产生的永磁磁场提供偏置磁场，替代纯电磁磁轴承中偏置电流产生的偏置磁场，可大大减小磁轴承控制电流，降低功率放大器功耗，缩小磁轴承体积，提高轴承承载力。所以永磁偏置磁轴承在磁悬浮鼓风机、磁悬浮油气储运压缩机、磁悬浮电机、磁悬浮储能飞轮、磁悬浮动量轮、磁悬浮控制力矩陀螺等高速运动场合得到广泛应用。
磁悬浮飞轮消除了机械轴承的摩擦磨损，无需润滑，具有高力矩精度、微振动和主动振动抑制的功能等优点，是高精度对地观测卫星的理想惯性执行机构。磁悬浮飞轮在转速方面的优势，使其既能工作在反作用状态用于反作用飞轮，又能工作在偏置状态用于偏置动量轮，进一步提高转速还可用于姿控储能两用飞轮。上述三大类磁悬浮飞轮输出力矩精度高，但力矩较小，不能满足卫星姿态机动的需求，不适合用于敏捷机动卫星平台的惯性执行机构。磁悬浮万向动量轮通过控制飞轮转子赤道内径向两自由度扭动磁轴承偏转力矩，改变飞轮转子旋转轴方向，能够瞬间输出瞬间大陀螺力矩，从而实现卫星姿态的敏捷机动。陀螺力矩精度和剩磁矩是空间用磁悬浮万向飞轮的重要指标。提高陀螺力矩精度，可实现敏捷机动卫星在实现大角度机动的同时，提高卫星对地观测的分辨率。对于低轨卫星，地磁产生的磁场会与整星剩磁矩相互作用产生干扰力矩，影响姿态控制力矩精度。此外，磁悬浮万向动量轮自身剩磁矩可能会对星上磁强计的测量精度产生影响。因此，敏捷机动卫星在设计过程中，对磁悬浮万向动量轮的力矩精度和剩磁矩大小有严格要求。
经分析表明，提高磁悬浮万向动量轮输出的陀螺力矩精度的前提是，飞轮转子平动运动时，其平动电磁力不会影响径向偏转力矩，要求三个平动方向的电磁力与径向两个方向的偏转电磁力矩完全解耦。
现有技术中，专利ZL200510011271.8所述的内转子永磁偏置径向磁轴承，利用放置于两导磁环间的永磁体产生偏置磁场，替代纯电磁磁轴承偏置电流产生的偏置磁场，降低了系统功耗，减小了磁轴承体积和重量。但其使用了一个永磁体圆环，为非对称永磁体结构，会产生较大的剩磁矩；专利ZL201010256248.6所述的双永磁体内转子永磁偏置径向磁轴承，在磁轴承定子和转子对称放置一永磁体，为对称永磁体结构，大大减小径向磁轴承产生的剩磁矩。
上述现有技术至少存在以下缺点：
专利ZL200510011271.8和专利ZL201010256248.6所述外转子径向磁轴承磁极面为圆柱面，转子所受电磁吸力始终垂直磁极表面。当飞轮转子惯性轴与磁轴承定子几何轴发生偏转时，磁轴承8个磁极面内的电磁吸力不相等，且都不指向飞轮转子质心，从而会对飞轮转子产生径向扭动干扰力矩，降低磁悬浮万向动量轮微框架效应时产生的陀螺力矩精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种精度高的双永磁体内转子永磁偏置球面径向磁轴承。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的双永磁体内转子永磁偏置球面径向磁轴承，包括定子系统和转子系统两部分，定子系统主要包括：定子上球面铁心、定子下球面铁心、激磁线圈、定子隔磁环、定子上导磁环、定子下导磁环、定子永磁体、定子套筒和定子锁环；转子系统主要包括：转子上球面铁心、转子下球面铁心、转子隔磁环、转子上导磁环、转子下导磁环、转子永磁体、转子套筒和转子锁环；定子上球面铁心组成4个磁极，定子下球面铁心组成4个磁极，定子上球面铁心和定子下球面铁心组成磁轴承上下两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的球面磁极，每个定子磁极绕制有激磁线圈，定子隔磁环位于定子上球面铁心和定子下球面铁心之间，定子上导磁环位于定子上球面铁心径向外侧，定子下导磁环位于定子下球面铁心径向外侧，定子永磁体位于定子上导磁环和定子下导磁环之间，定子上球面铁心、定子下球面铁心、定子隔磁环、定子上导磁环、定子下导磁环和定子永磁体位于定子套筒径向内侧，并通过定子锁环固定安装在定子套筒上，转子上球面铁心位于定子上球面铁心径向内侧，转子上球面铁心外球面与定子上球面铁心内球面留有一定的间隙，形成空气气隙，转子下球面铁心位于定子下球面铁心径向内侧，转子下球面铁心外球面与定子下球面铁心内球面留有一定的间隙，形成空气气隙，转子隔磁环位于转子上球面铁心和转子下球面铁心之间，转子上导磁环位于转子上球面铁心径向内侧，转子下导磁环位于转子下球面铁心径向内侧，转子永磁体位于转子上导磁环和转子下导磁环之间，转子上球面铁心、转子下球面铁心、转子隔磁环、转子上导磁环、转子下导磁环和转子永磁体位于转子套筒径向外侧，并通过转子锁环固定安装在转子套筒上。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的双永磁体内转子永磁偏置球面径向磁轴承，由于采用径向平动和径向扭动解耦控制，避免了径向平动控制对径向扭动控制的干扰，减小了其自身剩磁对外界的磁干扰，可作为空间用磁悬浮万向动量轮等旋转部件的无接触支承，提高动量轮的控制力矩精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的双永磁体内转子永磁偏置球面径向磁轴承的轴向截面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的双永磁体内转子永磁偏置球面径向磁轴承的轴向端面结构示意图；
图3a为本发明实施例中的定子上球面铁心和定子下球面铁心剖视结构示意图；
图3b为本发明实施例中的定子上球面铁心和定子下球面铁心三维结构示意图；
图4a为本发明实施例中的转子上球面铁心和转子下球面铁心剖视结构示意图；
图4b为本发明实施例中的转子上球面铁心和转子下球面铁心三维结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
本发明的双永磁体内转子永磁偏置球面径向磁轴承，其较佳的具体实施方式是：
包括定子系统和转子系统两部分，定子系统主要包括：定子上球面铁心、定子下球面铁心、激磁线圈、定子隔磁环、定子上导磁环、定子下导磁环、定子永磁体、定子套筒和定子锁环；转子系统主要包括：转子上球面铁心、转子下球面铁心、转子隔磁环、转子上导磁环、转子下导磁环、转子永磁体、转子套筒和转子锁环；定子上球面铁心组成4个磁极，定子下球面铁心组成4个磁极，定子上球面铁心和定子下球面铁心组成磁轴承上下两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的球面磁极，每个定子磁极绕制有激磁线圈，定子隔磁环位于定子上球面铁心和定子下球面铁心之间，定子上导磁环位于定子上球面铁心径向外侧，定子下导磁环位于定子下球面铁心径向外侧，定子永磁体位于定子上导磁环和定子下导磁环之间，定子上球面铁心、定子下球面铁心、定子隔磁环、定子上导磁环、定子下导磁环和定子永磁体位于定子套筒径向内侧，并通过定子锁环固定安装在定子套筒上，转子上球面铁心位于定子上球面铁心径向内侧，转子上球面铁心外球面与定子上球面铁心内球面留有一定的间隙，形成空气气隙，转子下球面铁心位于定子下球面铁心径向内侧，转子下球面铁心外球面与定子下球面铁心内球面留有一定的间隙，形成空气气隙，转子隔磁环位于转子上球面铁心和转子下球面铁心之间，转子上导磁环位于转子上球面铁心径向内侧，转子下导磁环位于转子下球面铁心径向内侧，转子永磁体位于转子上导磁环和转子下导磁环之间，转子上球面铁心、转子下球面铁心、转子隔磁环、转子上导磁环、转子下导磁环和转子永磁体位于转子套筒径向外侧，并通过转子锁环固定安装在转子套筒上。
所述的定子上球面铁心和定子下球面铁心的磁极均采用极靴形式以减小高转速下的涡流损耗和等效阻力矩。所述的定子上球面铁心的磁极球面半径和定子下球面铁心的磁极球面半径相等，且两者的球心完全重合。所述的转子上球面铁心的磁极球面半径和转子下球面铁心的磁极球面半径相等，且两者的球心完全重合。所述的定子上导磁环、定子下导磁环、转子上导磁环和转子下导磁环均为1J85、1J50或电工纯铁导磁材料。所述的定子永磁体和转子永磁体为衫钴合金或钕铁硼合金材料。所述的定子永磁体和转子永磁体为轴向圆环，沿轴向充磁。所述的定子永磁体与转子永磁体的体积相等，且充磁方向相反。
本发明的克服了现有技术的不足，采用径向平动和径向扭动解耦控制的双永磁体内转子永磁偏置球面径向磁轴承，避免了径向平动控制对径向扭动控制的干扰，减小了其自身剩磁对外界的磁干扰。
本发明的原理是：
永磁体给磁轴承提供永磁偏置磁场，承担磁轴承所受的径向力，激磁线圈所产生的控制磁场与永磁体产生的偏置磁场正向/反向叠加，保持磁轴承定转子气隙均匀，实现转子的无接触悬浮支承。如图1所示，本发明的永磁磁路为：磁通从定子永磁体N极出发，通过定子上导磁环、定子上球面铁心、气隙、转子上球面铁心、转子上导磁环、转子永磁体S极、转子永磁体N极、转子下导磁环、转子下球面铁心、气隙、定子下球面铁心、定子下导磁环回到定子永磁体S极，形成磁轴承的主磁路。如图2所示，以上端Y轴正向激磁线圈电流产生的磁通为例，其路径为：定子上球面铁心的Y轴正向磁极、Y轴正向气隙到转子上球面铁心、然后到另外三个方向气隙、定子上球面铁心形成的另外三个方向磁极、回到定子上球面铁心形成的Y轴正向磁极，构成闭合回路，形成磁轴承的控制磁路。
当磁轴承转子处于平衡位置时，8个磁极面处的气隙完全相等，各磁极面处的电磁吸力大小相等，磁轴承转子所受的电磁合力和电磁合力矩为零。当磁轴承转子转轴与其定子几何轴存在一小角度时，在各定子磁极面处，转子所受的电磁吸力始终沿磁轴承转子球面的径向方向，且都经过球面转子铁心的球心。当动量轮转子质心与转子球面铁心的球心完全重合时，8个磁极面出的电磁吸力对动量轮转子质心产生的力矩为0，不会对输出陀螺力矩时所需的径向扭动力矩产生干扰，实现了径向平动控制对径向扭动控制的解耦，提高了磁悬浮万向动量轮微框架效应所输出的陀螺力矩精度。此外，激磁线圈的磁矩为P＝I×S(I为激磁线圈电流，S为激磁线圈面积)，方向满足右手螺旋定则。由于激磁线圈中通电电流是成对反向加载，所以每对线圈的两个激磁线圈的剩磁矩大小相等，方向相反，对外的合磁矩为零。对于软磁材料来说，其磁路为轴向均匀分布，所以其对外表现的磁矩也为零。对于永磁体而言，其磁矩大小为P＝Hc×V(Hc为永磁体的矫顽力，V为永磁体的体积)，方向为永磁体的充磁方向。对于单永磁体外转子径向磁轴承，其剩磁方向为永磁体充磁方向，对外表现一个较大的轴向磁矩分量，大小与永磁体的体积成正比。为补偿径向磁轴承所产生轴向磁力矩，本发明在磁轴承定子和转子中都加入体积相等，充磁方向相反的永磁体，实现剩磁矩的补偿。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明在现有内转子径向磁轴承的基础上，将现有磁轴承磁极面换成球面，使磁轴承转子在各磁极处所受的电磁力始终经过球面转子铁心球面磁极的球心，克服了因各磁极处电磁力不相等时，而产生的径向扭动干扰力矩，提高了磁悬浮万向动量轮陀螺力矩的精度。同时采用双永磁体结构，在磁轴承定子和转子都放置体积相等，充磁方向相反的永磁体，没有增加磁轴承体积，降低了径向磁轴承产生的剩磁矩。
具体实施例：
如图1、2所示，一种双永磁体内转子永磁偏置球面径向磁轴承，主要由定子系统和转子系统两部分组成，其特征在于：定子系统主要包括：定子上球面铁心1、定子下球面铁心2、激磁线圈3、定子隔磁环4、定子上导磁环5、定子下导磁环6、定子永磁体7、定子套筒8和定子锁环9；转子系统主要包括：转子上球面铁心10、转子下球面铁心11、转子隔磁环12、转子上导磁环13、转子下导磁环14、转子永磁体15、转子套筒16和转子锁环17；定子上球面铁心1组成4个磁极，定子下球面铁心2组成4个磁极，定子上球面铁心1和定子下球面铁心2组成磁轴承上下两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的球面磁极，每个定子磁极绕制有激磁线圈3，定子隔磁环4位于定子上球面铁心1和定子下球面铁心2之间，定子上导磁环5位于定子上球面铁心1径向外侧，定子下导磁环6位于定子下球面铁心2径向外侧，定子永磁体7位于定子上导磁环5和定子下导磁环6之间，定子上球面铁心1、定子下球面铁心2、定子隔磁环4、定子上导磁环5、定子下导磁环6和定子永磁体7位于定子套筒8径向内侧，并通过定子锁环9固定安装在定子套筒8上，转子上球面铁心10位于定子上球面铁心1径向内侧，转子上球面铁心10外球面与定子上球面铁心1内球面留有一定的间隙，形成空气气隙18，转子下球面铁心11位于定子下球面铁心2径向内侧，转子下球面铁心11外球面与定子下球面铁心2内球面留有一定的间隙，形成空气气隙18，转子隔磁环12位于转子上球面铁心10和转子下球面铁心11之间，转子上导磁环13位于转子上球面铁心10径向内侧，转子下导磁环14位于转子下球面铁心11径向内侧，转子永磁体15位于转子上导磁环13和转子下导磁环14之间，转子上球面铁心10、转子下球面铁心11、转子隔磁环12、转子上导磁环13、转子下导磁环14和转子永磁体15位于转子套筒16径向外侧，并通过转子锁环17固定安装在转子套筒16上。
图3a为本发明中定子上球面铁心1和定子下球面铁心2剖视图，图3b为本发明中定子上球面铁心1和定子下球面铁心2三维结构示意图，其材料为导磁性能良好的薄钢片如电工硅钢片1J22、1J50、1J79、1J85、电工纯铁等磁性材料冲压叠制而成，四个磁极面在同一球面上，每个磁极均采用极靴形式以减小高转速下的涡流损耗和等效阻力矩。
图4a为本发明中转子上球面铁心10和转子下球面铁心11剖视图，图4b为本发明中转子上球面铁心10和转子下球面铁心11三维结构示意图，其材料为导磁性能良好的薄钢片如电工硅钢片1J22、1J50、1J79、1J85、电工纯铁等磁性材料冲压叠制而成，磁悬浮万向动量轮转子处于平衡位置时，转子上球面铁心10的外球面球心和转子下球面铁心11的外球面球心与定子上球面铁心1内球面的球心和定子下球面铁心2的内球面的球心重合。
上述发明方案所用的定子隔磁环4和转子隔磁环12的材料均为导热性能良好的硬铝2A12、超硬铝7A09等无磁铝合金。定子上导磁环5、定子下导磁环6、转子上导磁环13和转子下导磁环14均为导磁性能良好的1J85、1J50或电工纯铁导磁材料。定子永磁体7和转子永磁体15的材料均为磁性能良好的衫钴合金或钕铁硼合金，定子永磁体7和转子永磁体15的体积大小相等，均为轴向圆环结构，沿轴向充磁，且充磁方向相反。激磁线圈3用导电良好的铜线绕制后浸漆烘干而成。定子套筒8和转子套筒16材料均为导热性能良好的1Cr18Ni9Ti弱磁不锈钢。定子锁环9和转子锁环17材料均为导热性能良好的硬铝2A12、超硬铝7A09等无磁铝合金。
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。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种双永磁体内转子永磁偏置球面径向磁轴承，包括定子系统和转子系统两部分，其特征在于：
所述定子系统主要包括：定子上球面铁心(1)、定子下球面铁心(2)、激磁线圈(3)、定子隔磁环(4)、定子上导磁环(5)、定子下导磁环(6)、定子永磁体(7)、定子套筒(8)和定子锁环(9)；
所述转子系统主要包括：转子上球面铁心(10)、转子下球面铁心(11)、转子隔磁环(12)、转子上导磁环(13)、转子下导磁环(14)、转子永磁体(15)、转子套筒(16)和转子锁环(17)；
所述定子上球面铁心(1)组成4个磁极，所述定子下球面铁心(2)组成4个磁极，共组成磁轴承上下两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的定子磁极，每个定子磁极绕制有所述激磁线圈(3)；
所述定子隔磁环(4)位于所述定子上球面铁心(1)和所述定子下球面铁心(2)之间，所述定子上导磁环(5)位于所述定子上球面铁心(1)径向外侧，所述定子下导磁环(6)位于所述定子下球面铁心(2)径向外侧，所述定子永磁体(7)位于所述定子上导磁环(5)和所述定子下导磁环(6)之间；
所述定子上球面铁心(1)、所述定子下球面铁心(2)、所述定子隔磁环(4)、所述定子上导磁环(5)、所述定子下导磁环(6)和所述定子永磁体(7)位于所述定子套筒(8)径向内侧，并通过所述定子锁环(9)固定安装在所述定子套筒(8)上；
所述转子上球面铁心(10)位于所述定子上球面铁心(1)径向内侧，所述转子上球面铁心(10)外球面与所述定子上球面铁心(1)内球面留有间隙，形成空气气隙(18)；
所述转子下球面铁心(11)位于所述定子下球面铁心(2)径向内侧，所述转子下球面铁心(11)外球面与所述定子下球面铁心(2)内球面留有间隙，形成空气气隙(18)；
所述转子隔磁环(12)位于所述转子上球面铁心(10)和所述转子下球面铁心(11)之间，所述转子上导磁环(13)位于所述转子上球面铁心(10)径向内侧，所述转子下导磁环(14)位于所述转子下球面铁心(11)径向内侧，所述转子永磁体(15)位于所述转子上导磁环(13)和所述转子下导磁环(14)之间；
所述转子上球面铁心(10)、所述转子下球面铁心(11)、所述转子隔磁环(12)、所述转子上导磁环(13)、所述转子下导磁环(14)和所述转子永磁体(15)位于所述转子套筒(16)径向外侧，并通过所述转子锁环(17)固定安装在所述转子套筒(16)上。
2.根据权利要求1所述的双永磁体内转子永磁偏置球面径向磁轴承，其特征在于：所述的定子上球面铁心(1)和所述定子下球面铁心(2)的磁极均采用极靴结构。
3.根据权利要求1所述的双永磁体内转子永磁偏置球面径向磁轴承，其特征在于：所述的定子上球面铁心(1)的磁极球面半径和所述定子下球面铁心(2)的磁极球面半径相等，且两者的球心完全重合。
4.根据权利要求1所述的双永磁体内转子永磁偏置球面径向磁轴承，其特征在于：所述的转子上球面铁心(10)的磁极球面半径和所述转子下球面铁心(11)的磁极球面半径相等，且两者的球心完全重合。
5.根据权利要求1所述的双永磁体内转子永磁偏置球面径向磁轴承，其特征在于：所述的定子上导磁环(5)、所述定子下导磁环(6)、所述转子上导磁环(13)和所述转子下导磁环(14)均为1J85、1J50或电工纯铁导磁材料。
6.根据权利要求1所述的双永磁体内转子永磁偏置球面径向磁轴承，其特征在于：所述的定子永磁体(7)和转子永磁体(15)为衫钴合金或钕铁硼合金材料。
7.根据权利要求1所述的双永磁体内转子永磁偏置球面径向磁轴承，其特征在于：所述的定子永磁体(7)和所述转子永磁体(15)为轴向圆环，沿轴向充磁。
8.根据权利要求1所述的双永磁体内转子永磁偏置球面径向磁轴承，其特征在于：所述的定子永磁体(7)与所述转子永磁体(15)的体积相等，且充磁方向相反。
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