CN104533949B - 一种内转子球形径向纯电磁磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内转子球形径向纯电磁磁轴承，包括定子系统和转子系统，定子系统包括左球面定子铁心、右球面定子铁心、前球面定子铁心、后球面定子铁心、激磁线圈、定子套筒和定子锁母；转子系统包括球面转子叠片、转子套筒和转子锁母。采用8个球面磁极，使转子所受电磁力始终经过球心，当磁轴承转子球心与质心重合时，电磁力相对转子质心产生扭矩为零，即可消除径向平动控制对径向扭动控制的干扰。此外，8个磁极中，纵向任意相邻两个磁极独立形成一个通道，即可实现径向四个通道的完全解耦，提高内转子径向磁轴承的控制精度。

Description

一种内转子球形径向纯电磁磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，尤其涉及一种内转子球形径向纯电磁磁轴承。

背景技术

磁悬浮轴承分为永磁偏置混合磁轴承和纯电磁磁轴承，前者利用永磁体产生的永磁磁场提供偏置磁场，电磁磁场提供辅助调节力，可减小磁轴承的控制电流，降低功放损耗，缩小磁轴承的体积，但其只有电磁控制磁场可控，即只有一个可控电流。后者利用偏置电流提供偏置磁场，利用控制电流产生的控制磁场调节电磁力的大小，即纯电磁磁轴承具有两个可控磁场，即具有两个可控电流。此外，与永磁偏置混合磁轴承相比，纯电磁磁轴承断电状态下，磁极表面没有磁场，装配过程中定转子不会产生吸力，更易于磁悬浮产品的安装。所以，许多磁悬浮鼓风机、磁悬浮电机、磁悬浮压缩机、磁悬浮分子泵、磁悬浮动量轮等都采用纯电磁磁轴承支承方案。

磁悬浮陀螺仪采用磁悬浮支承技术，消除机械轴承引起的摩擦磨损，降低了陀螺仪的振动，使陀螺转子可工作在较高转速，从而为转子提供较大的动量，使其具有很好的品质因素，提高了陀螺仪的定轴性。工作状态下，陀螺转子偏离平衡位置时，磁轴承不均的电磁力将作用于陀螺仪转子磁极面，产生扭动力矩，使陀螺仪旋转轴发生偏转，即发生陀螺漂移。因此必须考虑磁轴承悬浮力对陀螺漂移的影响。

陀螺仪转子旋转轴干扰力矩越小，陀螺漂移越小，陀螺仪指向精度越高。因此，提高磁悬浮陀螺仪转子指向精度的前提是，减小或消除磁轴承三个平动控制对径向两个扭动控制的干扰，最好的手段是，要求平动控制与扭动控制完全解耦，即磁轴承产生径向和轴向电磁力时，不会对陀螺转子产生偏转力矩。现有纯电磁磁轴承采用柱面磁极结构，工作时，转子所受电磁吸力始终垂直于磁极表面。当陀螺转子惯性轴偏离几何轴时，各个磁极面内的电磁力大小不相等，均不过质心，即会对陀螺转子产生径向扭动的干扰力矩，迫使陀螺产生漂移，降低了陀螺的指向精度。此外，现有纯电磁磁轴承径向两个通道存在耦合，径向两个通道内电磁力之间存在耦合力，降低了陀螺转子的控制精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种径向平动和径向扭动解耦控制，且径向两平动控制也解耦的内转子球形径向纯电磁磁轴承，避免了径向平动控制对径向扭动控制的干扰，提高了磁轴承的控制精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的内转子球形径向纯电磁磁轴承，包括定子系统和转子系统，定子系统包括：左球面定子铁心、右球面定子铁心、前球面定子铁心、后球面定子铁心、激磁线圈、定子套筒和定子锁母；

转子系统包括：球面转子叠片、转子套筒和转子锁母；

左球面定子铁心组成两个球面磁极，右球面定子铁心组成两个球面磁极，前球面定子铁心组成两个球面磁极，后球面定子铁心组成两个球面磁极，左球面定子铁心、右球面定子铁心、前球面定子铁心和后球面定子铁心组成磁轴承左右前后8个球面磁极，分别组成X、Y轴正负方向的球面磁极，每个球面磁极绕制有激磁线圈，左球面定子铁心、右球面定子铁心、前球面定子铁心和后球面定子铁心均位于定子套筒径向内侧，并通过定子套筒内侧的定位槽限制其径向角位置，左球面定子铁心、右球面定子铁心、前球面定子铁心和后球面定子铁心通过定子锁母固定安装在定子套筒的径向内侧，球面转子叠片位于转子套筒径向外侧，并通过转子锁母固定安装在转子套筒上，球面转子叠片外球面与左球面定子铁心内球面、右球面定子铁心内球面、前球面定子铁心内球面和后球面定子铁心的内球面留有间隙，形成空气气隙。

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内转子球形径向纯电磁磁轴承，包括定子系统和转子系统，定子系统包括：左球面定子铁心、右球面定子铁心、前球面定子铁心、后球面定子铁心、激磁线圈、定子套筒和定子锁母；转子系统包括：球面转子叠片、转子套筒和转子锁母；由于采用8个球面磁极，使转子所受电磁力始终经过球心，当磁轴承转子球心与质心重合时，电磁力相对转子质心产生扭矩为零，即可消除径向平动控制对径向扭动控制的干扰。此外，8个球面磁极中，纵向任意相邻两个球面磁极独立形成一个通道，即可实现径向四个通道的完全解耦，提高内转子径向磁轴承的控制精度。

附图说明

图1为本发明实施例中内转子球形径向纯电磁磁轴承的径向X向剖视图；

图2为本发明实施例中内转子球形径向纯电磁磁轴承的径向Y向剖视图；

图3a为本发明实施例中的定子系统的剖视图；

图3b为本发明实施例中的定子系统的三维结构示意图；

图4a为本发明实施例中的转子系统的剖视图；

图4b为本发明实施例中的转子系统的三维结构示意图；

图5a为本发明实施例中的左球面定子铁心、右球面定子铁心、前球面定子铁心和后球面定子铁心的剖视图；

图5b为本发明实施例中的左球面定子铁心、右球面定子铁心、前球面定子铁心和后球面定子铁心的三维结构示意图；

图6a为本发明实施例中的球面转子叠片的剖视图；

图6b为本发明实施例中的球面转子叠片的三维结构示意图；

图7a为本发明实施例中的定子套筒的剖视图；

图7b为本发明实施例中的定子套筒的三维结构示意图。

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。

本发明的内转子球形径向纯电磁磁轴承，其较佳的具体实施方式是：

包括定子系统和转子系统，定子系统包括：左球面定子铁心、右球面定子铁心、前球面定子铁心、后球面定子铁心、激磁线圈、定子套筒和定子锁母；

转子系统包括：球面转子叠片、转子套筒和转子锁母；

左球面定子铁心组成两个球面磁极，右球面定子铁心组成两个球面磁极，前球面定子铁心组成两个球面磁极，后球面定子铁心组成两个球面磁极，左球面定子铁心、右球面定子铁心、前球面定子铁心和后球面定子铁心组成磁轴承左右前后8个球面磁极，分别组成X、Y轴正负方向的球面磁极，每个球面磁极绕制有激磁线圈，左球面定子铁心、右球面定子铁心、前球面定子铁心和后球面定子铁心均位于定子套筒径向内侧，并通过定子套筒内侧的定位槽限制其径向角位置，左球面定子铁心、右球面定子铁心、前球面定子铁心和后球面定子铁心通过定子锁母固定安装在定子套筒的径向内侧，球面转子叠片位于转子套筒径向外侧，并通过转子锁母固定安装在转子套筒上，球面转子叠片外球面与左球面定子铁心内球面、右球面定子铁心内球面、前球面定子铁心内球面和后球面定子铁心内球面留有间隙，形成空气气隙。

所述的左球面定子铁心、右球面定子铁心、前球面定子铁心和后球面定子铁心均为1J22导磁块材材料。所述的左球面定子铁心、右球面定子铁心、前球面定子铁心和后球面定子铁心的球面半径相等，且球心完全重合。所述的球面转子叠片为1J22叠片材料，厚度为0.1mm，其叠片方向为横向。

本发明的内转子球形径向纯电磁磁轴承，径向平动和径向扭动解耦控制，且径向两平动控制也解耦的内转子球形纯电磁径向磁轴承，避免了径向平动控制对径向扭动控制的干扰，提高了磁轴承的控制精度。

本发明的原理是：激磁线圈内的偏置电流提供偏置磁场，激磁线圈内的控制电流产生的控制磁场与偏置磁场正向/反向叠加，保持磁轴承各磁极面处气隙均匀，实现转子的无接触悬浮支承。如图1所示，本发明的径向+X通道的电磁磁路为：磁通从左球面定子铁心上磁极面出发，通过气隙、球面转子叠片、气隙、左球面定子铁心下磁极面回到左球面定子铁心上磁极面；径向-X通道的电磁磁路为：磁通从右球面定子铁心上磁极面出发，通过气隙、球面转子叠片、气隙、右球面定子铁心下磁极面回到右球面定子铁心上磁极面。如图2所示，本发明的径向+Y通道的电磁磁路为：磁通从前球面定子铁心上磁极面出发，通过气隙、球面转子叠片、气隙、前球面定子铁心下磁极面回到前球面定子铁心上磁极面；径向-Y通道的电磁磁路为：磁通从后球面定子铁心上磁极面出发，通过气隙、球面转子叠片、气隙、后球面定子铁心下磁极面回到后球面定子铁心上磁极面。

当磁轴承转子处于平衡位置时，8个球面磁极处的气隙完全相等，各球面磁极处的电磁吸力大小相等，转子所受合外力和合力矩为零。当磁轴承转子旋转轴偏离磁轴承定子几何轴时，各磁极处气隙不均匀，导致转子各磁极面的磁力不相等，但都指向球面转子叠片外球面的球心。当陀螺转子质心与球面转子叠片球面的球心完全重合时，8个球面磁极处的电磁吸力对陀螺转子产生的合力矩为0，不驱使陀螺旋转轴发生偏转，消除了径向平动对径向扭动的干扰，抑制了径向磁轴承引起的陀螺漂移。此外，径向四个通道的磁路完全解耦，即+X、-X、+Y和-Y完全解耦，各通道独立控制，提高了径向磁轴承的控制性能和控制精度。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明由于采用了球面磁极，与现有柱面磁极的磁轴承相比，当转子质心与转子球面磁极球心完全重合时，避免了径向平动控制对扭动控制的干扰，提高了陀螺仪的指向精度。此外，其径向四个通道间的磁路也完全解耦，具有很好的控制性能和控制精度。

具体实施例：

如图1、2所示，一种内转子球形径向纯电磁磁轴承，主要由定子系统和转子系统两部分组成，定子系统主要包括：左球面定子铁心1A、右球面定子铁心1B、前球面定子铁心1C、后球面定子铁心1D、激磁线圈2、定子套筒3和定子锁母4；转子系统主要包括：球面转子叠片5、转子套筒6和转子锁母7。左球面定子铁心1A组成两个磁极，右球面定子铁心1B组成两个磁极，前球面定子铁心1C组成两个磁极，后球面定子铁心1D组成两个磁极，左球面定子铁心1A、右球面定子铁心1B、前球面定子铁心1C和后球面定子铁心1D组成磁轴承左右前后8个球面磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个球面磁极绕制有激磁线圈2，左球面定子铁心1A、右球面定子铁心1B、前球面定子铁心1C和后球面定子铁心1D均位于定子套筒3径向内侧，并通过定子套筒3内侧的定位槽限制其径向角位置，左球面定子铁心1A、右球面定子铁心1B、前球面定子铁心1C和后球面定子铁心1D通过定子锁母4固定安装在定子套筒3的径向内侧，球面转子叠片5位于转子套筒6径向外侧，并通过转子锁母7固定安装在转子套筒6上，球面转子叠片5外球面与左球面定子铁心1A内球面、右球面定子铁心1B内球面、前球面定子铁心1C内球面和后球面定子铁心1D内球面留有一定的间隙，形成空气气隙8。

图3a为本发明中定子系统的剖视图，图3b为本发明中定子系统的三维结构示意图，左球面定子铁心1A、右球面定子铁心1B、前球面定子铁心1C和后球面定子铁心1D均具有两个磁极，每个球面磁极绕制有激磁线圈2，左球面定子铁心1A、右球面定子铁心1B、前球面定子铁心1C和后球面定子铁心1D均位于定子套筒3径向内侧，并通过定子套筒3内侧的定位槽限制其径向角位置，左球面定子铁心1A、右球面定子铁心1B、前球面定子铁心1C和后球面定子铁心1D通过定子锁母4固定安装在定子套筒3的径向内侧。

图4a为本发明中转子系统的剖视图，图4b为本发明中转子系统的三维结构示意图，球面转子叠片5为1J22叠片材料，厚度为0.1mm，其叠片方向为横向，叠片间涂一层厚度为1μm环氧树脂。球面转子叠片5位于转子套筒6径向外侧，并通过转子锁母7固定安装在转子套筒6上，待真空条件下烘干后再加工球面转子叠片5的外球面。

图5a为本发明中左球面定子铁心1A、右球面定子铁心1B、前球面定子铁心1C和后球面定子铁心1D的剖视图，图5b为本发明中左球面定子铁心1A、右球面定子铁心1B、前球面定子铁心1C和后球面定子铁心1D的三维结构示意图，其材料为1J22导磁块材材料，且其球面半径相等，球心完全重合。

图6a为本发明中球面转子叠片5的剖视图，图6b为本发明中球面转子叠片5的三维结构示意图，其材料为1J22叠片材料，厚度为0.1mm，其叠片方向为横向，陀螺转子处于平衡位置时，球面转子叠片5的外球面球心与左球面定子铁心1A、右球面定子铁心1B、前球面定子铁心1C和后球面定子铁心1D的内球面磁极球心重合。

图7a为本发明中定子套筒3的剖视图，图7b为本发明中定子套筒3的三维结构示意图，其材料为无磁3J40合金，内圆柱面内的四个均匀分布的定位槽用于限制左球面定子铁心1A、右球面定子铁心1B、前球面定子铁心1C和后球面定子铁心1D的径向角位置，确保左球面定子铁心1A、右球面定子铁心1B、前球面定子铁心1C和后球面定子铁心1D沿圆周均匀固定装配。

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 (4)

1.一种内转子球形径向纯电磁磁轴承，包括定子系统和转子系统，其特征在于：

所述定子系统主要包括：左球面定子铁心(1A)、右球面定子铁心(1B)、前球面定子铁心(1C)、后球面定子铁心(1D)、激磁线圈(2)、定子套筒(3)和定子锁母(4)；

所述转子系统主要包括：球面转子叠片(5)、转子套筒(6)和转子锁母(7)；

所述左球面定子铁心(1A)组成两个球面磁极，右球面定子铁心(1B)组成两个球面磁极，前球面定子铁心(1C)组成两个球面磁极，后球面定子铁心(1D)组成两个球面磁极，共组成磁轴承左右前后8个球面磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个磁极绕制有激磁线圈(2)；

左球面定子铁心(1A)、右球面定子铁心(1B)、前球面定子铁心(1C)和后球面定子铁心(1D)均位于定子套筒(3)径向内侧，并通过定子套筒(3)内侧的定位槽限制其径向角位置，左球面定子铁心(1A)、右球面定子铁心(1B)、前球面定子铁心(1C)和后球面定子铁心(1D)通过定子锁母(4)固定安装在定子套筒(3)的径向内侧，球面转子叠片(5)位于转子套筒(6)径向外侧，并通过转子锁母(7)固定安装在转子套筒(6)上，球面转子叠片(5)外球面与左球面定子铁心(1A)内球面、右球面定子铁心(1B)内球面、前球面定子铁心(1C)内球面和后球面定子铁心(1D)内球面留有间隙，形成空气气隙(8)。

2.根据权利要求1所述的内转子球形径向纯电磁磁轴承，其特征在于：

所述的左球面定子铁心(1A)、右球面定子铁心(1B)、前球面定子铁心(1C)和后球面定子铁心(1D)均为1J22导磁块材材料。

3.根据权利要求1所述的内转子球形径向纯电磁磁轴承，其特征在于：

所述的左球面定子铁心(1A)、右球面定子铁心(1B)、前球面定子铁心(1C)和后球面定子铁心(1D)的球面半径相等，且球心完全重合。

4.根据权利要求1所述的内转子球形径向纯电磁磁轴承，其特征在于：

所述的球面转子叠片(5)为1J22叠片材料，厚度为0.1mm，其叠片方向为横向。