CN104728262A - 一种外转子径向球面纯电磁磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外转子径向球面纯电磁磁轴承，包括定子系统和转子系统两部分；定子系统包括左V形球面定子铁心、右V形球面定子铁心、前V形球面定子铁心、后V形球面定子铁心、激磁线圈、上压环、下压环、上定子锁母、下定子锁母和定子套筒；转子系统包括：球面转子叠片、转子套筒和转子锁母；左V形球面定子铁心、右V形球面定子铁心、前V形球面定子铁心、后V形球面定子铁心共组成磁轴承左右前后8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子磁极绕制有激磁线圈。便于装配、无扭转负力矩、径向四通道完全解耦，具有很好的控制性能和控制精度。

Description

一种外转子径向球面纯电磁磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，尤其涉及一种外转子径向球面纯电磁磁轴承。

背景技术

随着航天技术的发展，航天器平台对姿控精度要求越来越高，传动机械动量轮逐渐显现不足。磁悬浮飞轮采用磁轴承技术，消除了机械摩擦磨损，克服了高速转子对姿控系统的振动干扰，大幅提高了控制力矩精度和稳定度，其力矩精度可达10^-5Nm量级，高于机械飞轮两个数量级。磁悬浮飞轮在转速方面的优势，使其既能用于反作用飞轮，又能用于偏置动量轮，进一步提高转速还可用于姿控储能两用飞轮。对于五自由度全主动控制磁悬浮飞轮，还能用于陀螺飞轮，能瞬间输出较大的陀螺控制力矩。现有磁悬浮飞轮结构中，一般采用单自由度轴向磁轴承+两个两自由度径向磁轴承，或三自由度轴向磁轴承+一个两自由度径向磁轴承结构。无论采用哪种结构方案，在满足承载力的条件下，轴向磁轴承在径向方向的跨距和径向磁轴承在轴向方向的跨距均较大。当转子发生平动时，磁轴承磁极处的气隙较均匀不会相对转轴产生扭动力矩。但当转子发生偏转时，磁轴承定、转子间的磁气隙不均匀，导致磁极面内的电磁力不均匀，从而产生相对转子质心的扭转力矩，即平动控制对扭动控制产生干扰力矩。例如专利200510011270.3所述的外转子永磁偏置径向磁轴承和专利201010531919.5所述的双永磁体外转子永磁偏置径向磁轴承的磁极面为柱面，磁轴承发生偏转时，定、转子间存在不均匀气隙，从而产生较大的扭转负力矩，增加了飞轮扭转轴承的负载。专利申请号201410649592.X和201410648120.2所述的永磁偏置球面磁轴承采用球面磁极，避免了因转子偏转导致气隙不均匀，且转子所受电磁力始终经过球心。当飞轮转子质心与球心完全重合时，飞轮转子所受电磁力始终经过球心，消除了飞轮转子平动控制对扭动控制的干扰。考虑外转子球面磁轴承的装配关系，磁轴承转子内球面在径向平面内的投影圆半径必须大于定子球面磁极球面半径。装配过程中，磁轴承定、转子间的最小间隙为平衡位置气隙的1/20。由于永磁磁场的存在，过小的气隙会导致在磁轴承定、转子间产生很大的吸力，给装配带来很大的不便。此外，现有永磁偏置球面磁轴承径向四个通道之间存在相互耦合，径向四个通道内电磁力之间存在耦合力，从而降低了飞轮转子的控制精度和控制力矩精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种两自由度径向四通道解耦的外转子径向球面纯电磁磁轴承，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。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的外转子径向球面纯电磁磁轴承，包括定子系统和转子系统两部分；

定子系统主要包括：左V形球面定子铁心、右V形球面定子铁心、前V形球面定子铁心、后V形球面定子铁心、激磁线圈、上压环、下压环、上定子锁母、下定子锁母和定子套筒；

转子系统主要包括：球面转子叠片、转子套筒和转子锁母；

左V形球面定子铁心组成两个磁极，右V形球面定子铁心组成两个磁极，前V形球面定子铁心组成两个磁极，后V形球面定子铁心组成两个磁极，共组成磁轴承左右前后8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子磁极绕制有激磁线圈；

左V形球面定子铁心、右V形球面定子铁心、前V形球面定子铁心、后V形球面定子铁心、上压环、下压环、上定子锁母和下定子锁母均位于定子套筒径向外侧，左V形球面定子铁心位于定子套筒左端径向外侧，右V形球面定子铁心位于定子套筒右端径向外侧，前V形球面定子铁心位于定子套筒前端径向外侧，后V形球面定子铁心位于定子套筒后端径向外侧，上压环和下压环分别位于左V形球面定子铁心、右V形球面定子铁心、前V形球面定子铁心和后V形球面定子铁心的上端和下端，并通过上压环的环形槽和下压环的环形槽限制左V形球面定子铁心、右V形球面定子铁心、前V形球面定子铁心和后V形球面定子铁心径向平动，上定子锁母位于上压环上端和定子套筒径向外侧，下定子锁母位于下压环下端和定子套筒径向外侧，上定子锁母和下定子锁母通过与定子套筒的螺纹配合将左V形球面定子铁心、右V形球面定子铁心、前V形球面定子铁心、后V形球面定子铁心、上压环和下压环固定安装在定子套筒上，球面转子叠片位于转子套筒径向内侧，并通过转子锁母固定安装在转子套筒上，球面转子叠片内球面与左V形球面定子铁心外球面、右V形球面定子铁心外球面、前V形球面定子铁心外球面和后V形球面定子铁心外球面留有一定的间隙，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外转子径向球面纯电磁磁轴承，由于采用了球面磁极，与现有柱面磁极的磁轴承相比，避免了径向平动控制对扭动控制的干扰，提高了磁悬浮飞轮控制精度和输出力矩精度，与永磁偏置球面磁轴承相比，断电状态下，磁轴承内没有磁场，定转子间无吸力，非常有利于磁轴承装配。此外，磁轴承径向四个通道间的磁路完全解耦，具有很好的控制性能和控制精度。

附图说明

图1为本发明实施例中外转子径向球面纯电磁磁轴承的轴向局部剖视图；

图2为本发明实施例中外转子径向球面纯电磁磁轴承的径向剖视图；

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4为本发明实施例中的转子系统的剖视图；

图5a为本发明实施例中的左V形球面定子铁心、右V形球面定子铁心、前V形球面定子铁心和后V形球面定子铁心的剖视图；

图5b为本发明实施例中的左V形球面定子铁心、右V形球面定子铁心、前V形球面定子铁心和后V形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。

本发明的外转子径向球面纯电磁磁轴承，其较佳的具体实施方式是：

包括定子系统和转子系统两部分；

定子系统主要包括：左V形球面定子铁心、右V形球面定子铁心、前V形球面定子铁心、后V形球面定子铁心、激磁线圈、上压环、下压环、上定子锁母、下定子锁母和定子套筒；

转子系统主要包括：球面转子叠片、转子套筒和转子锁母；

左V形球面定子铁心组成两个磁极，右V形球面定子铁心组成两个磁极，前V形球面定子铁心组成两个磁极，后V形球面定子铁心组成两个磁极，共组成磁轴承左右前后8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子磁极绕制有激磁线圈；

左V形球面定子铁心、右V形球面定子铁心、前V形球面定子铁心、后V形球面定子铁心、上压环、下压环、上定子锁母和下定子锁母均位于定子套筒径向外侧，左V形球面定子铁心位于定子套筒左端径向外侧，右V形球面定子铁心位于定子套筒右端径向外侧，前V形球面定子铁心位于定子套筒前端径向外侧，后V形球面定子铁心位于定子套筒后端径向外侧，上压环和下压环分别位于左V形球面定子铁心、右V形球面定子铁心、前V形球面定子铁心和后V形球面定子铁心的上端和下端，并通过上压环的环形槽和下压环的环形槽限制左V形球面定子铁心、右V形球面定子铁心、前V形球面定子铁心和后V形球面定子铁心径向平动，上定子锁母位于上压环上端和定子套筒径向外侧，下定子锁母位于下压环下端和定子套筒径向外侧，上定子锁母和下定子锁母通过与定子套筒的螺纹配合将左V形球面定子铁心、右V形球面定子铁心、前V形球面定子铁心、后V形球面定子铁心、上压环和下压环固定安装在定子套筒上，球面转子叠片位于转子套筒径向内侧，并通过转子锁母固定安装在转子套筒上，球面转子叠片内球面与左V形球面定子铁心外球面、右V形球面定子铁心外球面、前V形球面定子铁心外球面和后V形球面定子铁心外球面留有一定的间隙，形成空气气隙。

所述的左V形球面定子铁心、右V形球面定子铁心、前V形球面定子铁心和后V形球面定子铁心均为1J22导磁块材材料。所述的左V形球面定子铁心、右V形球面定子铁心、前V形球面定子铁心和后V形球面定子铁心球面磁极的外球面半径相等，且球心完全重合。所述的左V形球面定子铁心、右V形球面定子铁心、前V形球面定子铁心和后V形球面定子铁心球面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。所述的球面转子叠片为1J22导磁叠片材料，叠片厚度为0.1mm，其叠片方向为横向。所述的左V形球面定子铁心、右V形球面定子铁心、前V形球面定子铁心和后V形球面定子铁心球面磁极的外球面半径小于球面转子叠片内球面在径向截面内的最小半径。

本发明的外转子径向球面纯电磁磁轴承，便于装配、无扭转负力矩、径向四通道完全解耦、两自由度。其原理是：

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V形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V形球面定子铁心下磁极面回到左V形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V形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V形球面定子铁心下磁极面回到右V形球面定子铁心上磁极面；径向+Y通道的电磁磁路为：磁通从前V形球面定子铁心右磁极面出发，通过气隙、球面转子叠片、气隙、前V形球面定子铁心左磁极面回到前V形球面定子铁心右磁极面；径向-Y通道的电磁磁路为：磁通从后V形球面定子铁心右磁极面出发，通过气隙、球面转子叠片、气隙、后V形球面定子铁心左磁极面回到后V形球面定子铁心右磁极面。

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。当磁轴承转子发生偏转时，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内球面的球心。如果飞轮转子质心与球面转子叠片球面的球心重合，各磁极处的电磁力对飞轮转子产生的合力矩为零，即转子处于气隙内任何位置，磁轴承都不会产生径向扭动干扰力矩。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，避免了径向平动控制对扭动控制的干扰，提高了磁悬浮飞轮控制精度和输出力矩精度，与永磁偏置球面磁轴承相比，断电状态下，磁轴承内没有磁场，定转子间无吸力，非常有利于磁轴承装配。此外，磁轴承径向四个通道间的磁路完全解耦，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，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V形球面定子铁心1A、右V形球面定子铁心1B、前V形球面定子铁心1C、后V形球面定子铁心1D、激磁线圈2、上压环3A、下压环3B、上定子锁母4A、下定子锁母4B和定子套筒5；转子系统主要包括：球面转子叠片6、转子套筒7和转子锁母8。左V形球面定子铁心1A组成两个磁极，右V形球面定子铁心1B组成两个磁极，前V形球面定子铁心1C组成两个磁极，后V形球面定子铁心1D组成两个磁极，左V形球面定子铁心1A、右V形球面定子铁心1B、前V形球面定子铁心1C和后V形球面定子铁心1D组成磁轴承左右前后8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子磁极绕制有激磁线圈2，左V形球面定子铁心1A、右V形球面定子铁心1B、前V形球面定子铁心1C、后V形球面定子铁心1D、上压环3A、下压环3B、上定子锁母4A和下定子锁母4B均位于定子套筒5径向外侧，左V形球面定子铁心1A位于定子套筒5左端径向外侧，右V形球面定子铁心1B位于定子套筒5右端径向外侧，前V形球面定子铁心1C位于定子套筒5前端径向外侧，后V形球面定子铁心位于定子套筒5后端径向外侧，上压环3A和下压环3B分别位于左V形球面定子铁心1A、右V形球面定子铁心1B、前V形球面定子铁心1C和后V形球面定子铁心1D的上端和下端，并通过上压环3A的环形槽和下压环3B的环形槽限制左V形球面定子铁心1A、右V形球面定子铁心1B、前V形球面定子铁心1C和后V形球面定子铁心1D径向平动，上定子锁母4A位于上压环3A上端和定子套筒5径向外侧，下定子锁母4B位于下压环3B下端和定子套筒5径向外侧，上定子锁母4A和下定子锁母4B通过与定子套筒5的螺纹配合将左V形球面定子铁心1A、右V形球面定子铁心1B、前V形球面定子铁心1C、后V形球面定子铁心1D、上压环3A和下压环3B固定安装在定子套筒5上，球面转子叠片6位于转子套筒7径向内侧，并通过转子锁母8固定安装在转子套筒7上，球面转子叠片6内球面与左V形球面定子铁心1A外球面、右V形球面定子铁心1B外球面、前V形球面定子铁心1C外球面和后V形球面定子铁心1D外球面留有一定的间隙，形成空气气隙9。

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V形球面定子铁心1A、右V形球面定子铁心1B、前V形球面定子铁心1C和后V形球面定子铁心1D分别位于左端径向外侧、右端径向外侧、前端径向外侧和后端径向外侧，上压环3A和下压环3B分别位于左V形球面定子铁心1A、右V形球面定子铁心1B、前V形球面定子铁心1C和后V形球面定子铁心1D的上端和下端，并通过上压环3A的环形槽和下压环3B的环形槽限制左V形球面定子铁心1A、右V形球面定子铁心1B、前V形球面定子铁心1C和后V形球面定子铁心1D径向平动，上定子锁母4A位于上压环3A上端和定子套筒5径向外侧，下定子锁母4B位于下压环3B下端和定子套筒5径向外侧，上定子锁母4A和下定子锁母4B通过与定子套筒5的螺纹配合将左V形球面定子铁心1A、右V形球面定子铁心1B、前V形球面定子铁心1C、后V形球面定子铁心1D、上压环3A和下压环3B固定安装在定子套筒5上。

图4为本发明中转子系统的剖视图，球面转子叠片6为1J22导磁叠片材料，叠片厚度为0.1mm，其叠片方向为横向，叠片间涂一层厚度为1μm环氧树脂，并通过转子锁母8固定安装在转子套筒7内，待真空条件下烘干后加工。

图5a为本发明中左V形球面定子铁心1A、右V形球面定子铁心1B、前V形球面定子铁心1C和后V形球面定子铁心1D的剖视图，图5b为本发明中左V形球面定子铁心1A、右V形球面定子铁心1B、前V形球面定子铁心1C和后V形球面定子铁心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，每个球面磁极采用极靴结构，用于减小高转速下的涡流损耗和等效阻力矩。

图6a为本发明中球面转子叠片6的剖视图，图6b为本发明中球面转子叠片6的三维结构示意图，其材料为1J22导磁叠片材料，厚度为0.1mm，其叠片方向为横向，飞轮转子处于平衡位置时，球面转子叠片6的球心与左V形球面定子铁心1A、右V形球面定子铁心1B、前V形球面定子铁心1C和后V形球面定子铁心1D的球心重合。

图7a为本发明中定子套筒5的剖视图，图7b为本发明中定子套筒5的三维结构示意图，其材料为无磁3J40合金，外圆柱面上的四个均匀分布的梯形台阶用于限制左V形球面定子铁心1A、右V形球面定子铁心1B、前V形球面定子铁心1C和后V形球面定子铁心1D圆周安装位置，确保左V形球面定子铁心1A、右V形球面定子铁心1B、前V形球面定子铁心1C和后V形球面定子铁心1D沿圆周均匀固定安装。

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 (6)

1.一种外转子径向球面纯电磁磁轴承，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V形球面定子铁心(1A)、右V形球面定子铁心(1B)、前V形球面定子铁心(1C)、后V形球面定子铁心(1D)、激磁线圈(2)、上压环(3A)、下压环(3B)、上定子锁母(4A)、下定子锁母(4B)和定子套筒(5)；

所述转子系统主要包括：球面转子叠片(6)、转子套筒(7)和转子锁母(8)；

所述左V形球面定子铁心(1A)组成两个磁极，右V形球面定子铁心(1B)组成两个磁极，前V形球面定子铁心(1C)组成两个磁极，后V形球面定子铁心(1D)组成两个磁极，共组成磁轴承左右前后8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子磁极绕制有激磁线圈(2)；

所述左V形球面定子铁心(1A)、右V形球面定子铁心(1B)、前V形球面定子铁心(1C)、后V形球面定子铁心(1D)、上压环(3A)、下压环(3B)、上定子锁母(4A)和下定子锁母(4B)均位于定子套筒(5)径向外侧，左V形球面定子铁心(1A)位于定子套筒(5)左端径向外侧，右V形球面定子铁心(1B)位于定子套筒(5)右端径向外侧，前V形球面定子铁心(1C)位于定子套筒(5)前端径向外侧，后V形球面定子铁心位于定子套筒(5)后端径向外侧，上压环(3A)和下压环(3B)分别位于左V形球面定子铁心(1A)、右V形球面定子铁心(1B)、前V形球面定子铁心(1C)和后V形球面定子铁心(1D)的上端和下端，并通过上压环(3A)的环形槽和下压环(3B)的环形槽限制左V形球面定子铁心(1A)、右V形球面定子铁心(1B)、前V形球面定子铁心(1C)和后V形球面定子铁心(1D)径向平动，上定子锁母(4A)位于上压环(3A)上端和定子套筒(5)径向外侧，下定子锁母(4B)位于下压环(3B)下端和定子套筒(5)径向外侧，上定子锁母(4A)和下定子锁母(4B)通过与定子套筒(5)的螺纹配合将左V形球面定子铁心(1A)、右V形球面定子铁心(1B)、前V形球面定子铁心(1C)、后V形球面定子铁心(1D)、上压环(3A)和下压环(3B)固定安装在定子套筒(5)上，球面转子叠片(6)位于转子套筒(7)径向内侧，并通过转子锁母(8)固定安装在转子套筒(7)上，球面转子叠片(6)内球面与左V形球面定子铁心(1A)外球面、右V形球面定子铁心(1B)外球面、前V形球面定子铁心(1C)外球面和后V形球面定子铁心(1D)外球面留有间隙，形成空气气隙(9)。

2.根据权利要求1所述的外转子径向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：

所述的左V形球面定子铁心(1A)、右V形球面定子铁心(1B)、前V形球面定子铁心(1C)和后V形球面定子铁心(1D)均为1J22导磁块材材料。

3.根据权利要求2所述的外转子径向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：

所述的左V形球面定子铁心(1A)、右V形球面定子铁心(1B)、前V形球面定子铁心(1C)和后V形球面定子铁心(1D)球面磁极的外球面半径相等，且球心完全重合。

4.根据权利要求3所述的外转子径向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：

所述的左V形球面定子铁心(1A)、右V形球面定子铁心(1B)、前V形球面定子铁心(1C)和后V形球面定子铁心(1D)球面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。

5.根据权利要求4所述的外转子径向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：

所述的球面转子叠片(6)为1J22导磁叠片材料，叠片厚度为0.1mm，其叠片方向为横向。

6.根据权利要求5所述的外转子径向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：

所述的左V形球面定子铁心(1A)、右V形球面定子铁心(1B)、前V形球面定子铁心(1C)和后V形球面定子铁心(1D)球面磁极的外球面半径小于球面转子叠片(6)内球面在径向截面内的最小半径。