CN104895921B - 一种两自由度洛伦兹力外转子球面磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两自由度洛伦兹力外转子球面磁轴承，包括线圈、隔磁凸台、定子球面导磁环、隔磁螺钉、环氧树脂胶、安装座、球面磁钢、隔磁环、转子导磁环、转子锁母和转子套筒，两对线圈分别用于磁轴承径向X和Y的偏转控制，两对线圈通过环氧树脂胶固定在定子球面导磁环上，球面磁钢位于线圈径向外侧，球面磁钢内球面与转子导磁环外球面留有一定的球壳间隙，形成空气气隙。由于采用了球壳状气隙，转子可以大角度偏转，克服了现有柱状气隙洛伦兹力磁轴承偏转角较小的缺点。此外，转子偏转至任何位置时，通电线圈电流产生的安培力始终与线圈所在球面相切，即每对线圈的安培力组成的力偶的力臂为恒值，从而提高了洛伦兹力的控制力矩精度。

Description

一种两自由度洛伦兹力外转子球面磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，尤其涉及一种两自由度洛伦兹力外转子球面磁轴承。

背景技术

磁悬浮轴承分为磁阻式磁轴承和洛伦兹力磁轴承，前者通过改变磁轴承的气隙磁阻来改变磁通的大小，从而控制磁轴承输出的电磁力。由于电磁力与磁通的平方成正比，磁通与线圈磁动势成正比，因而磁阻式磁轴承电磁力与线圈控制电流成平方关系，采用线性化后的线性范围较窄。洛伦兹力磁轴承的气隙磁阻和磁动势为恒值，气隙内的磁密和磁通不变，输出电磁力与线圈控制电流成正比，具有较好的线性度。因而洛伦兹力磁轴承非常适合于高精度控制，可用作磁悬浮大力矩飞轮和磁悬浮敏感陀螺径向两自由度偏转悬浮支承。

现有技术中，授权专利201110253688.0所述的一种大力矩磁悬浮飞轮采用了一种两自由度洛伦兹力磁轴承，通过控制沿圆周方向均匀放置的四个方形线圈电流的大小和方向，实现了径向两个偏转自由度的悬浮控制。该方案中的洛伦兹力磁轴承定子为圆柱状的杯形定子，磁间隙为圆环柱状，洛伦兹力磁轴承只能发生很小角度的偏转，一般为1°～3°，导致磁悬浮大力矩飞轮输出大力矩时间较短和最大输出陀螺力矩较小。由于导磁材料的边缘效应，导致该方案中气隙内部磁场在径向方向不均匀，致使洛伦兹力磁轴承发生偏转时作用于控制线圈的磁密发生改变，从而降低了电磁力的精度。此外，该方案中洛伦兹力杯形定子为导热性较差的非金属材料，不易于散热，致使磁轴承工作时温度偏高，降低了磁轴承自身的可靠性和寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够大角度偏转、易于散热、高控制力矩精度的两自由度洛伦兹力球面磁轴承。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的两自由度洛伦兹力外转子球面磁轴承，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：左线圈、右线圈、前线圈、后线圈、左隔磁凸台、右隔磁凸台、前隔磁凸台、后隔磁凸台、定子球面导磁环、左隔磁螺钉、右隔磁螺钉、前隔磁螺钉、后隔磁螺钉、环氧树脂胶和安装座；转子系统主要包括：上球面磁钢、下球面磁钢、隔磁环、转子导磁环、转子锁母和转子套筒；左线圈、右线圈、前线圈和后线圈成对使用，左线圈和右线圈组成一对用于径向X向偏转控制，前线圈和后线圈组成一对用于径向Y向偏转控制，左线圈缠绕在左隔磁凸台上，右线圈缠绕在右隔磁凸台上，前线圈缠绕在前隔磁凸台上，后线圈缠绕在后隔磁凸台上，左隔磁凸台位于定子球面导磁环径向左侧，并通过左隔磁螺钉固定在定子球面导磁环外球面上，右隔磁凸台位于定子球面导磁环径向右侧，并通过右隔磁螺钉固定在定子球面导磁环外球面上，前隔磁凸台位于定子球面导磁环径向前侧，并通过前隔磁螺钉固定在定子球面导磁环外球面上，后隔磁凸台位于定子球面导磁环径向后侧，并通过后隔磁螺钉固定在定子球面导磁环外球面上，左线圈、右线圈、前线圈和后线圈通过环氧树脂胶固化安装在定子球面导磁环上，左线圈、右线圈、前线圈、后线圈、左隔磁凸台、右隔磁凸台、前隔磁凸台、后隔磁凸台、定子球面导磁环、左隔磁螺钉、右隔磁螺钉、前隔磁螺钉、后隔磁螺钉和环氧树脂胶位于安装座的上端，并通过定子球面导磁环与安装座的螺纹连接固定安装在安装座上，上球面磁钢和下球面磁钢分别位于左线圈、右线圈、前线圈和后线圈的径向外侧上方和径向外侧下方，隔磁环位于上球面磁钢和下球面磁钢之间，转子导磁环位于上球面磁钢、下球面磁钢和隔磁环的径向外侧，转子锁母位于下球面磁钢和转子导磁环的下端，上球面磁钢、下球面磁钢、隔磁环、转子导磁环和转子锁母位于转子套筒的径向内侧，并通过转子锁母与转子套筒的螺纹连接固定安装在转子套筒的径向内侧，上球面磁钢和下球面磁钢与定子球面导磁环间留有一定的间隙，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两自由度洛伦兹力球面磁轴承，由于采用了球壳状气隙结构，与柱壳状气隙的洛伦兹力磁轴承相比，增加了洛伦兹力磁轴承的偏转角度，同时不改变作用于定子线圈的磁场强度，提高了磁轴承偏转控制力矩精度。与双边转子的洛伦兹力磁轴承相比，本发明由于采用了单边外转子结构，其线圈直接安装在定子导磁环上，通电线圈产生的热量可迅速通过高导热系统的导磁环直接传导出去，降低了磁轴承系统的温升，提高了系统可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的两自由度洛伦兹力外转子球面磁轴承的径向X向剖视图；

图2为本发明实施例提供的两自由度洛伦兹力外转子球面磁轴承的径向Y向剖视图；

图3a为本发明实施例中的定子系统的径向X向截面图；

图3b为本发明实施例中的定子系统的径向Y向截面图；

图4为本发明实施例中的定子系统中左线圈、右线圈、前线圈、后线圈、左隔磁凸台、右隔磁凸台、前隔磁凸台、后隔磁凸台、定子球面导磁环、左隔磁螺钉、右隔磁螺钉、前隔磁螺钉和后隔磁螺钉的装配示意图；

图5为本发明实施例中的转子系统的剖视图；

图6a为本发明实施例中的定子球面导磁环的截面图；

图6b为本发明实施例中的定子球面导磁环的三维结构示意图；

图7a为本发明实施例中的上球面磁钢和下球面磁钢的截面图；

图7b为本发明实施例中的上球面磁钢和下球面磁钢的三维结构示意图。

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。

本发明的两自由度洛伦兹力外转子球面磁轴承，其较佳的具体实施方式是：

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：左线圈、右线圈、前线圈、后线圈、左隔磁凸台、右隔磁凸台、前隔磁凸台、后隔磁凸台、定子球面导磁环、左隔磁螺钉、右隔磁螺钉、前隔磁螺钉、后隔磁螺钉、环氧树脂胶和安装座；转子系统主要包括：上球面磁钢、下球面磁钢、隔磁环、转子导磁环、转子锁母和转子套筒；左线圈、右线圈、前线圈和后线圈成对使用，左线圈和右线圈组成一对用于径向X向偏转控制，前线圈和后线圈组成一对用于径向Y向偏转控制，左线圈缠绕在左隔磁凸台上，右线圈缠绕在右隔磁凸台上，前线圈缠绕在前隔磁凸台上，后线圈缠绕在后隔磁凸台上，左隔磁凸台位于定子球面导磁环径向左侧，并通过左隔磁螺钉固定在定子球面导磁环外球面上，右隔磁凸台位于定子球面导磁环径向右侧，并通过右隔磁螺钉固定在定子球面导磁环外球面上，前隔磁凸台位于定子球面导磁环径向前侧，并通过前隔磁螺钉固定在定子球面导磁环外球面上，后隔磁凸台位于定子球面导磁环径向后侧，并通过后隔磁螺钉固定在定子球面导磁环外球面上，左线圈、右线圈、前线圈和后线圈通过环氧树脂胶固化安装在定子球面导磁环上，左线圈、右线圈、前线圈、后线圈、左隔磁凸台、右隔磁凸台、前隔磁凸台、后隔磁凸台、定子球面导磁环、左隔磁螺钉、右隔磁螺钉、前隔磁螺钉、后隔磁螺钉和环氧树脂胶位于安装座的上端，并通过定子球面导磁环与安装座的螺纹连接固定安装在安装座上，上球面磁钢和下球面磁钢分别位于左线圈、右线圈、前线圈和后线圈的径向外侧上方和径向外侧下方，隔磁环位于上球面磁钢和下球面磁钢之间，转子导磁环位于上球面磁钢、下球面磁钢和隔磁环的径向外侧，转子锁母位于下球面磁钢和转子导磁环的下端，上球面磁钢、下球面磁钢、隔磁环、转子导磁环和转子锁母位于转子套筒的径向内侧，并通过转子锁母与转子套筒的螺纹连接固定安装在转子套筒的径向内侧，上球面磁钢和下球面磁钢与定子球面导磁环间留有一定的间隙，形成空气气隙。

所述的左隔磁凸台、右隔磁凸台、前隔磁凸台、后隔磁凸台、左隔磁螺钉、右隔磁螺钉、前隔磁螺钉和后隔磁螺钉均为绝缘非金属聚酰亚胺材料。

所述的定子球面导磁环和转子导磁环均为电工纯铁DT4C或1J50导磁块材材料。

所述的环氧树脂胶为双组份胶水，两种胶水比例为1:2，其固化环境为常温真空环境，固化时间不低于24小时。

所述的上球面磁钢和下球面磁钢为钕铁硼合金或衫钴合金硬磁材料，均为径向充磁，充磁方向相反，且两者外形尺寸完全一致。

所述的空气气隙大小为6mm～8mm。

上述方案的原理是：

本发明中的两自由度洛伦兹力磁轴承为两自由度径向偏转控制磁轴承，可控制转子沿径向X、Y方向的偏转，即利用两对成对通电线圈产生的大小相等方向相反的安培力组成力偶，控制径向两自由度的偏转。如图1、2中箭头方向所示，本发明的永磁磁路为：磁通从上球面磁钢N极出发，穿过空气气隙上端，到达定子球面导磁环外球面上端，随后从定子球面导磁环外球面下端流出，穿过空气气隙下端，到达下球面磁钢S极，并从下球面磁钢N极流出，经转子导磁环回到上球面磁钢S极。

洛伦兹力磁轴承工作过程中，空气气隙不会发生变化，永磁磁路的整个磁路不会改变，气隙内的磁密和磁通为恒值，磁轴承输出的径向偏转力与线圈控制电流有关，且成线性关系，即偏转力和偏转力矩与控制电流具有很好的线性关系。此外，由于采用了球壳状气隙结构，磁轴承能够实现更大角度的偏转能够更长时间输出力矩或瞬间输出更大的陀螺力矩，且磁轴承转子偏转后，成对通电线圈产生的安培力组成的力偶的力臂始终为球面直径，即力臂为恒值，从而可以提高洛伦兹力磁轴承输出的偏转力矩精度。除此之外，四个成对使用的线圈通过环氧树脂胶直接固化在定子球面导磁环外球面上，线圈直接与高导热系数的球面导磁环接触，有利于通电线圈热传导，降低了洛伦兹力磁轴承的温升，提高了磁轴承系统的可靠性。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明由于采用了球壳状气隙结构，与柱壳状气隙的洛伦兹力磁轴承相比，增加了洛伦兹力磁轴承的偏转角度，同时不改变作用于定子线圈的磁场强度，提高了磁轴承偏转控制力矩精度。与双边转子的洛伦兹力磁轴承相比，本发明由于采用了单边外转子结构，其线圈直接安装在定子导磁环上，通电线圈产生的热量可迅速通过高导热系统的导磁环直接传导出去，降低了磁轴承系统的温升，提高了系统可靠性。

具体实施例：

如图1、2所示，一种两自由度洛伦兹力外转子球面磁轴承，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：左线圈1A、右线圈1B、前线圈1C、后线圈1D、左隔磁凸台2A、右隔磁凸台2B、前隔磁凸台2C、后隔磁凸台2D、定子球面导磁环3、左隔磁螺钉4A、右隔磁螺钉4B、前隔磁螺钉4C、后隔磁螺钉4D、环氧树脂胶5和安装座6；转子系统主要包括：上球面磁钢7A、下球面磁钢7B、隔磁环8、转子导磁环9、转子锁母10和转子套筒11；左线圈1A、右线圈1B、前线圈1C和后线圈1D成对使用，左线圈1A和右线圈1B组成一对用于径向X向偏转控制，前线圈1C和后线圈1D组成一对用于径向Y向偏转控制，左线圈1A缠绕在左隔磁凸台2A上，右线圈1B缠绕在右隔磁凸台2B上，前线圈1C缠绕在前隔磁凸台2C上，后线圈1D缠绕在后隔磁凸台2D上，左隔磁凸台2A位于定子球面导磁环3径向左侧，并通过左隔磁螺钉4A固定在定子球面导磁环3外球面上，右隔磁凸台2B位于定子球面导磁环3径向右侧，并通过右隔磁螺钉4B固定在定子球面导磁环3外球面上，前隔磁凸台2C位于定子球面导磁环3径向前侧，并通过前隔磁螺钉4C固定在定子球面导磁环3外球面上，后隔磁凸台2D位于定子球面导磁环3径向后侧，并通过后隔磁螺钉4D固定在定子球面导磁环3外球面上，左线圈1A、右线圈1B、前线圈1C和后线圈1D通过环氧树脂胶5固化安装在定子球面导磁环3上，左线圈1A、右线圈1B、前线圈1C、后线圈1D、左隔磁凸台2A、右隔磁凸台2B、前隔磁凸台2C、后隔磁凸台2D、定子球面导磁环3、左隔磁螺钉4A、右隔磁螺钉4B、前隔磁螺钉4C、后隔磁螺钉4D和环氧树脂胶5位于安装座6的上端，并通过定子球面导磁环3与安装座6的螺纹连接固定安装在安装座6上，上球面磁钢7A和下球面磁钢7B分别位于左线圈1A、右线圈1B、前线圈1C和后线圈1D的径向外侧上方和径向外侧下方，隔磁环8位于上球面磁钢7A和下球面磁钢7B之间，转子导磁环9位于上球面磁钢7A、下球面磁钢7B和隔磁环8的径向外侧，转子锁母10位于下球面磁钢7B和转子导磁环9的下端，上球面磁钢7A、下球面磁钢7B、隔磁环8、转子导磁环9和转子锁母10位于转子套筒11的径向内侧，并通过转子锁母10与转子套筒11的螺纹连接固定安装在转子套筒11的径向内侧，上球面磁钢7A和下球面磁钢7B与定子球面导磁环3间留有一定的间隙，形成空气气隙12。

如图3a、图3b和图4所示，定子系统主要包括：左线圈1A、右线圈1B、前线圈1C、后线圈1D、左隔磁凸台2A、右隔磁凸台2B、前隔磁凸台2C、后隔磁凸台2D、定子球面导磁环3、左隔磁螺钉4A、右隔磁螺钉4B、前隔磁螺钉4C、后隔磁螺钉4D、环氧树脂胶5和安装座6，左线圈1A、右线圈1B、前线圈1C和后线圈1D分别缠绕在左隔磁凸台2A、右隔磁凸台2B、前隔磁凸台2C和后隔磁凸台2D上，左隔磁凸台2A、右隔磁凸台2B、前隔磁凸台2C和后隔磁凸台2D分别位于定子球面导磁环3的左侧、右侧、前侧和后侧，并分别通过左隔磁螺钉4A、右隔磁螺钉4B、前隔磁螺钉4C和后隔磁螺钉4D固定在定子球面导磁环3上，左线圈1A、右线圈1B、前线圈1C和后线圈1D通过环氧树脂胶5固化安装在定子球面导磁环3上，定子球面导磁环3通过螺纹连接安装在安装座6上。环氧树脂胶5为双组份胶水，两种胶水比例为1:2，其固化环境为常温真空环境，固化时间不低于24小时。

图5为本发明中转子系统的剖视图，上球面磁钢7A和下球面磁钢7B分别位于隔磁环8的上端和下端，转子导磁环9位于上球面磁钢7A、下球面磁钢7B和隔磁环8的径向外侧，转子锁母10位于下球面磁钢7B和转子导磁环9的下端，上球面磁钢7A、下球面磁钢7B、隔磁环8、转子导磁环9和转子锁母10位于转子套筒11的径向内侧，并通过转子锁母10与转子套筒11的螺纹连接固定安装在转子套筒11的径向内侧，磁轴承转子系统装配时，要求上球面磁钢7A和下球面磁钢7B的内球面球心完全重合。

图6a为本发明中定子球面导磁环3的截面图，图6b为本发明中定子球面导磁环3的三维结构示意图，其材料为电工纯铁DT4C或1J50导磁块材材料，通过外球面31与左隔磁凸台2A、右隔磁凸台2B、前隔磁凸台2C和后隔磁凸台2D的内球面配合，左螺纹孔32、右螺纹孔33、前螺纹孔34和后螺纹孔35分别用于与左隔磁螺钉4A、右隔磁螺钉4B、前隔磁螺钉4C和后隔磁螺钉4D螺纹连接，安装座螺纹36用于与安装座6螺纹连接。

图7a为本发明中上球面磁钢7A和下球面磁钢7B的截面图，图7b为本发明中上球面磁钢7A和下球面磁钢7B的三维结构示意图，其材料为钕铁硼合金或衫钴合金硬磁材料，两者外形尺寸完全一致，均为径向充磁，且充磁方向相反。

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)

1.一种两自由度洛伦兹力外转子球面磁轴承，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：左线圈(1A)、右线圈(1B)、前线圈(1C)、后线圈(1D)、左隔磁凸台(2A)、右隔磁凸台(2B)、前隔磁凸台(2C)、后隔磁凸台(2D)、定子球面导磁环(3)、左隔磁螺钉(4A)、右隔磁螺钉(4B)、前隔磁螺钉(4C)、后隔磁螺钉(4D)、环氧树脂胶(5)和安装座(6)；转子系统主要包括：上球面磁钢(7A)、下球面磁钢(7B)、隔磁环(8)、转子导磁环(9)、转子锁母(10)和转子套筒(11)；左线圈(1A)、右线圈(1B)、前线圈(1C)和后线圈(1D)成对使用，左线圈(1A)和右线圈(1B)组成一对用于径向X向偏转控制，前线圈(1C)和后线圈(1D)组成一对用于径向Y向偏转控制，左线圈(1A)缠绕在左隔磁凸台(2A)上，右线圈(1B)缠绕在右隔磁凸台(2B)上，前线圈(1C)缠绕在前隔磁凸台(2C)上，后线圈(1D)缠绕在后隔磁凸台(2D)上，左隔磁凸台(2A)位于定子球面导磁环(3)径向左侧，并通过左隔磁螺钉(4A)固定在定子球面导磁环(3)外球面上，右隔磁凸台(2B)位于定子球面导磁环(3)径向右侧，并通过右隔磁螺钉(4B)固定在定子球面导磁环(3)外球面上，前隔磁凸台(2C)位于定子球面导磁环(3)径向前侧，并通过前隔磁螺钉(4C)固定在定子球面导磁环(3)外球面上，后隔磁凸台(2D)位于定子球面导磁环(3)径向后侧，并通过后隔磁螺钉(4D)固定在定子球面导磁环(3)外球面上，左线圈(1A)、右线圈(1B)、前线圈(1C)和后线圈(1D)通过环氧树脂胶(5)固化安装在定子球面导磁环(3)上，左线圈(1A)、右线圈(1B)、前线圈(1C)、后线圈(1D)、左隔磁凸台(2A)、右隔磁凸台(2B)、前隔磁凸台(2C)、后隔磁凸台(2D)、定子球面导磁环(3)、左隔磁螺钉(4A)、右隔磁螺钉(4B)、前隔磁螺钉(4C)、后隔磁螺钉(4D)和环氧树脂胶(5)位于安装座(6)的上端，并通过定子球面导磁环(3)与安装座(6)的螺纹连接固定安装在安装座(6)上，上球面磁钢(7A)和下球面磁钢(7B)分别位于左线圈(1A)、右线圈(1B)、前线圈(1C)和后线圈(1D)的径向外侧上方和径向外侧下方，隔磁环(8)位于上球面磁钢(7A)和下球面磁钢(7B)之间，转子导磁环(9)位于上球面磁钢(7A)、下球面磁钢(7B)和隔磁环(8)的径向外侧，转子锁母(10)位于下球面磁钢(7B)和转子导磁环(9)的下端，上球面磁钢(7A)、下球面磁钢(7B)、隔磁环(8)、转子导磁环(9)和转子锁母(10)位于转子套筒(11)的径向内侧，并通过转子锁母(10)与转子套筒(11)的螺纹连接固定安装在转子套筒(11)的径向内侧，上球面磁钢(7A)和下球面磁钢(7B)与定子球面导磁环(3)间留有一定的间隙，形成空气气隙(12)。

2.根据权利要求1所述的两自由度洛伦兹力外转子球面磁轴承，其特征在于：所述的左隔磁凸台(2A)、右隔磁凸台(2B)、前隔磁凸台(2C)、后隔磁凸台(2D)、左隔磁螺钉(4A)、右隔磁螺钉(4B)、前隔磁螺钉(4C)和后隔磁螺钉(4D)均为绝缘非金属聚酰亚胺材料。

3.根据权利要求1所述的两自由度洛伦兹力外转子球面磁轴承，其特征在于：所述的定子球面导磁环(3)和转子导磁环(9)均为电工纯铁DT4C或1J50导磁块材材料。

4.根据权利要求1所述的两自由度洛伦兹力外转子球面磁轴承，其特征在于：所述的环氧树脂胶(5)为双组份胶水，两种胶水比例为1:2，其固化环境为常温真空环境，固化时间不低于24小时。

5.根据权利要求1所述的两自由度洛伦兹力外转子球面磁轴承，其特征在于：所述的上球面磁钢(7A)和下球面磁钢(7B)为钕铁硼合金或衫钴合金硬磁材料，均为径向充磁，充磁方向相反，且两者外形尺寸完全一致。

6.根据权利要求1所述的两自由度洛伦兹力外转子球面磁轴承，其特征在于：所述的空气气隙(12)大小为6mm～8mm。