CN105156474A - 一种双线圈径向球面纯电磁磁轴承 - Google Patents

Abstract

一种双线圈径向球面纯电磁磁轴承，主要由沿±X方向和±Y方向放置的四个定子铁心、第一线圈、第二线圈、套筒、气隙和转子组成。本发明采用球面磁轴承结构，使转轴所受电磁力始终经过球心，当转轴球心与质心重合时，电磁力相对转轴产生的扭矩为零，从而消除了径向扭动对轴向平动的干扰。此外，定子铁心采用特定的极靴结构，使圆周上的磁场分布更加均匀，定子铁心的激磁线圈采用双线圈结构，且两线圈匝数不同，匝数少的线圈电流可控，匝数大的线圈电流不变，与单线圈结构相比提高了电流响应速率，可控电流采用差动形式，进一步提高了磁轴承的控制精度。

Description

一种双线圈径向球面纯电磁磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非接触径向磁悬浮轴承，特别是一种具有双线圈的球面纯电磁磁轴承，可作为小型航天器中旋转部件的无接触支撑，特别适用于磁悬浮飞轮或磁悬浮控制力矩陀螺的非接触支承。

技术背景

随着航天技术的发展，卫星、空间站等航天器对于姿态控制的精度要求越来越高，传统机械动量轮已经不能满足要求。磁悬浮飞轮采用磁轴承支承，消除了机械轴承带来的磨损，提高了控制力矩的精度和稳定度。

现有磁悬浮飞轮或磁悬浮控制力矩陀螺结构中，一般采用两自由度径向磁轴承。在满足承载力的条件下，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。中国专利号201010256248.6和200710065049.5所述的永磁偏置径向磁轴承以及201010226322.X所述的带极靴的径向磁轴承磁极面均为柱面，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，从而降低了飞轮转子的控制精度和控制力矩精度，且极靴角度非常小，容易产生磁密饱和现象，且会影响磁密沿圆周分布的均匀性，进而间接导致控制精度的降低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种消除了干扰的、且具有双线圈的径向球面纯电磁磁轴承。

本发明的技术解决方案是：一种双线圈径向球面纯电磁磁轴承，主要包括：沿±X方向和±Y方向放置的四个定子铁心(1)、线圈(2)、套筒(3)、气隙(4)和转子(5)。其中径向轴承线圈(2)绕制于每个定子铁心(1)的两个磁极上，四个定子铁心(1)的径向内侧为转子(5)，定子铁心(1)和转子(5)之间形成径向磁气隙(4)，定子铁心(1)的径向外侧为套筒(3)，所述的每个定子铁心(1)磁极分为前部、中部和根部，其前部左侧边缘与右侧边缘形成的夹角为83°，沿圆周上相邻的两个定子铁心(1)磁极之间的距离为2mm，每个定子铁心(1)磁极前部的左侧边缘与中部连接处夹角为152°，中部的两个直线段之间的夹角为91°，中部与根部圆弧的切线方向的夹角为123°；同理，每个定子铁心(1)磁极前部的右侧边缘与中部连接处夹角为152°，中部的两个直线段之间的夹角为91°，中部与根部圆弧的切线方向的夹角为123°，每个定子铁心(1)的磁极上所缠绕的线圈(2)包括第一激磁线圈(2-1)和第二激磁线圈(2-2)，其中第一激磁线圈(2-1)靠近气隙(4)侧，第二激磁线圈(2-2)靠近磁极根部，第一激磁线圈(2-1)匝数为20～50匝，其控制电流可调，第二激磁线圈(2-2)匝数为100～200匝，其控制电流不变，第一激磁线圈(2-1)和第二激磁线圈(2-2)之间的径向间隙为1.5mm～2.8mm。

所述的每个定子铁心(1)磁极分为前部、中部和根部，其前部左侧边缘与右侧边缘形成的夹角为83°，沿圆周上相邻的两个定子铁心(1)磁极之间的距离为2mm，每个定子铁心(1)磁极前部的左侧边缘与中部连接处夹角为152°，中部的两个直线段之间的夹角为91°，中部与根部圆弧的切线方向的夹角为123°；同理，每个定子铁心(1)磁极前部的右侧边缘与中部连接处夹角为152°，中部的两个直线段之间的夹角为91°，中部与根部圆弧的切线方向的夹角为123°。

所述的定子铁心(1)和转子(5)均为1J50导磁实心块材。

所述的转子(5)的球面半径取19mm～49mm，转子(5)左球面所对应的球心角为84°，转子(5)左球面上侧边缘与转子(5)左球面上侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转子(5)左球面下侧边缘与转子(5)左球面下侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转子(5)右球面所对应的球心角为84°，转子(5)右球面上侧边缘与转子(5)右球面上侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转子(5)右球面下侧边缘与转子(5)右球面下侧圆弧边缘切线所成夹角为132°。

所述的径向气隙(4)大小为0.5mm～0.7mm。

当需要径向承重时，上定子铁心(1)的两个磁极的第一线圈匝数为30匝，第二线圈匝数为160匝，下定子铁心(1)的两个磁极的第一线圈匝数为20匝，第二线圈匝数为120匝。

本发明的原理是：本发明的定子铁心的磁极面结构采用球面结构，使转轴所受电磁力始终经过球心，当转轴球心与质心重合，电磁力相对转轴产生的扭矩为零，从而消除了径向扭动对轴向平动的干扰。定子铁心采用特定的极靴结构，使磁场沿圆周方向具有较好的均匀度，并且磁极部分的各个部分角度不同，可以使得磁极中磁密更加均匀，不会导致局部磁密饱和的现象，进一步提高了磁轴承的控制精度。定子铁心的激磁线圈采用双线圈结构，且两线圈匝数不同，匝数少的线圈电流可控，产生调节磁场，匝数多的线圈电流不变，产生偏置磁场，与单线圈结构相比，由于可控线圈的匝数少，因此电感小，可大大提高电流响应速率，可控电流采用差动形式。

本发明的方案与现有方案相比，主要优点在于：(1)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，消除了径向扭动对径向平动的干扰；(2)定子铁心采用特定的极靴结构，使磁场具有较好的圆周均匀度，并且磁极部分的各个部分角度不同，可以使得磁极中磁密更加均匀，不会导致局部磁密饱和的现象；(3)激磁线圈采用双线圈结构，且两线圈匝数不同，匝数少的线圈电流可控，匝数多的线圈电流不变，与单线圈结构相比提高了电流响应速率，可控电流采用差动形式，进一步提高了磁轴承的控制精度。

附图说明

图1为本发明技术解决方案的一种双线圈径向球面纯电磁磁轴承的剖视图；

图2为本发明技术解决方案的总装图；

图3为本发明技术解决方案的定子铁心结构图；

图4为本发明技术解决方案的三维定子铁心结构图；

图5为本发明技术解决方案的带有双线圈的三维定子铁心结构图；

图6为本发明技术解决方案的转子结构图。

具体实施方案

如图1和图2所示，一种双线圈径向球面纯电磁磁轴承，主要包括：沿±X方向和±Y方向放置的四个定子铁心(1)、线圈(2)、套筒(3)、气隙(4)和转子(5)。其中径向轴承线圈(2)绕制于每个定子铁心(1)的两个磁极上，四个定子铁心(1)的径向内侧为转子(5)，定子铁心(1)和转子(5)之间形成径向磁气隙(4)，定子铁心(1)的径向外侧为套筒(3)，所述的每个定子铁心(1)磁极分为前部、中部和根部，其前部左侧边缘与右侧边缘形成的夹角为83°，沿圆周上相邻的两个定子铁心(1)磁极之间的距离为2mm(如图2所示)，每个定子铁心(1)磁极前部的左侧边缘与中部连接处夹角为152°，中部的两个直线段之间的夹角为91°，中部与根部圆弧的切线方向的夹角为123°；同理，每个定子铁心(1)磁极前部的右侧边缘与中部连接处夹角为152°，中部的两个直线段之间的夹角为91°，中部与根部圆弧的切线方向的夹角为123°，每个定子铁心(1)的磁极上所缠绕的线圈(2)包括第一激磁线圈(2-1)和第二激磁线圈(2-2)，其中第一激磁线圈(2-1)靠近气隙(4)侧，第二激磁线圈(2-2)靠近磁极根部，第一激磁线圈(2-1)匝数为20～50匝，优选为29匝，其控制电流可调，第二激磁线圈(2-2)匝数为100～200匝，优选为168匝，其控制电流不变，第一激磁线圈(2-1)和第二激磁线圈(2-2)之间的径向间隙为1.5mm～2.8mm，优选为1.6mm。所述的径向气隙(4)大小为0.5mm～0.7mm，优选为0.55mm。

当需要径向承重时，比如需要径向磁轴承在Y方向上提供重力，则+Y方向上的定子铁心(1)的两个磁极的第一线圈匝数为30匝，第二线圈匝数为160匝，-Y方向上的定子铁心(1)的两个磁极的第一线圈匝数为20匝，第二线圈匝数为120匝，这样设计的目的是使得偏置磁场大小不同，使得承重方向的线圈电流实现最小化。

图3为定子铁心磁极结构图，图4为三维结构图，图5为每个定子磁极带有双线圈的定子铁心磁极结构图，所述的每个定子铁心(1)磁极分为前部、中部和根部，其前部左侧边缘与右侧边缘形成的夹角为83°，沿圆周上相邻的两个定子铁心(1)磁极之间的距离为2mm，每个定子铁心(1)磁极前部的左侧边缘与中部连接处夹角为152°，中部的两个直线段之间的夹角为91°，中部与根部圆弧的切线方向的夹角为123°；同理，每个定子铁心(1)磁极前部的右侧边缘与中部连接处夹角为152°，中部的两个直线段之间的夹角为91°，中部与根部圆弧的切线方向的夹角为123°。

所述各个角度的确定是通过大量的仿真和实验得到的最优角度值，可以使得气隙磁场在圆周方向上的波动最小，峰峰值可在15mT以下，并且磁密在定子铁心(1)磁极各个部分不会产生由于“磁密集中”而导致的饱和问题，定子铁心(1)和转子(5)均为1J50或1J22导磁块材材料，定子铁心(1)的球面半径取20mm～50mm，在本发明中定子铁心(1)的球面半径取23mm，且沿±X方向和±Y方向放置的各个定子铁心的外形尺寸完全相等，安装后各个球心完全重合。

图6为本发明技术解决方案的转子结构图，转子(5)的球面半径取19mm～49mm，在本实施例中转子(5)的球面半径取21.9mm，转子(5)左球面所对应的球心角为84°，转子(5)左球面左侧边缘与转子(5)左球面左侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转子(5)左球面右侧边缘与转子(5)左球面右侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转子(5)右球面所对应的球心角为84°，转子(5)右球面左侧边缘与转子(5)右球面左侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转子(5)右球面右侧边缘与转子(5)右球面右侧圆弧边缘切线所成夹角为132°。

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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种双线圈径向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：主要包括：沿±X方向和±Y方向放置的四个定子铁心(1)、线圈(2)、套筒(3)、气隙(4)和转子(5)；其中径向轴承线圈(2)绕制于每个定子铁心(1)的两个磁极上，四个定子铁心(1)的径向内侧为转子(5)，定子铁心(1)和转子(5)之间形成径向磁气隙(4)，定子铁心(1)的径向外侧为套筒(3)，所述的每个定子铁心(1)磁极分为前部、中部和根部，其前部左侧边缘与右侧边缘形成的夹角为83°，沿圆周上相邻的两个定子铁心(1)磁极之间的距离为2mm，每个定子铁心(1)磁极前部的左侧边缘与中部连接处夹角为152°，中部的两个直线段之间的夹角为91°，中部与根部圆弧的切线方向的夹角为123°；同理，每个定子铁心(1)磁极前部的右侧边缘与中部连接处夹角为152°，中部的两个直线段之间的夹角为91°，中部与根部圆弧的切线方向的夹角为123°，每个定子铁心(1)的磁极上所缠绕的线圈(2)包括第一激磁线圈(2-1)和第二激磁线圈(2-2)，其中第一激磁线圈(2-1)靠近气隙(4)侧，第二激磁线圈(2-2)靠近磁极根部，第一激磁线圈(2-1)匝数为20～50匝，其控制电流可调，第二激磁线圈(2-2)匝数为100～200匝，其控制电流不变，第一激磁线圈(2-1)和第二激磁线圈(2-2)之间的径向间隙为1.5mm～2.8mm。

2.根据权利要求1所述的双线圈径向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：所述的定子铁心(1)和转子(5)均为1J50导磁实心块材。

3.根据权利要求1所述的双线圈径向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：所述的转子(5)的球面半径取19mm～49mm，转子(5)左球面所对应的球心角为84°，转子(5)左球面上侧边缘与转子(5)左球面上侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转子(5)左球面下侧边缘与转子(5)左球面下侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转子(5)右球面所对应的球心角为84°，转子(5)右球面上侧边缘与转子(5)右球面上侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转子(5)右球面下侧边缘与转子(5)右球面下侧圆弧边缘切线所成夹角为132°。

4.根据权利要求1所述的双线圈径向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：所述的径向气隙(4)大小为0.5mm～0.7mm。

5.根据权利要求1所述的双线圈径向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：当需要径向承重时，上定子铁心(1)的两个磁极的第一线圈匝数为30匝，第二线圈匝数为160匝，下定子铁心(1)的两个磁极的第一线圈匝数为20匝，第二线圈匝数为120匝。