CN106122269A - 一种五自由度恒流源偏置外转子球形磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种五自由度恒流源偏置外转子球形磁轴承，包括球形的转子，转子内部中央有三个定子，上部定子和下部定子以镜面对称的方式位于中部定子的上下两侧，上部定子和下部定子为结构相同的半球状，上部定子外表面上，沿着圆周方向每隔90度开有上部轴向槽，上部定子的轴向中部的外表面上沿着圆周方向开上部环形径向槽，上部定子的上层磁极上绕有轴向控制线圈，上部定子的下层磁极上绕有径向控制线圈，下部定子的上层磁极上绕有径向控制线圈，下部定子的下层磁极上绕有轴向控制线圈，在中部定子的轴向中部沿圆周方向开有中部径向槽，中部径向槽中放置有恒流源偏置线圈；实现径向和轴向的完全解耦，提高倾斜恢复能力。

Description

一种五自由度恒流源偏置外转子球形磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非机械接触的磁轴承，尤其涉及一种球形磁轴承，可作为磁悬浮陀螺仪、磁悬浮分子泵、磁悬浮动量轮等要求高速、高精度控制、洁净无污染、长寿命的机械设备的无接触悬浮支撑。

背景技术

磁悬浮轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间，实现转子与定子之间无机械接触的机电一体化产品，由于定子、转子之间不存在机械上的接触，所以磁悬浮转子可达到很高的运转转速，并且具有机械磨损小、能耗低、寿命长、无污染等优点，特别适合具有空间限制的超洁净、高速和真空等特殊场合的应用。并且，为使转子能够实现稳定的悬浮，需要在五自由度上都要进行约束。磁悬浮轴承分为纯电磁磁轴承和永磁偏置混合磁轴承，前者利用偏置电流产生偏置磁场，利用控制电流产生的控制磁场调节电磁力的大小，具有两个可控磁场。后者利用永磁体提供偏置磁场，电磁磁场提供辅助调节力。纯电磁磁轴承磁场具有可控程度高、断电状态下易于安装的优点，但存在功耗大、体积大的缺点，而永磁偏置混合磁轴承具有功耗低、体积小的优点，但由于永磁体磁场的存在而不利于产品的安装且偏置磁场不可控制。

恒流源偏置磁轴承是结合纯电磁磁轴承的磁场可控与永磁偏置混合磁轴承功耗低的优点提出的一种低成本、低功耗、偏置磁场可控且高可靠性的新型磁轴承。它由一个独立可调的恒流源提供偏置磁场，取代了纯电磁磁轴承中的偏置磁场需要经过功率放大器产生及永磁偏置混合磁轴承中的偏置磁场由永磁体产生的方式，而它的控制线圈的供电方式和永磁偏置磁轴承相同，即每个自由度经过一个双极性功率放大器来提供控制电流，从而产生控制磁场。其在磁悬浮鼓风机、磁悬浮电机、磁悬浮储能飞轮、磁悬浮动量轮、磁悬浮反应轮、磁悬浮控制力矩陀螺等高速运动场合有广泛应用的前景。

恒流源偏置球形磁轴承在一些应用场合具有明显的优势。比如在磁悬浮陀螺仪中，如果采用恒流源偏置球形磁轴承，则不仅使功耗减小且偏置磁场的刚度可调，而且当转子质心与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。在卫星姿态控制中，动量轮和反应轮的轴承作用很重要，传统的轴承会因为倾角过大快速失去向心稳定性，而如果采用恒流源偏置球形磁轴承，则可使其允许至少5度甚至15以上的倾角，增强了其向心稳定性。中国专利申请号为ZL201510029481.3的文献中提出了一种外转子球形径向纯电磁磁轴承，其偏置磁场和控制磁场都是由电磁铁产生的，偏置电流产生偏置磁场，控制电流产生控制磁场，所以它的结构简单，可控性好，但其每一个自由度上的两套绕组需要两个功率放大器来分别提供不同的电流，这样四个自由度就需要八个功率放大器，相比永磁偏置球形磁轴承，其四个自由度上需要的功率放大器个数翻了一倍，功耗也相应增加，且主动控制的自由度数目不足，而没有考虑到对轴向进行控制，因此其应用场合受到一定限制。

由于已有的恒流源偏置磁轴承为柱面，工作时，转子所受到电磁力始终垂直于磁极表面。当转子惯性轴偏离几何轴时，各个磁极面内的电磁力大小不想等，且都不过质心，即会对转子产生径向扭动的干扰力矩，迫使转子产生漂移，降低了转子的控制精度。为了更好地确保恒流源偏置磁轴承的控制精度。因此研究恒流源偏置球形磁轴承对增强转子向心稳定性提高其倾斜恢复能力具有重要意义。且外转子磁轴承具有结构紧凑、体积小等优点，在一些特殊要求的领域发挥着自己独特的优势，如用于支撑具有空间小、设计紧凑且具有最佳冷却效果等特点的外转子电机；支撑具有全密封、无泄漏、无污染等高洁净场合特点的新型外转子工业泵；支撑具有卓越的空间动力效率、尤其在清洁室系统、空气处理装置、空调、汽车和轨道技术中，具有显著节省空间等特点的外转子离心风机。

为了满足恒流源偏置外转子球形磁轴承在一些特殊场合发挥其更明显的优势，从结构和控制上减小球形磁轴承的体积，降低功耗和生产成本，简化控制方案，提高磁轴承的工作性能，需采用一些新的机械结构和磁路结构，不仅要保证轴承结构及尺寸精度，也要确保其具有较大的倾斜恢复能力，不仅要保证轴承的控制精度，也要确保其功耗尽可能地低。

发明内容

本发明的目的是为弥补恒流源偏置外转子球形磁轴承的空白，提出一种结构简单、体积小、功耗低、控制简单的五自由度恒流源偏置外转子球形磁轴承，实现径向和轴向的完全解耦，提高倾斜恢复能力。

本发明采用的技术方案是：包括球形的转子，转子上部和下部各有一个开口，转子内部中央有三个定子，转轴由转子的下部开口伸入转子内部，三个定子均空套在转轴上；三个定子分别为上部定子、中部定子和下部定子，上部定子和下部定子以镜面对称的方式位于中部定子的上下两侧，上部定子和下部定子为结构相同的半球状，中部定子是圆柱体状；在上部定子外表面上，沿着圆周方向每隔90度开有一个上部轴向槽，上部轴向槽上端与转轴的上端开口贯通、下端与中部定子侧面贯通；在上部定子的轴向中部的外表面上沿着圆周方向开一个上部环形径向槽，该上部环形径向槽和四个轴向槽贯通且交叉形成上、下两层各四个定子磁极；下部定子上也设有四个下部轴向槽和一个下部环形径向槽，形成下部定子的上、下两层各四个定子磁极；上部定子的上层磁极上绕有上部轴向控制线圈，上部定子的下层磁极上绕有上部定子的径向控制线圈；下部定子的上层磁极上绕有下部定子的径向控制线圈，下部定子的下层磁极上绕有下部轴向控制线圈；在中部定子的轴向中部沿圆周方向开有中部径向槽，中部径向槽中放置有恒流源偏置线圈。

本发明与现有的技术相比的有益效果在于：

1、目前的恒流源偏置磁轴承，需要一个独立的功率放大器来使偏置线圈通电提供偏置磁通，即供偏置电流工作的功率放大器要一直工作，导致其功耗与成本一直较高，本发明采用了新的机械结构和磁路结构，偏置线圈直接通过一个恒流源提供偏置电流即可提供五自由度磁轴承所需的偏置磁通，省去了一个功率放大器，因而显著减小了功率放大器的体积和成本，大大降低了功率放大器的功耗，简化了驱动控制方法，提高了磁轴承的工作效率。

2、本发明结合恒流源偏置磁轴承本身固有的偏置磁场可控性，相比永磁偏置磁轴承，可以实时调节偏置磁场的刚度，是具有更优性能的新型磁轴承，其对提高磁轴承的承载力，实现承载力可调性且降低系统功耗，减少成本等具有重要意义。

3、本发明考虑到实现轴承径向和轴向的完全解耦控制，同时增加磁轴承实现主动控制的自由度数目，针对传统球形磁轴承难以完全解耦控制的局限，即磁轴承径向平动对扭动控制的干扰的局限，设计的集径向、轴向于一体的完全解耦的五自由度球形磁轴承，使得球形磁轴承在一些特殊的应用场合更好地发挥其优势。

附图说明

图1为本发明一种五自由度恒流源偏置外转子球形磁轴承的结构示意图；

图2为图1中的上半部分的三维结构示意图；

图3为图1中的坐标标示以及几何尺寸标示图；

图4为本发明的静态悬浮磁通分布简化图；

图5为本发明的径向二自由度悬浮磁通分布简化图；

图6为本发明的径向扭转二自由度悬浮磁通分布简化图；

图7为本发明的轴向悬浮磁通分布简化图。

图中：1.转轴；2. 上部定子；21.上部定子的上层磁极；22.上部定子的下层磁极；31.上部轴向控制线圈；41.上部径向控制线圈；51.上部轴向槽；6.上部环形径向槽；7.中部定子；8.中部径向槽；9.恒流源偏置线圈；10.下部定子；101.下部定子的上层磁极；102.下部定子的下层磁极；111.下部径向控制线圈；121.下部轴向控制线圈；131.下部轴向槽；14.下部环形径向槽；15.气隙；16-1、16-2.静态偏磁磁通；171.轴向控制磁通；172.径向控制磁通；18.转子。

具体实施方式

如图1所示，本发明由一个纵向转轴1、三个定子和一个转子18构成。转子18是球形，三个定子位于转子18内部中央，转子18上部和下部各有一个开口，纵向转轴1由转子18的下部开口伸入转子18内部，穿过三个定子中间的纵向通孔，三个定子均空套在纵向转轴1上。转子18上的上下两个开口的中心轴、三个定子的中心轴和纵向转轴1的中心轴这三个中心轴重合，均经过转子18的球心o。

三个定子分别为上部定子2、中部定子7和下部定子10，上部定子2和下部定子10均为半球状，结构完全相同。中部定子7是圆柱体状，位于转子18内部正中央，中部定子7的中心与转子18的球心o重合，上部定子2和下部定子10相对于中部定子7的中心上下对称布置，以镜面对称的方式位于中部定子7的上下两侧。中部定子7的上下端分别与上部定子2、下部定子10半球底面无缝固定连接，使上部定子2、中部定子7与下部定子10构成一个整体。中部定子7的外径小于上部定子2和下部定子10的外径。

如图2所示，再结合图1，在上部定子2外表面上，沿着圆周方向每隔90度进行开纵向槽，纵向槽上端与纵向转轴1的上端开口贯通，下端直至中部定子7，与中部定子7侧面贯通，这样形成了四个沿着圆周方向的上部轴向槽51，

在上部定子2的轴向中部，在上部定子2外表面上沿着圆周方向开一个上部环形径向槽6，一个上部环形径向槽6和四个上部轴向槽51均贯通，交叉形成上下两层定子磁极，上层有四个定子磁极21，下层有四个定子磁极22，上层定子磁极21和下层定子磁极22均由四个前后左右对称分布的磁极组成。上部定子的上层磁极21和下层磁极22的外表面与转子18内表面之间留有上部的气隙15。

由于下部定子10与上部定子2在中部定子7两侧镜像对称，下部定子10与上部定子2结构相同，开槽的方法和尺寸也相同，因此，同样地，下部定子10上也设有四个下部轴向槽131和一个环形径向槽14，四个轴向槽131和一个环形径向槽14交叉得到上下两层定子磁极，分别是上层磁极101和下层磁极102，下部定子的上层定子磁极101和下层定子磁极102均由四个前后左右对称分布的磁极组成。下部定子的上层磁极101、下层磁极102外表面与转子18内表面之间留有下部的气隙15，上部的气隙15和下部的气隙15气隙大小均相同，且上部的气隙15和下部的气隙15既可作为轴向气隙又可作为径向气隙。

在上部定子的上层磁极21上缠绕一套控制线圈，即为上部轴向控制线圈31，在上部定子的下层磁极22上缠绕一套控制线圈，即为上部径向控制线圈41，上部轴向控制线圈31和上部径向控制线圈41分别以星形连接的方式相连接，分别引出四个上部轴向控制线圈31的接线端子和四个上部径向控制线圈41的接线端子。同样，下部定子的上层磁极101上缠绕一套控制线圈，即为上部径向控制线圈111，在下部定子的下层磁极102上缠绕一套控制线圈，即为下部轴向控制线圈121，上部径向控制线圈111和下部轴向控制线圈121分别以星形连接的方式相连接，分别引出上部径向控制线圈111的接线端子和下部轴向控制线圈121的接线端子。

在中部定子7的轴向中部沿圆周方向开槽，形成一个圆柱状的径向槽，即为中部径向槽8，在该中部定子的径向槽8放置一套恒流源偏置线圈9。

从图2中可以看出，轴向磁极与径向磁极的位置上下相对应，错开角度为零度。相邻的两个径向线圈共用其间的一个轴向槽，例如相邻的两个上部径向控制线圈41共用其间的一个上部轴向槽51；相邻的两个轴向线圈也共用之间的一个轴向槽，例如相邻的两个上部轴向控制线圈31共用之间的一个上部轴向槽51。相邻的径向控制线圈和轴向控制线圈共用其间的一个上部环形径向槽6，其中一个轴向控制线圈31与其下方的对应的相邻径向控制线圈41共用两者之间的一个上部环形径向槽6。

参见图3，以转子18的球心，即中部定子7的几何中心为坐标原点建立三维直角坐标系，纵向垂直方向为z轴方向，相互垂直的水平方向分别是x轴和y轴方向，例如以图3中为例，左右水平方向为x轴方向，前后水平方向为y轴方向。上部定子2和下部定子10的外径是R，中部定子7的外径是r。上部定子的上部轴向槽51和下部定子的轴向槽131的开槽深度S1是外径R的一半，即S1=R/2。中部定子7的中部径向槽8的开槽深度S3为中部定子7的外径r的一半，即S3=r/2。上部定子2上的上部环形径向槽6的开槽深度S2为上部定子2的外径R的的一半，即S2= R/2，深度S2方向平行于x轴与y轴组成的平面。中部定子7的外径r等于上部轴向槽51和上部环形径向槽6的槽底部的最小外径。

根据磁回路要求，磁路部件需导磁性能良好、磁滞低并尽量降低涡流损耗与磁滞损耗，由此确定转子18采用硅钢片叠压而成，而上部定子2、中部定子7、下部定子10均采用电工纯铁加工而成。

要控制转子18在五自由度上的稳定悬浮，包括静态悬浮、在径向二自由度（X轴方向、Y轴方向）、径向扭转二自由度（绕x轴扭转角度为θ _x 、绕y轴扭转角度为θ _y ）和轴向单自由度（Z）上实现悬浮。

参见图4，静态悬浮的实现：本发明由恒流源偏置线圈9产生静态偏磁磁通，图7中带箭头的粗实线磁路。当恒流源偏置线圈9通正方向电流+I，其他线圈不通电，得到静态偏磁磁通，由于本发明左右前后完全对称，所以左右前后磁通分布情况完全相同，以下仅以左侧磁通分布情况为例。静态偏磁磁通经过的磁路分为两部分，一部分的静态偏磁磁通16-1从中部定子7的上表面出发，依次经过上部定子的上层磁极21、上部的气隙15、转子18、然后进入下部的气隙15、下部定子的下层磁极102，最后回到中部定子7的下表面。另一部分静态偏磁磁通16-2从中部定子7的上表面出发，依次经过上部定子的下层磁极22、上部的气隙15、然后进入转子18、下部的气隙15、下部定子的上层磁极101，最后回到中部定子7的下表面。当转子18处于中心平衡位置时，由于静态偏磁磁通16-1、16-2在上部的气隙15和下部的气隙15中分布均匀且对称，因此转子18可实现稳定悬浮，即只由恒流源偏置线圈9发挥作用，上部轴向控制线圈31、下部轴向控制线圈121、上部径向控制线圈41和下部径向控制线圈111内均不产生控制电流，因此功耗很低。

径向二自由度主动控制的实现：当恒流源偏置线圈9通正方向电流+I，即转子18实现静态悬浮。若X轴方向和Y轴方向的径向二自由度受到干扰而偏离平衡位置，上部径向控制线圈41与下部径向控制线圈111此时通以合适方向的电流产生相应方向的磁通，对恒流源偏置线圈9产生的静态偏磁磁通16-1、16-2产生增强或减弱的作用，进而产生相应的平衡力使转子18回平衡位置。下面以X方向扰动为例，假设转子18在径向X轴负方向上偏移原平衡位置，如图5所示，X轴正方向上的第一个上部径向控制线圈41中通正方向电流+I，而对面的X轴负方向上的第三个上部径向控制线圈41通负方向的电流-I，X轴正、负方向上的第一个、第三个下部径向控制线圈111也均通负方向的电流-I，其他径向线圈和轴向线圈不通电，这样，产生的径向控制磁通172与静态偏磁磁通16-1、16-2相叠加，使得上部定子的下层磁极22左侧外表面的上部的气隙15和下部定子的上层定子磁极101左侧外表面的下部的气隙15处磁通密度增大，即X轴正方向上磁通密度减小；而上部定子的下层磁极22右侧外表面的上部气隙15和下部定子的上层定子磁极101右侧外表面的下部气隙15处的磁通密度减小，即X轴负方向上磁通密度减小。气隙磁通的变化引起定子在磁极气隙处对转子18吸力的大小发生不同程度的变化，这样形成x轴负方向的合力，把转子18拉回原平衡位置。

同理，通过控制第二个、第四个上部径向控制线圈41和下部径向控制线圈111的电流方向，产生的径向控制磁通与静态偏磁磁通6-1、16-2相叠加，使得相应的气隙磁通发生变化，可对转子18在Y轴方向的偏离进行控制。

径向扭转二自由度主动控制的实现：当恒流源偏置线圈9通正方向电流+I，即转子18实现静态悬浮。若转子18在径向扭转二自由度（θ _x 、θ _y ）上受到干扰而偏离平衡位置，上部轴向控制线圈31和下部轴向控制线圈121通合适方向的电流与恒流源偏置线圈9形成的等效磁场可产生扭矩，使得转子18恢复原来的平衡状态。如图6所示，假设转子18受到扰动而在X轴负方向上发生扭转，扭转角度为θ _x 。此时对第一个上部轴向控制线圈31和其对面的第三个上部轴向控制线圈31通负方向的电流-I，第一个下部轴向控制线圈121和其对面的第三个下部轴向控制线圈121通正方向的电流+I，其他轴向线圈和径向线圈不通电，其产生的控制轴向磁通171与静态偏磁磁通16-1、16-2相叠加，使得上部定子的上层磁极21左侧外表面的上部气隙15和下部定子的下层磁极102右侧外表面的上部气隙15处磁通密度减小，上层磁极21右侧外表面的上部气隙15和下层磁极102左侧外表面的上部气隙15处磁通密度增大，这样形成恢复扭转力矩，使转子18回平衡位置。

轴向单自由度主动控制的实现：当恒流源偏置线圈9通正方向电流+I，即转子18实现静态悬浮。若转子18在轴向单自由度（Z轴方向）受到干扰而偏离平衡位置，通过调节上部轴向控制线圈31和下部轴向控制线圈121的电流，从而调节轴向气隙的轴向控制磁通。如图7所示，假设转子18在Z轴正方向发生偏移，此时对第一个上部轴向控制线圈31、第一个下部轴向控制线圈121通正方向电流+I，相对面的第三个上部轴向控制线圈31、第三个下部轴向控制线圈121通负方向的电流-I，其他轴向线圈和径向线圈不通电流，其产生的轴向控制磁通171与静态偏磁磁通16-1、16-2相叠加，使得上部定子的上层磁极21左侧外表面的上部气隙15、上层磁极21右侧外表面的上部气隙15处的磁通密度加大，下部定子的下层磁极102左侧外表面的下部气隙15、下层磁极102右侧外表面的下部气隙15处的磁通密度减小。气隙磁通的变化引起定子在磁极气隙处对转子的吸力大小发生不同程度的变化，由此产生轴向负方向上的力，使转子18回到平衡位置。

根据以上所述，便可以实现本发明。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种五自由度恒流源偏置外转子球形磁轴承，包括球形的转子（18），其特征是：转子（18）上部和下部各有一个开口，转子（18）内部中央有三个定子，转轴（1）由转子（18）的下部开口伸入转子（18）内部，三个定子均空套在转轴（1）上；三个定子分别为上部定子（2）、中部定子（7）和下部定子（10），上部定子（2）和下部定子（10）以镜面对称的方式位于中部定子（7）的上下两侧，上部定子（2）和下部定子（10）为结构相同的半球状，中部定子（7）是圆柱体状；在上部定子（2）外表面上，沿着圆周方向每隔90度开有一个上部轴向槽（51），上部轴向槽（51）上端与转轴（1）的上端开口贯通、下端与中部定子（7）侧面贯通；在上部定子（2）的轴向中部的外表面上沿着圆周方向开一个上部环形径向槽（6），该上部环形径向槽（6）和四个轴向槽（51）贯通且交叉形成上、下两层各四个定子磁极；下部定子（10）上也设有四个下部轴向槽（131）和一个下部环形径向槽（14），形成下部定子（10）的上、下两层各四个定子磁极；上部定子的上层磁极（21）上绕有上部轴向控制线圈（31），上部定子的下层磁极（22）上绕有上部定子的径向控制线圈（41），下部定子的上层磁极（101）上绕有下部定子的径向控制线圈（111），下部定子的下层磁极（102）上绕有下部轴向控制线圈（121）；在中部定子（7）的轴向中部沿圆周方向开有中部径向槽（8），中部径向槽（8）中放置有恒流源偏置线圈（9）。

2.根据权利要求1所述一种五自由度恒流源偏置外转子球形磁轴承，其特征是：转子（18）上的上下两个开口的中心轴、三个定子的中心轴和转轴（1）的中心轴重合，均经过转子（18）的球心，中部定子（7）的中心与转子（18）的球心重合，中部定子（7）的外径小于上部定子（2）和下部定子（10）的外径。

3.根据权利要求1所述一种五自由度恒流源偏置外转子球形磁轴承，其特征是：上部轴向槽（51）和下部轴向槽（131）的深度S1=R/2，中部径向槽（8）的深度S3=r/2，上部环形径向槽（6）和下部环形径向槽（14）的深度S2= R/2，R为上部定子（2）和下部定子（10）的外径R，r为中部定子（7）的外径。

4.根据权利要求1所述一种五自由度恒流源偏置外转子球形磁轴承，其特征是：中部定子（7）的外径等于上部轴向槽（51）和上部环形径向槽（6）的槽底部的最小外径。

5.根据权利要求1所述一种五自由度恒流源偏置外转子球形磁轴承，其特征是：对恒流源偏置线圈（9）通电，其他线圈不通电，实现静态悬浮。

6.根据权利要求1所述一种五自由度恒流源偏置外转子球形磁轴承，其特征是：对恒流源偏置线圈（9）通电，控制上部轴向控制线圈（31）、上部定子的径向控制线圈（41）、下部定子的径向控制线圈（111）、下部轴向控制线圈（121）的电流方向，实现径向二自由度、径向扭转二自由度和轴向单自由度上的悬浮。