CN106151271A - 一种五自由度外转子永磁偏置球形磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种五自由度外转子永磁偏置球形磁轴承，包括球形的转子，转子内部中央有两个定子和一个永磁体，上部定子和下部定子以镜面对称的方式位于永磁体的上下两侧，上部定子和下部定子为结构相同的半球状，永磁体是圆柱体状；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，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上部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，磁极上绕有控制线圈；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。

Description

一种五自由度外转子永磁偏置球形磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非机械接触的球形磁轴承，尤其涉及一种五自由度外转子永磁偏置球形磁轴承，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

磁悬浮轴承分为纯电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。与纯电磁轴承相比，永磁偏置轴承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，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得到广泛应用。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。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。

永磁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，如果采用永磁偏置球形磁轴承，则不仅使功耗减小，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，而如果采用永磁偏置球形磁轴承，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201510029481.3的文献中提出了一种外转子球形径向纯电磁磁轴承，其利用偏置电流产生偏置磁场，功耗大，控制复杂，且自由度数目不足，而没有考虑到对轴向进行控制，因此其难以满足一些特殊的应用场合。

已有的永磁偏置磁轴承为柱面，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。为了更好地确保永磁偏置磁轴承的控制精度。

为了满足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

本发明的目的是为克服现有技术中缺少功耗低的球形磁轴承，且主动控制球形磁轴承的自由度数目较少的不足，提出一种五自由度外转子永磁偏置球形磁轴承，从结构上实现球形磁轴承的低功耗，实现径向和轴向完全解耦，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，转子内部中央有两个定子和一个永磁体，转轴由转子的下部开口伸入转子内部，两个定子和一个永磁体空套在转轴上；两个定子分别为上部定子和下部定子，上部定子和下部定子以镜面对称的方式位于永磁体的上下两侧，永磁体镶嵌在上部定子和下部定子之间；上部定子和下部定子为结构相同的半球状，永磁体是圆柱体状；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、下端与永磁体侧面贯通；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上部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径向控制线圈，下部定子的上层磁极上绕有下部径向控制线圈，下部定子的下层磁极上绕有下部轴向控制线圈。

本发明与现有的技术相比的有益效果在于：

1、本发明针对传统球形磁轴承纯电磁控制所导致的功耗大、体积大、控制复杂这一现象，设计一种永磁偏置混合球形磁轴承，即永磁体产生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。

2、本发明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。

3、本发明的轴向单自由度控制与径向四自由度控制是采用分离的两套线圈，因此该球型磁轴承还可以根据应用场合的不同实时调整该磁轴承的应用范围，通过减少径向或轴向控制线圈的数目调整五自由度球型磁轴承为四自由度、或者单自由度球型磁轴承，扩大了其应用范围。

4、本发明能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与被动控制的自由度数目，结构简单、体积小、功耗低、控制简单。

5、本文采用球面结构，同时采用主动控制的自由度越多越好，但是为了降低其功耗，采用被动控制的自由度数目越多越好，并且在两者权衡的基础上，还能确保球形结构尺寸人满足其应用场合的空间限制要求。

附图说明

图1为本发明一种五自由度外转子永磁偏置球形磁轴承的结构图；

图2为图1上半部分的局部立体结构示意图；

图3为图1的坐标标示以及尺寸标注图；

图4为本发明静态被动悬浮磁通分布简化图；

图5为本发明径向二自由度悬浮磁通分布简化图；

图6为本发明径向扭转二自由度悬浮磁通分布简化图；

图7为本发明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.永磁体；8.下部定子；81.下部定子的上层磁极；82.下部定子的下层磁极；91.下部径向控制线圈；101.下部轴向控制线圈；111.下部轴向槽；12.下部环形径向槽；13.气隙；14-1、14-2.静态偏磁磁通；151.轴向控制磁通；152.径向控制磁通；16.转子。

具体实施方式

如图1所示，本发明由一个转轴1、两个定子、一个永磁体7、一个转子16以及控制线圈组成。转子16是球形，一个永磁体7和两个定子位于转子16内部中央，转子16上部和下部各有一个开口，纵向的转轴1由转子16的下部开口伸入转子16内部，穿过一个永磁体7和两个定子中间的纵向通孔，一个永磁体7和两个定子均空套在转轴1上。转子16上的上下两个开口的中心轴、一个永磁体7和两个定子的中心轴和转轴1的中心轴重合，均经过转子16的球心o。

两个定子分别为上部定子2和下部定子8，上部定子2和下部定子8均为半球状，结构完全相同。永磁体7是圆柱体状，位于转子16内部正中央，永磁体7的正上方是上部定子2、正下方是下部定子8。永磁体7的中心与转子16的球心o重合，上部定子2和下部定子8相对于永磁体7的中心上下对称布置，以镜面对称的方式位于永磁体7的上下两侧。永磁体7的上下端分别与上部定子2、下部定子8的半球底面无缝固定连接，使永磁体7镶嵌在上部定子2和下部定子8之间，上部定子2、永磁体7与下部定子8在构成一个整体。永磁体7的外径小于上部定子2和下部定子8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，下端直至永磁体7，与永磁体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16内表面之间留有上部的气隙13。

由于下部定子8与上部定子2在永磁体7两侧镜像对称，下部定子8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8上也设有四个下部轴向槽111和一个环形径向槽12，四个下部轴向槽111和一个环形径向槽12交叉得到上、下两层下部定子磁极，分别是上层磁极81和下层磁极82。下部定子的上层磁极81和下层定子磁极82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81、下层磁极82外表面与转子16内表面之间留有下部的气隙13，上部的气隙13和下部的气隙13气隙大小均相同，且上部的气隙13和下部的气隙13既可作为轴向气隙又可作为径向气隙。

在每个定子磁极绕有控制线圈。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81上缠绕一套控制线圈，即为上部径向控制线圈91，在下部定子的下层磁极82上缠绕一套控制线圈，即为下部轴向控制线圈101，上部径向控制线圈91和下部轴向控制线圈101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91的接线端子和下部轴向控制线圈101的接线端子。

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共用两者之间的上部环形径向槽6。

参见图3，以转子16的球心o，即永磁体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8的外径是R，上部定子的上部轴向槽51和下部定子的下部轴向槽111的开槽深度S1是外径R的一半，即S1=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。永磁体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。

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16采用硅钢片叠压而成，而上部定子2与下部定子8采用电工纯铁加工而成，永磁体7采用高性能稀土材料钕铁硼。

控制转子16在五自由度上的稳定悬浮，包括在X轴方向、Y轴方向上的径向二自由度，绕x轴扭转角度为θ _x 、绕y轴扭转角度为θ _y 的径向扭转二自由度和Z轴方向上的轴向单自由度上实现悬浮。

参见图4，静态被动悬浮的实现：本发明由永磁体7产生静态偏磁磁通参见图4中带箭头的粗实线磁路，磁化方向竖直向上。由于轴承左右前后完全对称，所以左右前后磁通分布情况完全相同，下面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，一部分静态偏磁磁通14-1从永磁体7的上表面出发，依次经过上部定子的上层磁极21、上部气隙13、转子16、下部气隙13、下部定子的下层磁极82，最后回到永磁体7的下表面。另一部分静态偏磁磁通14-2从永磁体7的上表面出发，依次经过上部定子的下层磁极22、上部气隙13、然后进入转子16、下部气隙13、下部定子的上层磁极81，最后回到永磁体7的下表面。当转子16处于中心平衡位置时，由于静态偏磁磁通14-1、14-2在上部气隙13和下部气隙13中分布均匀且对称，因此转子16可实现稳定悬浮，即只由永磁体7发挥作用，上部轴向控制线圈31、下部轴向控制线圈101、上部径向控制线圈41和下部径向控制线圈91内均不产生控制电流，因此功耗很低。

参见图5，径向二自由度主动控制的实现：当转子16在径向二自由度受到干扰而偏离平衡位置时，上部定子的径向控制线圈41与下部定子的径向控制线圈91此时通以合适方向的电流产生相应方向的磁通，对永磁体7产生的静态偏磁磁通14-1、14-2产生增强或减弱的作用，进而产生相应的平衡力使转子回平衡位置。下面仅以X轴方向为例，假设转子16在径向X轴负方向上偏移原平衡位置，第一个上部径向线圈41通正方向电流+I，对面的第三个上部径向线圈41和第一个下部径向线圈91、对面的第三个下部径向线圈92均通负方向的电流-I，其他径向线圈和轴向线圈不通电，相应的上、下部径向控制线圈41、91产生的径向控制磁通152与静态偏磁磁通14-1、14-2相叠加，使得上部定子的下层磁极22左侧外表面的上部气隙13和下部定子的上层磁极81左侧外表面的下部气隙13处磁通密度增大，而上部定子的下层磁极22右侧外表面的上部气隙13和下部定子的上层磁极81右侧外表面的下部气隙13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16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16拉回原平衡位置。同理，可对转子16在Y轴方向的偏离进行控制。

参见图6，径向扭转二自由度主动控制的实现：当转子16在径向扭转二自由度（θ _x 、θ _y ）受到干扰而偏离平衡位置时，上部定子的轴向控制线圈31和下部定子轴向控制线圈101通电与永磁体7形成的等效磁场可产生扭矩，使得转子16恢复原来的平衡状态。假设转子16受到扰动而在X轴正方向上发生扭转，扭转角度为θ _x 。此时对上部定子的第一个轴向控制线圈31、相对面的第三个轴向控制线圈31通负方向的电流-I，下部定子的第一个轴向控制线圈101、相对面的第三个轴向控制线圈102通正方向的电流+I，其他轴向线圈和径向线圈不通电，其产生的控制磁通151与静态偏磁磁通14-1、14-2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13和下部定子的下层磁极82右侧外表面的上部气隙13处磁通密度减小，上部定子的上层磁极21右侧外表面的上部气隙13和下部定子的下层磁极82左侧外表面的上部气隙13处磁通密度增大，气隙磁通的变化引起定子在磁极气隙处对转子16的吸力的大小发生不同程度的变化，这样进而形成恢复扭转力矩，使转子16回平衡位置。

参见图7，轴向单自由度主动控制的实现：当转子16在轴向单自由度受到干扰而偏离平衡位置时，通过调节上部轴向控制线圈31和下部轴向控制线圈101的电流，从而调节轴向气隙的轴向控制磁通。假设转子16在Z轴负方向发生偏移，此时对第一个上部定子轴向控制线圈31、第一个下部定子轴向控制线圈101通正方向电流+I，第一个上部定子轴向控制线圈31、对面的第三个下部定子轴向控制线圈通负方向的电流-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151与静态偏磁磁通14-1、14-2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13、上层磁极21右侧外表面的上部气隙13处的磁通密度加大，下部定子的下层磁极82左侧外表面的下部气隙13、下层磁极82右侧外表面的下部气隙13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16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16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)

1.一种五自由度外转子永磁偏置球形磁轴承，包括球形的转子（16），其特征是：转子（16）上部和下部各有一个开口，转子（16）内部中央有两个定子和一个永磁体（7），转轴（1）由转子（16）的下部开口伸入转子（16）内部，两个定子和一个永磁体（7）空套在转轴（1）上；两个定子分别为上部定子（2）和下部定子（8），上部定子（2）和下部定子（8）以镜面对称的方式位于永磁体（7）的上下两侧，永磁体（7）镶嵌在上部定子（2）和下部定子（8）之间；上部定子（2）和下部定子（8）为结构相同的半球状，永磁体（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、下端与永磁体（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）和四个上部轴向槽（51）贯通且交叉形成上、下两层各四个定子磁极；下部定子（8）上也设有四个下部轴向槽（111）和一个下部环形径向槽（12），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）上绕有上部径向控制线圈（41），下部定子的上层磁极（81）上绕有下部径向控制线圈（91），下部定子的下层磁极（102）上绕有下部轴向控制线圈（101）。

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：上部定子的上部轴向槽（51）和下部定子的下部轴向槽（111）的槽深S1=R/2，上部环形径向槽（6）和下部环形径向槽（12）的槽深S2 = R/2，R是上部定子（2）和下部定子（8）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：转子（16）上的上下两个开口的中心轴、永磁体（7）的中心轴、两个定子的中心轴和转轴（1）的中心轴重合，均经过转子（16）的球心。

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：永磁体（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：永磁体（7）产生静态偏磁磁通，上部轴向控制线圈（31）、下部轴向控制线圈（101）、上部径向控制线圈（41）和下部径向控制线圈（91）内均不通控制电流，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：永磁体（7）产生静态偏磁磁通，控制上部轴向控制线圈（31）、下部轴向控制线圈（101）、上部径向控制线圈（41）和下部径向控制线圈（91）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。