CN107044485A - 一种检控共位球面轴向纯电磁磁阻力磁轴承 - Google Patents

一种检控共位球面轴向纯电磁磁阻力磁轴承 Download PDF

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Abstract

一种检控共位球面轴向纯电磁磁阻力磁轴承，其包括定子系统和转子，定子系统包括：上球面定子铁心、下球面定子铁心、激磁线圈、传感器线圈、传感器骨架、屏蔽线和传感器屏蔽筒。本发明磁极面为球面，转子所受悬浮电磁力始终过球心，当质心与球心重合时，消除了轴向平动悬浮对偏转悬浮的干扰。定子磁极外环面积为内环面积的2‑3倍，减弱了磁极外环表面的磁场强度和磁极端部漏磁效应，降低了轴向平动悬浮对径向平动悬浮的干扰。此外，传感器骨架轴线与球面定子铁心轴线重合，实现了位移检测点与控制点共位，消除了因检控异位所需转换矩阵引起的误差，进一步提高了转子悬浮控制精度。

Description

一种检控共位球面轴向纯电磁磁阻力磁轴承
技术领域
本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种轴向平动检测与控制为一体，且位移检测点与控制点共位的球面轴向纯电磁磁轴承，可用于磁悬浮控制敏感陀螺轴向单自由度高精度悬浮支承。
背景技术
磁悬浮控制敏感陀螺是更具发展潜力的新一代集姿态控制与敏感为一体的惯性机构，同时具有高精度的姿态控制功能和径向两自由度姿态敏感功能，是天基平台实现甚稳超静的理想选择。磁轴承是磁悬浮控制敏感陀螺核心部件之一，对陀螺的姿控精度与敏感精度具有重要影响。
与洛伦兹力相比，磁阻力磁轴承的电磁悬浮力与电流成平方关系，具有功耗低、承载力大等优点，常用于转子平动悬浮控制。球面磁阻力磁轴承的气隙为球壳状，其电磁悬浮力始终指向球心，且偏转前后气隙形状不会发生改变，转子磁极表面磁密分布均匀。当转子质心与球心重合时，电磁悬浮力过质心，即消除了平动悬浮对偏转悬浮的干扰，提高了悬浮控制精度。球面纯电磁磁阻力磁轴承断电状态下，无电磁吸力，非常便于系统装配和调试，非常适合磁悬浮控制敏感陀螺轴向悬浮支承。专利申请号201510813055.9所述的一种内转子磁悬浮球面陀螺飞轮采用一种球面轴向纯电磁磁阻力磁轴承，其转子所受悬浮电磁力始终过转子球心，当转子质心与球心重合时，消除了轴向平动悬浮对偏转悬浮的干扰。为了陀螺结构紧凑，该磁轴承的磁极内、外环面积相等，磁极外环处的磁密与内环处的磁密相等，由于磁通在磁极外环边缘存在强边缘漏磁效应，导致轴向平动悬浮对径向平动悬浮产生较大干扰。专利申请号201510370246.2所述的一种双线圈球面纯电磁磁轴承和专利申请号201510370225.0所述的一种球面纯电磁磁轴承均采用双线圈结构，提高了电流相应速率，但其磁极内环面积为外环面积的3倍，导致磁极外环表面的磁场较强，在磁极外环端部的强边缘漏磁效应下，转子轴向平动悬浮对径向平动悬浮产生较大干扰。此外，在上述三种方案中，轴向平动位移检测点与控制点异位，需要转换矩阵来估计磁轴承中心控制点处的位移。由于转换矩阵存在测量误差，且该误差随时间、温度、应力变化，降低了磁轴承的平动悬浮精度。
发明内容
传统的磁轴承系统中检测机构(即传感器线圈)和执行结构(即发力装置)采用分立式结构布局，即传感器线圈与磁轴承发力位置异位，本发明将磁轴承的检测机构和执行机构装配位置关系为共线，其检测中心轴与磁轴承的合力作用方向一致，实现了磁轴承的检测与控制共位。本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种磁路边缘效应弱、检测与控制共位的球面轴向纯电磁磁阻力磁轴承。
本发明的技术解决方案为：一种检控共位球面轴向纯电磁磁阻力磁轴承，其包括定子系统和转子，其特征在于：定子系统包括：上球面定子铁心、下球面定子铁心、激磁线圈、传感器线圈、传感器骨架、屏蔽线和传感器屏蔽筒。所述上球面定子铁心和下球面定子铁心分别分布在Z轴的正负方向上，构成轴向纯电磁磁阻力磁轴承的上、下两个定子磁极，其内部均有一环形槽。所述激磁线圈分别绕制在所述上球面定子铁心和下球面定子铁心的环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在所述上球面定子铁心和下球面定子铁心上，所述传感器线圈、传感器骨架、屏蔽线和传感器屏蔽筒分别位于所述上球面定子铁心和下球面定子铁心的中心通孔内，所述传感器线圈绕制在所述传感器骨架端部的凹槽上，并通过环氧树脂胶固化在所述传感器骨架上，所述屏蔽线连接所述传感器线圈，并通过所述传感器骨架上的穿线孔引到所述传感器骨架外部，所述传感器线圈、传感器骨架和屏蔽线位于所述传感器屏蔽筒的安装孔内，并通过环氧树脂胶固化在所述传感器屏蔽筒内，所述传感器线圈、传感器骨架、屏蔽线和传感器屏蔽筒通过所述上球面定子铁心和下球面定子铁心与所述传感器屏蔽筒的螺纹配合分别安装在所述上球面定子铁心和下球面定子铁心上，所述转子的外球面与所述上球面定子铁心和下球面定子铁心的内球面留有一定的间隙，形成球壳气隙。
所述的轴向纯电磁磁阻力磁轴承传感器骨架和传感器屏蔽筒的轴线分别与上球面定子铁心和下球面定子铁心的轴线重合。所述的上球面定子铁心和下球面定子铁心的磁极外环面积均为内环面积的2-3倍。所述的上球面定子铁心和下球面定子铁心的球心完全重合。所述的上球面定子铁心和下球面定子铁心为高饱和磁密的1J22棒材或电工纯铁DT4C材料。所述的传感器骨架采用耐高温高强度的聚酰亚胺材料。所述的屏蔽线采用双绞屏蔽线。所述的传感器屏蔽筒采用无磁导电性能好的铜合金材料。
上述方案的原理是：本发明所述的轴向磁轴承定子系统在同一个装置中需成对使用，两个球面定子铁心磁极面的球心完全重合，转子所受悬浮电磁力始终过球心，磁轴承磁极的外圈面积大于内圈面积；当转子质心与球心重合时，电磁力对转子产生的力矩为零，从而消除了轴向平动悬浮对偏转悬浮的干扰。定子磁极外环面积为内环面积的2-3倍，减弱了磁极外环表面的磁场强度和磁极端部漏磁效应，降低了轴向平动悬浮对径向平动悬浮的干扰。传感器骨架轴线与球面定子铁心轴线重合，实现了位移检测点与控制点的共位，无需借助转换矩阵估计转子轴向平动位移，与检控异位的轴向磁轴承相比，消除了转换矩阵带来的误差，进一步提高了转子悬浮控制精度。当转子沿Z轴正向偏离平衡位置时，传感器线圈将检测信号经屏蔽线传递到磁轴承控制器，磁轴承控制器无需转换矩阵直接将传感器线圈信号转换为控制电流，上球面定子铁心的激磁线圈中的控制电流与偏置电流反向叠加，减小上球壳气隙的磁通，下球面定子铁心的激磁线圈中的控制电流与偏置电流正向叠加，增大下球壳气隙的磁通，调节转子回到平衡位置；当转子沿Z轴反向偏离平衡位置时，传感器线圈将检测信号经屏蔽线传递到磁轴承控制器，磁轴承控制器无需转换矩阵直接将传感器线圈信号转换为控制电流，上球面定子铁心的激磁线圈中的控制电流与偏置电流正向叠加，增大上球壳气隙的磁通，下球面定子铁心的激磁线圈中的控制电流与偏置电流反向叠加，减小下球壳气隙的磁通，调节转子回到平衡位置。当转子发生径向平动或偏转时，相对于定子磁极球面的中心，转子磁极成非对称放置，一侧磁极面大，另一侧磁极面小，由于定子磁极外环边缘存在漏磁效应，导致转子磁极面大的一侧电磁吸力大，转子磁极面小的一侧电磁吸力小，两力的合力会在径向产生分量，即轴向平动会干扰径向平动。本发明定子磁极的外环面积是内环面积的2-3倍，降低了定子磁极外环的磁场密度，弱化了定子磁极外环边缘的漏磁效应，从而减小了径向干扰力。如图1所示，本发明的上电磁磁路为：磁通从上球面定子铁心的内环磁极出发，通过内球壳气隙、转子、外球壳气隙回到上球面定子铁心的外环磁极；下电磁磁路为：磁通从下球面定子铁心的内环磁极出发，通过内球壳气隙、转子、外球壳气隙回到下球面定子铁心的外环磁极。
本发明与现有技术相比的优点在于：(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，消除了轴向平动悬浮对径向偏转悬浮的干扰；(2)定子磁极外环面积为内环面积的2-3倍，减弱了磁极外环表面的磁场强度和磁极端部漏磁效应，降低了轴向平动悬浮对径向平动悬浮的干扰；(3)传感器骨架轴线与球面定子铁心轴线重合，实现了位移检测点与控制点共位，无需借助转换矩阵估计转子轴向平动位移，消除了因检控异位所需转换矩阵引起的误差，进一步提高了转子悬浮控制精度。
附图说明
图1为本发明技术解决方案的一种检控共位球面轴向纯电磁磁阻力磁轴承的剖视图；
图2为本发明技术解决方案的定子系统的剖视图；
图3a为本发明技术解决方案的上球面定子铁心和下球面定子铁心的剖视图；
图3b为本发明技术解决方案的上球面定子铁心和下球面定子铁心的三维结构示意图；
图4a为本发明技术解决方案的传感器骨架的剖视图；
图4b为本发明技术解决方案的传感器骨架的三维结构示意图；
图5a为本发明技术解决方案的传感器屏蔽筒的剖视图；
图5b为本发明技术解决方案的传感器屏蔽筒的三维结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种检控共位球面轴向纯电磁磁阻力磁轴承，其包括定子系统和转子1，定子系统主要包括：上球面定子铁心2A、下球面定子铁心2B、激磁线圈3、传感器线圈4、传感器骨架5、屏蔽线6和传感器屏蔽筒7；所述上球面定子铁心2A和下球面定子铁心2B分别分布在Z轴的正负方向上，构成轴向纯电磁磁阻力磁轴承的上、下两个定子磁极，其内部均有一环形槽，所述激磁线圈3分别绕制在所述上球面定子铁心2A和下球面定子铁心2B的环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在所述上球面定子铁心2A和下球面定子铁心2B上，所述传感器线圈4、传感器骨架5、屏蔽线6和传感器屏蔽筒7分别位于所述上球面定子铁心2A和下球面定子铁心2B的中心通孔内，所述传感器线圈4绕制在所述传感器骨架5端部的凹槽上，并通过环氧树脂胶固化在所述传感器骨架5上，所述屏蔽线6连接所述传感器线圈4，并通过所述传感器骨架5上的穿线孔引到所述传感器骨架5外部，所述传感器线圈4、传感器骨架5和屏蔽线6位于所述传感器屏蔽筒7的安装孔内，并通过环氧树脂胶固化在所述传感器屏蔽筒7内，所述传感器线圈4、传感器骨架5、屏蔽线6和传感器屏蔽筒7通过所述上球面定子铁心2A和下球面定子铁心2B与所述传感器屏蔽筒7的螺纹配合分别安装在所述上球面定子铁心2A和下球面定子铁心2B上，所述转子1的外球面与所述上球面定子铁心2A和下球面定子铁心2B的内球面留有一定的间隙，形成球壳气隙8。
图2为本发明中定子系统的剖视图，定子系统主要包括：上球面定子铁心2A、下球面定子铁心2B、激磁线圈3、传感器线圈4、传感器骨架5、屏蔽线6和传感器屏蔽筒7；所述上球面定子铁心2A和下球面定子铁心2B内部均有一环形槽，所述激磁线圈3分别绕制在所述上球面定子铁心2A和下球面定子铁心2B的环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在所述上球面定子铁心2A和下球面定子铁心2B上，所述传感器线圈4、传感器骨架5、屏蔽线6和传感器屏蔽筒7分别位于所述上球面定子铁心2A和下球面定子铁心2B的中心通孔内，所述传感器线圈4绕制在所述传感器骨架5端部的凹槽上，并通过环氧树脂胶固化在所述传感器骨架5上，所述屏蔽线6连接所述传感器线圈4，并通过所述传感器骨架5上的穿线孔引到所述传感器骨架5外部，所述传感器线圈4、传感器骨架5和屏蔽线6位于所述传感器屏蔽筒7的安装孔内，并通过环氧树脂胶固化在所述传感器屏蔽筒7内，所述传感器线圈4、传感器骨架5、屏蔽线6和传感器屏蔽筒7通过所述上球面定子铁心2A和下球面定子铁心2B与所述传感器屏蔽筒7的螺纹配合分别安装在所述上球面定子铁心2A和下球面定子铁心2B上。上述发明所用的上球面定子铁心2A和下球面定子铁心2B为强导磁率的1J22棒材或电工纯铁DT4C材料，传感器骨架5采用耐高温高强度的聚酰亚胺材料，传感器屏蔽筒7采用无磁导电性能好的金属材料，如铝合金、铜合金和钛合金。
图3a为本发明中上球面定子铁心2A和下球面定子铁心2B的剖视图，图3b为本发明中的上球面定子铁心2A和下球面定子铁心2B的三维结构示意图，其材料为1J22强导磁棒材或DT4C电工纯铁棒材，上球面定子铁心2A和下球面定子铁心2B内部环形槽用于激磁线圈3缠绕，中心位置的螺纹孔用于传感器线圈4、传感器骨架5、屏蔽线6和传感器屏蔽筒7的安装，其外环磁极面积为内环磁极面积的2-3倍。
图4a为本发明中传感器骨架5的剖视图，图4a为本发明中传感器骨架5的剖视图，其材料采用耐高温高强度的聚酰亚胺材料，端部凹槽用于传感器线圈4缠绕，传感器骨架5位于传感器屏蔽筒7的安装孔内，并通过环氧树脂胶固化在传感器屏蔽筒7内。
图5a为本发明中传感器屏蔽筒7的剖视图，图5b为本发明中传感器屏蔽筒7的三维结构示意图，其材料采用无磁导电性能好的铜合金材料，其中心通孔，用于安装传感器线圈4、传感器骨架5和屏蔽线6，其上端外螺纹用于与球面定子铁心2的内螺纹配合。
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。本发明的上述实施例是对方案的说明而不能用于限制本发明，与本发明有保护范围相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在本发明保护的范围内。

Claims (8)

1.一种检控共位球面轴向纯电磁磁阻力磁轴承，其包括定子系统和转子(1)，其特征在于：定子系统包括：上球面定子铁心(2A)、下球面定子铁心(2B)、激磁线圈(3)、传感器线圈(4)、传感器骨架(5)、屏蔽线(6)和传感器屏蔽筒(7)；所述上球面定子铁心(2A)和下球面定子铁心(2B)分别分布在Z轴的正负方向上，构成轴向纯电磁磁阻力磁轴承的上、下两个定子磁极，其内部有一环形槽。所述激磁线圈(3)分别绕制在所述上球面定子铁心(2A)和下球面定子铁心(2B)的环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在所述上球面定子铁心(2A)和下球面定子铁心(2B)上，所述传感器线圈(4)、传感器骨架(5)、屏蔽线(6)和传感器屏蔽筒(7)分别位于所述上球面定子铁心(2A)和下球面定子铁心(2B)的中心通孔内，所述传感器线圈(4)绕制在所述传感器骨架(5)端部的凹槽上，并通过环氧树脂胶固化在所述传感器骨架(5)上，所述屏蔽线(6)连接所述传感器线圈(4)，并通过所述传感器骨架(5)上的穿线孔引到所述传感器骨架(5)外部，所述传感器线圈(4)、传感器骨架(5)和屏蔽线(6)位于所述传感器屏蔽筒(7)的安装孔内，并通过环氧树脂胶固化在所述传感器屏蔽筒(7)内，所述传感器线圈(4)、传感器骨架(5)、屏蔽线(6)和传感器屏蔽筒(7)通过所述上球面定子铁心(2A)和下球面定子铁心(2B)与所述传感器屏蔽筒(7)的螺纹配合分别安装在所述上球面定子铁心(2A)和下球面定子铁心(2B)上，所述转子(1)的外球面与所述上球面定子铁心(2A)和下球面定子铁心(2B)的内球面留有一定的间隙，形成球壳气隙(8)。
2.根据权利要求1所述的一种检控共位球面轴向纯电磁磁阻力磁轴承，其特征在于：所述传感器骨架(5)和传感器屏蔽筒(7)的轴线分别与所述上球面定子铁心(2A)和下球面定子铁心(2B)的轴线重合。
3.根据权利要求1所述的一种检控共位球面轴向纯电磁磁阻力磁轴承，其特征在于：所述的上球面定子铁心(2A)和下球面定子铁心(2B)的磁极外环面积均为内环面积的2-3倍。
4.根据权利要求1所述的一种检控共位球面轴向纯电磁磁阻力磁轴承，其特征在于：所述的上球面定子铁心(2A)和下球面定子铁心(2B)的球心完全重合。
5.根据权利要求1所述的一种检控共位球面轴向纯电磁磁阻力磁轴承，其特征在于：所述的上球面定子铁心(2A)和下球面定子铁心(2B)为高饱和磁密的1J22棒材或电工纯铁DT4C材料。
6.根据权利要求1所述的一种检控共位球面轴向纯电磁磁阻力磁轴承，其特征在于：所述的传感器骨架(5)采用耐高温高强度的聚酰亚胺材料。
7.根据权利要求1所述的一种检控共位球面轴向纯电磁磁阻力磁轴承，其特征在于：所述的屏蔽线(6)采用双绞屏蔽线。
8.根据权利要求1所述的一种检控共位球面轴向纯电磁磁阻力磁轴承，其特征在于：所述的传感器屏蔽筒(7)采用无磁导电性能好的铜合金材料。
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