CN107956798B - 一种高频动态快速响应球面轴向纯电磁磁轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高频动态快速响应球面轴向纯电磁磁轴承，主要包括定子系统和转轴组成，定子系统主要包括球面定子铁心、偏置线圈和控制线圈。本发明将磁轴承偏置线圈与控制线圈分离，减少了控制回路中的电感，提高了磁轴承高频动态响应能力。采用球面磁极结构，磁极气隙为球壳状，电磁悬浮力始终指向转子球心，当转子质心与球心重合时，即可消除轴向平动悬浮对偏转悬浮的干扰，提高了磁轴承的控制精度。此外，偏置线圈与控制线圈位于两个环形槽内，非常便于绕线，且两个线圈电流互不干扰，进一步提高了磁轴承控制精度。

Description

一种高频动态快速响应球面轴向纯电磁磁轴承
技术领域
本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，尤其涉及一种高频动态快速响应球面轴向纯电磁磁轴承。
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姿态敏感功能，是天基平台实现甚稳超静的理想惯性器件。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。
纯电磁磁轴承产生的电磁悬浮力与电流成平方关系，具有承载力大、便于装配等优点，常用于转子的平动承重悬浮。现有纯电磁磁轴承的磁极面一般为柱面，转子偏转前后，磁极气隙形状会发生改变，造成转子磁极表面磁密不均匀，产生偏转负力矩，降低平动悬浮精度。此外，纯电磁磁轴承的线圈一般为单个线圈，线圈匝数较多，导致控制回路中的电感较大，降低磁轴承高频响应速度。专利申请号200710098751.1所述的一种具有冗余结构的低功耗轴向磁轴承采用双线圈结构，两个线圈互为冗余，提高了磁轴承的可靠性。但其磁极面为平面，转子偏转后均匀薄壁气隙形状发生改变，致使磁密不均匀产生偏转负力矩。专利申请号201510370246.2所述的一种双线圈轴向球面纯电磁磁轴承和专利申请号201510370225.0所述的一种轴向球面纯电磁磁轴承的磁极面均采用球面结构，磁极气隙为球壳状，转子偏转状态下气隙形状不会改变，电磁悬浮力始终指向球心，从而消除了扭转负力矩。同时将控制电流与偏置电流分离，减小了控制电流的电感，提高了高频动态响应速度。但两个线圈位于同一个环形槽内，槽满率太高，不易绕线，且两个线圈电流互为干扰，降低了磁轴承控制精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种易绕线、高频动态响应速度快、控制精度高的高频动态快速响应球面轴向纯电磁磁轴承。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的高频动态快速响应球面轴向纯电磁磁轴承，其较佳的具体实施方式是：
主要包括定子系统和转轴，定子系统主要包括：上球面定子铁心、下球面定子铁心、上偏置线圈、下偏置线圈、上控制线圈和下控制线圈；上球面定子铁心和下球面定子铁心内部均有两个环形槽，上偏置线圈绕制在上球面定子铁心的外环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在上球面定子铁心上，下偏置线圈绕制在下球面定子铁心的外环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在下球面定子铁心上，上控制线圈绕制在上球面定子铁心的内环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在上球面定子铁心上，下控制线圈绕制在下球面定子铁心的内环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在下球面定子铁心上，上球面定子铁心的内球面与转轴的上外球面留有一定的间隙，形成上球壳气隙，下球面定子铁心的内球面与转轴的下外球面的内球面留有一定的间隙，形成下球壳气隙。
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高频动态快速响应球面轴向纯电磁磁轴承，克服了现有技术的不足，具有绕线简单、高频动态响应速度快、控制精度高等优点。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。
附图说明
图1为本发明实施例提供的高频动态快速响应球面轴向纯电磁磁轴承的剖视图；
图2为本发明实施例中的上磁轴承定子的剖视图；
图3为本发明实施例中的下磁轴承定子的剖视图；
图4a为本发明实施例中的上球面定子铁心和下球面定子铁心的剖视图；
图4b为本发明实施例中的上球面定子铁心和下球面定子铁心的三维结构示意图。
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。本发明实施例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。
本发明的高频动态快速响应球面轴向纯电磁磁轴承，其较佳的具体实施方式是：
主要包括定子系统和转轴，定子系统主要包括：上球面定子铁心、下球面定子铁心、上偏置线圈、下偏置线圈、上控制线圈和下控制线圈；上球面定子铁心和下球面定子铁心内部均有两个环形槽，上偏置线圈绕制在上球面定子铁心的外环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在上球面定子铁心上，下偏置线圈绕制在下球面定子铁心的外环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在下球面定子铁心上，上控制线圈绕制在上球面定子铁心的内环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在上球面定子铁心上，下控制线圈绕制在下球面定子铁心的内环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在下球面定子铁心上，上球面定子铁心的内球面与转轴的上外球面留有一定的间隙，形成上球壳气隙，下球面定子铁心的内球面与转轴的下外球面的内球面留有一定的间隙，形成下球壳气隙。
所述的上球面定子铁心内球面和下球面定子铁心内球面的球心完全重合，当转轴稳定悬浮于平衡位置处，上球面定子铁心内球面、下球面定子铁心内球面和转轴外球面的球心完全重合。
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。
所述的上偏置线圈、下偏置线圈、上控制线圈和下控制线圈均为线径0.2mm的漆包线。
所述的上偏置线圈和下偏置线圈均为200～300匝，上控制线圈和下控制线圈均为30～50匝。
所述的上球壳气隙和下球壳气隙大小均为0.5mm。
上述方案的原理是：
上球面定子铁心、下球面定子铁心的磁极面采用球面结构，当转轴稳定悬浮于平衡位置处，电磁悬浮力始终指向球心，当转子质心与球心重合时，偏转状态下磁极气隙形状不会发生改变，转子磁极表面磁密分布均匀，从而消除了轴向平动悬浮对径向偏转悬浮的干扰。上球面定子铁心、下球面定子铁心上的两个环形槽分别放置偏置线圈、控制线圈，偏置线圈内的恒定电流产生偏置磁通，控制线圈内的控制电流产生控制磁通。通过调节控制磁通与偏置磁通正反向叠加，调节悬浮力大小。如图1所示，当转轴沿Z轴正向偏离平衡位置时，上球壳气隙减小，下球壳气隙增加，上控制线圈内的电流与上偏置线圈内的电流同向，上控制磁通与上偏置磁通反向叠加，下控制线圈内的电流与下偏置线圈内的电流反向，下控制磁通与下偏置磁通正向叠加，调节转轴回到平衡位置。当转轴沿Z轴反向偏离平衡位置时，上球壳气隙增加，下球壳气隙减小，上控制线圈内的电流与上偏置线圈内的电流反向，上控制磁通与上偏置磁通正向叠加，下控制线圈内的电流与下偏置线圈内的电流同向，下控制磁通与下偏置磁通反向叠加，调节转轴回到平衡位置。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明将偏置线圈与控制线圈分离，减少控制回路的电感，提高了磁轴承的高频动态响应能力；
(2)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，提高了磁轴承的控制精度；
(3)偏置线圈与控制线圈位于两个环形槽内，非常便于绕线，且两个线圈电流互不干扰，进一步提高了磁轴承控制精度。
具体实施例：
如图1所示，高频动态快速响应球面轴向纯电磁磁轴承，主要由定子系统和转轴组成，定子系统主要包括：上球面定子铁心1A、下球面定子铁心1B、上偏置线圈2A、下偏置线圈2B、上控制线圈3A和下控制线圈3B；上球面定子铁心1A和下球面定子铁心1B内部均有两个环形槽，上偏置线圈2A绕制在上球面定子铁心1A的外环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在上球面定子铁心1A上，下偏置线圈2B绕制在下球面定子铁心1B的外环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在下球面定子铁心1B上，上控制线圈3A绕制在上球面定子铁心1A的内环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在上球面定子铁心1A上，下控制线圈3B绕制在下球面定子铁心1B的内环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在下球面定子铁心1B上，上球面定子铁心1A的内球面与转轴4的上外球面留有一定的间隙，形成上球壳气隙5A，下球面定子铁心1B的内球面与转轴4的下外球面的内球面留有一定的间隙，形成下球壳气隙5B。
图2为本发明中上磁轴承定子的剖视图，主要包括：上球面定子铁心1A、上偏置线圈2A和上控制线圈3A，上球面定子铁心1A内部有两个环形槽，上偏置线圈2A绕制在上球面定子铁心1A的外环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在上球面定子铁心1A上，上控制线圈3A绕制在上球面定子铁心1A的内环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在上球面定子铁心1A上，上偏置线圈2A和上控制线圈3A均为线径0.2mm的漆包线，上偏置线圈2A为200～300匝，上控制线圈3A为30～50匝。
图3为本发明中下磁轴承定子的剖视图，主要包括：下球面定子铁心1B、下偏置线圈2B和下控制线圈3B，下球面定子铁心1B内部有两个环形槽，下偏置线圈2B绕制在下球面定子铁心1B的外环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在下球面定子铁心1B上，下控制线圈3B绕制在下球面定子铁心1B的内环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在下球面定子铁心1B上，下偏置线圈2B和下控制线圈3B均为线径0.2mm的漆包线，下偏置线圈2B为200～300匝，下控制线圈3B为30～50匝。
图4a为本发明中上球面定子铁心1A和下球面定子铁心1B的剖视图，图4b为本发明中的上球面定子铁心1A和下球面定子铁心1B的三维结构示意图，其材料为高饱和磁密的1J22棒材或电工纯铁DT4C材料，且上球面定子铁心1A和下球面定子铁心1B内部均有两个环形槽，其外环形槽分别用于上偏置线圈2A和下偏置线圈2B缠绕，内环形槽分别用于上控制线圈3A和下控制线圈3B缠绕。
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 (5)

1.一种高频动态快速响应球面轴向纯电磁磁轴承，主要包括定子系统和转轴，其特征在于，所述定子系统主要包括：
上球面定子铁心(1A)、下球面定子铁心(1B)、上偏置线圈(2A)、下偏置线圈(2B)、上控制线圈(3A)和下控制线圈(3B)；
所述上球面定子铁心(1A)和下球面定子铁心(1B)内部均有两个环形槽，上偏置线圈(2A)绕制在上球面定子铁心(1A)的外环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在上球面定子铁心(1A)上，下偏置线圈(2B)绕制在下球面定子铁心(1B)的外环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在下球面定子铁心(1B)上，上控制线圈(3A)绕制在上球面定子铁心(1A)的内环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在上球面定子铁心(1A)上，下控制线圈(3B)绕制在下球面定子铁心(1B)的内环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在下球面定子铁心(1B)上，上球面定子铁心(1A)的内球面与转轴(4)的上外球面留有一定的间隙，形成上球壳气隙(5A)，下球面定子铁心(1B)的内球面与转轴(4)的下外球面的内球面留有一定的间隙，形成下球壳气隙(5B)；
所述的上球面定子铁心(1A)内球面和下球面定子铁心(1B)内球面的球心完全重合，当转轴(4)稳定悬浮于平衡位置处，上球面定子铁心(1A)内球面、下球面定子铁心(1B)内球面和转轴(4)外球面的球心完全重合。
2.根据权利要求1所述的高频动态快速响应球面轴向纯电磁磁轴承，其特征在于，所述的上球面定子铁心(1A)和下球面定子铁心(1B)为高饱和磁密的1J22棒材或电工纯铁DT4C材料。
3.根据权利要求1所述的高频动态快速响应球面轴向纯电磁磁轴承，其特征在于，所述的上偏置线圈(2A)、下偏置线圈(2B)、上控制线圈(3A)和下控制线圈(3B)均为线径0.2mm的漆包线。
4.根据权利要求1所述的高频动态快速响应球面轴向纯电磁磁轴承，其特征在于，所述的上偏置线圈(2A)和下偏置线圈(2B)均为200～300匝，上控制线圈(3A)和下控制线圈(3B)均为30～50匝。
5.根据权利要求1所述的高频动态快速响应球面轴向纯电磁磁轴承，其特征在于，所述的上球壳气隙(5A)和下球壳气隙(5B)大小均为0.5mm。
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