CN108194505A - 一种隐式高阻尼洛伦兹力径向磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隐式高阻尼洛伦兹力径向磁轴承，主要由转子系统和定子系统两部分组成，转子系统主要包括：上转子固定座、外上导磁环、内上导磁环、上磁钢、下转子固定座、外下导磁环、内下导磁环和下磁钢；定子系统主要包括：定子骨架和绕组。本发明采用磁钢内置的隐式方案，消除了显式磁钢方案中的气隙边缘效应和因磁钢拼接引起的磁密波动，提高了气隙气密均匀性。此外，利用双层绕组结构，增加转子阻尼悬浮力，实现了磁轴承的高阻尼，提高了系统的抗失稳能力。

Description

一种隐式高阻尼洛伦兹力径向磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，尤其涉及一种隐式高阻尼洛伦兹力径向磁轴承。

背景技术

传统反作用飞轮、偏置动量轮和姿控-储能两用飞轮均是通过改变转子转速大小输出力矩，力矩精度高，常用于高分辨率对地观测卫星平台的姿态控制，但力矩偏小，不能满足航天器敏捷机动的迫切需求。磁悬浮框架飞轮具有大控制力矩和高力矩精度的优点，通过偏转磁轴承驱使转子旋转轴发生偏转，改变转子角动量的方向，输出瞬间较大进动力矩，实现航天器敏捷机动，利用磁轴承对转子进行主动振动控制和抑制，实现转子高精度悬浮，输出高精度控制力矩。磁轴承作为磁悬浮框架飞轮的核心部件之一，是飞轮能够输出高精度大力矩的前提保障。

按悬浮力产生方式，主动磁轴承可分为磁阻力磁轴承和洛伦兹力磁轴承。前者通过改变磁极绕组电流的大小和方向来产生所需的控制磁通，从而产生相应的悬浮支承力，但其力与电流成平方关系，经线性化后线性范围仍较窄，控制精度低。后者通过改变放置于恒定磁场中绕组的电流大小和方向来产生所需的悬浮支承力，其力与电流成线性关系，线性度好，控制精度高。因此洛伦兹力磁轴承更适合用于磁悬浮框架飞轮转子的高精度悬浮支承。论文《一种磁悬浮陀螺飞轮方案设计与关键技术分析》提出一种洛伦兹力径向磁轴承，其磁钢位于磁极端部，气隙边缘漏磁明显，降低了磁密均匀性。同时，整环磁钢尺寸大，需采用拼接结构，拼接缝隙会引起磁密轴向波动，进一步降低了气隙磁密均匀性。此外，转子失稳时，转子振幅非常大，需要增加控制电流抑制转子振动，电流过大会导致功放饱和产生非线性力，致使转子失稳不可控。若要抑制转子振动，必须采用远高于刚度悬浮力的阻尼悬浮力，及时快速吸收转子动能，使其趋于稳定。论文《一种磁悬浮陀螺飞轮方案设计与关键技术分析》提出一种洛伦兹力径向磁轴承定子在+X、-X、+Y和-Y四个方向均只有一个绕组，单个通电绕组无法在实现高刚度悬浮力的同时实现更高阻尼悬浮力。

发明内容

本发明的目的是提供一种隐式高阻尼洛伦兹力径向磁轴承。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的隐式高阻尼洛伦兹力径向磁轴承，其较佳的具体实施方式是：

主要由转子系统和定子系统两部分组成，转子系统主要包括：上转子固定座、外上导磁环、内上导磁环、上磁钢、下转子固定座、外下导磁环、内下导磁环和下磁钢；定子系统主要包括：定子骨架、左上绕组、左下绕组、右上绕组、右下绕组、前上绕组、前下绕组、后上绕组和后下绕组；上转子固定座内部有一环形槽，外上导磁环、内上导磁环和上磁钢均位于上转子固定座的环形槽内，并通过环氧树脂胶固化安装在上转子固定座上，从外往里依次为，外上导磁环、上磁钢和内上导磁环，下转子固定座内部有一环形槽，外下导磁环、内下导磁环和下磁钢均位于下转子固定座的环形槽内，并通过环氧树脂胶固化安装在下转子固定座上，从外往里依次为，外下导磁环、下磁钢和内下导磁环，上转子固定座和下转子固定座通过紧固螺钉连接在一起，定子骨架位于外上导磁环、内上导磁环和上磁钢的轴向下方和外下导磁环、内下导磁环和下磁钢的轴向上方，左上绕组和左下绕组分别缠绕在定子骨架左端上侧和左端下侧的凸台上，右上绕组和右下绕组分别缠绕在定子骨架右端上侧和右端下侧的凸台上，前上绕组和前下绕组分别缠绕在定子骨架前端上侧和前端下侧的凸台上，后上绕组和后下绕组分别缠绕在定子骨架后端上侧和后端下侧的凸台上，左上绕组、左下绕组、右上绕组、右下绕组、前上绕组、前下绕组、后上绕组和后下绕组均通过环氧树脂胶固定在定子骨架上，上转子固定座、外上导磁环、内上导磁环和上磁钢的下端面与下转子固定座、外下导磁环、内下导磁环和下磁钢上端面之间形成气隙。

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隐式高阻尼洛伦兹力径向磁轴承，具有高磁密均匀性、高阻尼等优点，可用于磁悬浮框架飞轮转子径向两自由度高精度平动悬浮支承。

附图说明

图1为本发明实施例提供的隐式高阻尼洛伦兹力径向磁轴承的径向X向剖视图；

图2为本发明实施例提供的隐式高阻尼洛伦兹力径向磁轴承的径向Y向剖视图；

图3为本发明实施例中转子系统的剖视图；

图4为本发明实施例中定子系统的剖视图；

图5为本发明实施例中上转子固定座、外上导磁环、内上导磁环和上磁钢组成的组件剖视图；

图6为本发明实施例中下转子固定座、外下导磁环、内下导磁环和下磁钢组成的组件剖视图；

图7a为本发明实施例中定子骨架的剖视图；

图7b为本发明实施例中定子骨架的三维结构示意图。

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。

本发明的隐式高阻尼洛伦兹力径向磁轴承，其较佳的具体实施方式是：

主要由转子系统和定子系统两部分组成，转子系统主要包括：上转子固定座、外上导磁环、内上导磁环、上磁钢、下转子固定座、外下导磁环、内下导磁环和下磁钢；定子系统主要包括：定子骨架、左上绕组、左下绕组、右上绕组、右下绕组、前上绕组、前下绕组、后上绕组和后下绕组；上转子固定座内部有一环形槽，外上导磁环、内上导磁环和上磁钢均位于上转子固定座的环形槽内，并通过环氧树脂胶固化安装在上转子固定座上，从外往里依次为，外上导磁环、上磁钢和内上导磁环，下转子固定座内部有一环形槽，外下导磁环、内下导磁环和下磁钢均位于下转子固定座的环形槽内，并通过环氧树脂胶固化安装在下转子固定座上，从外往里依次为，外下导磁环、下磁钢和内下导磁环，上转子固定座和下转子固定座通过紧固螺钉连接在一起，定子骨架位于外上导磁环、内上导磁环和上磁钢的轴向下方和外下导磁环、内下导磁环和下磁钢的轴向上方，左上绕组和左下绕组分别缠绕在定子骨架左端上侧和左端下侧的凸台上，右上绕组和右下绕组分别缠绕在定子骨架右端上侧和右端下侧的凸台上，前上绕组和前下绕组分别缠绕在定子骨架前端上侧和前端下侧的凸台上，后上绕组和后下绕组分别缠绕在定子骨架后端上侧和后端下侧的凸台上，左上绕组、左下绕组、右上绕组、右下绕组、前上绕组、前下绕组、后上绕组和后下绕组均通过环氧树脂胶固定在定子骨架上，上转子固定座、外上导磁环、内上导磁环和上磁钢的下端面与下转子固定座、外下导磁环、内下导磁环和下磁钢上端面之间形成气隙。

所述的上转子固定座和下转子固定座均为导热性能较好的硬铝合金2A12或超硬铝合金7A09棒材锻料。所述的外上导磁环、内上导磁环、外下导磁环和内下导磁环均为强导磁率的1J50或1J22棒材材料。所述的上磁钢和下磁钢均为钕铁硼合金或衫钴合金硬磁材料，且均为径向充磁，其充磁方向依次为：外N内S、外S内N或外S内N和外N内S。所述的定子骨架为耐高温高强度的聚酰亚胺材料。

上述方案的原理是：

本发明中的一种隐式高阻尼洛伦兹力径向磁轴承，通过上磁钢和下磁钢反向充磁，并串联在闭合的永磁磁路中，产生恒定封闭的永磁磁场，利用放置在永磁磁场中的通电左上绕组、左下绕组、右上绕组、右下绕组、前上绕组、前下绕组、后上绕组和后下绕组产生安培力，提供转子径向平动控制所需的悬浮力，实现转子径向两自由度平动悬浮控制。此外，左上绕组、右上绕组、前上绕组和后上绕组提供刚度悬浮力和阻尼悬浮力，左下绕组、右下绕组、前下绕组和后下绕组仅提供阻尼悬浮力。

本发明的永磁磁路如图1、2所示，+X通道永磁磁路为：磁通从上磁钢N极出发，经过外上导磁环、+X轴左端气隙、左上绕组左端、左下绕组左端和外下导磁环到达下磁钢S极，从下磁钢N极流出，经过内下导磁环、+X轴右端气隙、左下绕组右端、左上绕组右端和内上导磁环回到上磁钢S极；-X通道永磁磁路为：磁通从上磁钢N极出发，经过外上导磁环、-X轴右端气隙、右上绕组右端、右下绕组右端和外下导磁环到达下磁钢S极，从下磁钢N极流出，经过内下导磁环、-X轴左端气隙、右下绕组左端、右上绕组左端和内上顺导环回到上磁钢S极。+Y通道的永磁磁路和-Y通道的永磁磁路与+X通道的永磁磁路和-X通道的永磁磁路类似。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用内置隐式磁钢方案，与外置显式磁钢方案相比，降低了气隙边缘漏磁，消除了整圈拼接磁钢因拼接缝隙引起的磁密波动，提高了磁密均匀性和磁轴承控制精度；(2)采用双层绕组结构，利用上层绕组提供刚度悬浮力和阻尼悬浮力，利用下层绕组仅提供阻尼悬浮力，实现了磁轴承的高阻尼，提高了系统的抗失稳能力。

具体实施例：

如图1、2所示，一种隐式高阻尼洛伦兹力径向磁轴承，主要由转子系统和定子系统两部分组成，其特征在于：转子系统主要包括：上转子固定座1、外上导磁环2A、内上导磁环2B、上磁钢3、下转子固定座4、外下导磁环5A、内下导磁环5B和下磁钢6；定子系统主要包括：定子骨架7、左上绕组8A、左下绕组8B、右上绕组8C、右下绕组8D、前上绕组8E、前下绕组8F、后上绕组8G和后下绕组8H；上转子固定座1内部有一环形槽，外上导磁环2A、内上导磁环2B和上磁钢3均位于上转子固定座1的环形槽内，并通过环氧树脂胶固化安装在上转子固定座1上，从外往里依次为，外上导磁环2A、上磁钢3和内上导磁环2B，下转子固定座4内部有一环形槽，外下导磁环5A、内下导磁环5B和下磁钢6均位于下转子固定座4的环形槽内，并通过环氧树脂胶固化安装在下转子固定座4上，从外往里依次为，外下导磁环5A、下磁钢6和内下导磁环5B，上转子固定座1和下转子固定座4通过紧固螺钉连接在一起，定子骨架7位于外上导磁环2A、内上导磁环2B和上磁钢3的轴向下方和外下导磁环5A、内下导磁环5B和下磁钢6的轴向上方，左上绕组8A和左下绕组8B分别缠绕在定子骨架7左端上侧和左端下侧的凸台上，右上绕组8C和右下绕组8D分别缠绕在定子骨架7右端上侧和右端下侧的凸台上，前上绕组8E和前下绕组8F分别缠绕在定子骨架7前端上侧和前端下侧的凸台上，后上绕组8G和后下绕组8H分别缠绕在定子骨架7后端上侧和后端下侧的凸台上，左上绕组8A、左下绕组8B、右上绕组8C、右下绕组8D、前上绕组8E、前下绕组8F、后上绕组8G和后下绕组8H均通过环氧树脂胶固定在定子骨架7上，上转子固定座1、外上导磁环2A、内上导磁环2B和上磁钢3的下端面与下转子固定座4、外下导磁环5A、内下导磁环5B和下磁钢6上端面之间形成气隙9。

图3为本发明中转子系统的剖视图，转子系统主要包括：上转子固定座1、外上导磁环2A、内上导磁环2B、上磁钢3、下转子固定座4、外下导磁环5A、内下导磁环5B和下磁钢6。上转子固定座1内部有一环形槽，外上导磁环2A、内上导磁环2B和上磁钢3均位于上转子固定座1的环形槽内，并通过环氧树脂胶固化安装在上转子固定座1上，从外往里依次为，外上导磁环2A、上磁钢3和内上导磁环2B，下转子固定座4内部有一环形槽，外下导磁环5A、内下导磁环5B和下磁钢6均位于下转子固定座4的环形槽内，并通过环氧树脂胶固化安装在下转子固定座4上，从外往里依次为，外下导磁环5A、下磁钢6和内下导磁环5B，上转子固定座1和下转子固定座4通过紧固螺钉连接在一起。上转子固定座1和下转子固定座4均为导热性能较好的硬铝合金2A12或超硬铝合金7A09棒材锻料。外上导磁环2A、内上导磁环2B、外下导磁环5A和内下导磁环5B均为强导磁率的1J50或1J22棒材材料。上磁钢5和下磁钢6均为钕铁硼合金或衫钴合金硬磁材料，且均为径向充磁，其充磁方向依次为：外N内S、外S内N或外S内N和外N内S。

图4为本发明中定子系统的剖视图，定子系统主要包括：定子骨架7、左上绕组8A、左下绕组8B、右上绕组8C、右下绕组8D、前上绕组8E、前下绕组8F、后上绕组8G和后下绕组8H。定子骨架7左端上侧和左端下侧的凸台上分别绕制有左上绕组8A和左下绕组8B，定子骨架7右端上侧和右端下侧的凸台上分别绕制有右上绕组8C和右下绕组8D，定子骨架7前端上侧和前端下侧的凸台上分别绕制有前上绕组8E和前下绕组8F，定子骨架9后端上侧和后端下侧的凸台上分别绕制有后上绕组8G和后下绕组8H，左上绕组8A、左下绕组8B、右上绕组8C、右下绕组8D、前上绕组8E、前下绕组8F、后上绕组8G和后下绕组8H均通过环氧树脂胶固定在定子骨架7上，固化环境为常温真空环境，固化时间不低于72小时。

图5为本发明技术解决方案的上转子固定座1、外上导磁环2A、内上导磁环2B和上磁钢3组成的组件剖视图，上转子固定座1内部有一环形槽，外上导磁环2A、内上导磁环2B和上磁钢3均位于上转子固定座1的环形槽内，并通过环氧树脂胶固化安装在上转子固定座1上，从外往里依次为，外上导磁环2A、上磁钢3和内上导磁环2B。

图6为本发明技术解决方案的下转子固定座4、外下导磁环5A、内下导磁环5B和下磁钢6组成的组件剖视图，下转子固定座4内部有一环形槽，外下导磁环5A、内下导磁环5B和下磁钢6均位于下转子固定座4的环形槽内，并通过环氧树脂胶固化安装在下转子固定座4上，从外往里依次为，外下导磁环5A、下磁钢6和内下导磁环5B。

图7a为本发明技术解决方案的定子骨架7的剖视图，图7b为本发明技术解决方案的定子骨架7的三维结构示意图，其材料为耐高温高强度的聚酰亚胺材料，其左端上侧和左端下侧的凸台分别用于绕制左上绕组8A和左下绕组8B，右端上侧和右端下侧的凸台分别用于绕制右上绕组8C和右下绕组8D，前端上侧和前端下侧的凸台分别用于绕制前上绕组8E和前下绕组8F，后端上侧和后端下侧的凸台分别用于绕制后上绕组8G和后下绕组8H。

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)

1.一种隐式高阻尼洛伦兹力径向磁轴承，主要由转子系统和定子系统两部分组成，其特征在于：转子系统主要包括：上转子固定座(1)、外上导磁环(2A)、内上导磁环(2B)、上磁钢(3)、下转子固定座(4)、外下导磁环(5A)、内下导磁环(5B)和下磁钢(6)；定子系统主要包括：定子骨架(7)、左上绕组(8A)、左下绕组(8B)、右上绕组(8C)、右下绕组(8D)、前上绕组(8E)、前下绕组(8F)、后上绕组(8G)和后下绕组(8H)；上转子固定座(1)内部有一环形槽，外上导磁环(2A)、内上导磁环(2B)和上磁钢(3)均位于上转子固定座(1)的环形槽内，并通过环氧树脂胶固化安装在上转子固定座(1)上，从外往里依次为，外上导磁环(2A)、上磁钢(3)和内上导磁环(2B)，下转子固定座(4)内部有一环形槽，外下导磁环(5A)、内下导磁环(5B)和下磁钢(6)均位于下转子固定座(4)的环形槽内，并通过环氧树脂胶固化安装在下转子固定座(4)上，从外往里依次为，外下导磁环(5A)、下磁钢(6)和内下导磁环(5B)，上转子固定座(1)和下转子固定座(4)通过紧固螺钉连接在一起，定子骨架(7)位于外上导磁环(2A)、内上导磁环(2B)和上磁钢(3)的轴向下方和外下导磁环(5A)、内下导磁环(5B)和下磁钢(6)的轴向上方，左上绕组(8A)和左下绕组(8B)分别缠绕在定子骨架(7)左端上侧和左端下侧的凸台上，右上绕组(8C)和右下绕组(8D)分别缠绕在定子骨架(7)右端上侧和右端下侧的凸台上，前上绕组(8E)和前下绕组(8F)分别缠绕在定子骨架(7)前端上侧和前端下侧的凸台上，后上绕组(8G)和后下绕组(8H)分别缠绕在定子骨架(7)后端上侧和后端下侧的凸台上，左上绕组(8A)、左下绕组(8B)、右上绕组(8C)、右下绕组(8D)、前上绕组(8E)、前下绕组(8F)、后上绕组(8G)和后下绕组(8H)均通过环氧树脂胶固定在定子骨架(7)上，上转子固定座(1)、外上导磁环(2A)、内上导磁环(2B)和上磁钢(3)的下端面与下转子固定座(4)、外下导磁环(5A)、内下导磁环(5B)和下磁钢(6)上端面之间形成气隙(9)。

2.根据权利要求1所述的隐式高阻尼洛伦兹力径向磁轴承，其特征在于：所述的上转子固定座(1)和下转子固定座(4)均为导热性能较好的硬铝合金2A12或超硬铝合金7A09棒材锻料。

3.根据权利要求1所述的隐式高阻尼洛伦兹力径向磁轴承，其特征在于：所述的外上导磁环(2A)、内上导磁环(2B)、外下导磁环(5A)和内下导磁环(5B)均为强导磁率的1J50或1J22棒材材料。

4.根据权利要求1所述的隐式高阻尼洛伦兹力径向磁轴承，其特征在于：所述的上磁钢(3)和下磁钢(6)均为钕铁硼合金或衫钴合金硬磁材料，且均为径向充磁，其充磁方向依次为：外N内S、外S内N或外S内N和外N内S。

5.根据权利要求1所述的隐式高阻尼洛伦兹力径向磁轴承，其特征在于：所述的定子骨架(7)为耐高温高强度的聚酰亚胺材料。