CN109236858B - 一种三自由度轴向磁轴承 - Google Patents
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Abstract
一种三自由度轴向磁轴承，由八个“E”字型轴向磁轴承定子单元和推力盘组成，其中每个“E”字型轴向磁轴承定子单元由三个定子磁极构成，推力盘上存在“山”字型凹槽，八个轴向磁轴承定子单元分别沿±X、±Y、±45°与±135°方向布置，其中±X、±Y方向放置的定子单元第一定子磁极缠绕外线圈，第三定子磁极缠绕内线圈，沿±45°与±135°分布的定子单元在第二定子磁极缠绕中线圈。其中沿±X，±Y方向放置的“E”字型定子单元用以实现推力盘沿X和Y方向上的偏转控制，沿±45°和±135°方向放置的“E”字型定子单元用以实现推力盘沿Z方向上的平动。本发明所述的轴向磁轴承提高了线圈的利用率，并提高了轴承的承载能力以及偏转控制的能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种大承载力分体轴向磁轴承，可作为空间用单框架控制力矩陀螺和双框架控制力矩陀螺等旋转部件的无接触支撑，特别适用于磁悬浮惯性稳定平台的非接触支承。
背景技术
常用磁悬浮轴承分电磁偏置式和永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，前者采用偏置电流产生偏置磁场，具有刚度阻尼可调等优点；后者利用永磁体替代电流产生偏置磁场，永磁体产生的磁场承担主要的承载力，电磁磁场提供辅助的调节承载力，具有低功耗等优点。按照承载力的方向分类，磁轴承分为径向磁轴承和轴向磁轴承。对于现有的轴向磁轴承，发明专利200510011272.2公开了一种低功耗永磁偏置轴向磁轴承结构，利用第二气隙使得电磁磁路与永磁磁路解耦，发明专利201510585671.3公开了一种非对称永磁偏置轴向磁轴承，采用双E型定子铁心，利用正Z向和负Z向采用不同磁动势的非对称环形永磁体产生轴向两个方向不同的静态承载力，但是这两种结构所述的轴向磁轴承均为单自由度磁轴承，即仅仅可产生轴向方向的承载力；而发明专利200710098748.X公开了一种永磁偏置轴向磁轴承，发明专利200710098749.4公开了一种磁悬浮飞轮用轴向磁轴承，这两类磁轴承将轴向磁轴承在圆周上沿X和Y方向上分为四组磁极，通过控制每组磁极上线圈的电流方向，可实现转子的轴向平动自由度控制和两个径向偏转自由度控制。但是，当应用于承载500kg相机载荷的惯性平台这种大直径大尺寸大承载力的场合时，存在平台直径大导致轴承尺寸大幅增加，重量显著增大的问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种分体式、可进行轴向平动和径向扭动控制的轴向磁轴承。
本发明的技术解决方案为：一种三自由度轴向磁轴承，由八个“E”字型轴向磁轴承定子单元(1)和推力盘(2)组成，其中每个“E”字型轴向磁轴承定子单元(1)由三个定子磁极构成，外侧磁极是凸出的第一定子磁极，中间磁极是凹陷的第二定子磁极，内侧磁极是凸出的第三定子磁极；推力盘(2)上存在“山”字型凹槽，其外侧凹陷，中部凸起，内侧凹陷与“E”字型轴向磁轴承定子单元(1)的第一定子磁极、第二定子磁极和第三定子磁极分别形成外侧气隙，中部气隙，内侧气隙。八个轴向磁轴承定子单元分别沿±X、±Y、±45°与±135°方向布置，其中±X、±Y方向放置的定子单元第一定子磁极缠绕外线圈(11)，第三定子磁极缠绕内线圈(13)，沿±45°与±135°分布的定子单元在第二定子磁极缠绕中线圈(12)。其中沿±X，±Y方向放置的“E”字型定子单元用以实现推力盘(2)沿X和Y方向上的偏转控制，沿±45°和±135°方向放置的“E”字型定子单元用以实现推力盘(2)沿Z方向上的平动。
所述的推力盘(2)的上方和下方均放置有八个“E”字型轴向磁轴承定子单元(1)，且放置于推力盘(2)上方的八个“E”字型轴向磁轴承定子单元(1)与推力盘(2)之间的磁气隙与放置于推力盘(2)下方的八个“E”字型轴向磁轴承定子单元(1)与推力盘(2)之间的磁气隙不相等。
所述的“E”字型定子的材料为1J50、1J22或电工纯铁。
所述的推力盘的材料为铝合金或钛合金。
上述方案的原理是：本发明所述的三自由度轴向磁轴承，通过控制轴向磁轴承的“E”字型定子单元缠绕的线圈，实现磁轴承转动部分(即推力盘)的轴向平动和径向偏转运动。其中沿±45°和±135°方向放置的“E”字型轴向磁轴承定子单元用以实现转子(即推力盘)的平动控制，其电磁磁路为：从“E”字型定子的凹陷处的第二定子磁极出发，经过中间气隙、推力盘的“山”字型中间的凸出部分、推力盘两侧凹陷部分、内外两侧气隙、“E”字型定子的两侧的定子磁极(即第一定子磁极和第三定子磁极)，再回到“E”字型定子的凹陷处的第二定子磁极。如图3所示。
在应用本发明所述三自由度轴向磁轴承时，通常在推力盘上下两侧均放置有8个轴向磁轴承定子单元，且推力盘上下两侧的定子单元与推力盘之间的气隙相等，如图4所示，在所有轴向磁轴承定子单元的线圈中通入一定大小的偏置电流，使得在磁气隙中产生一定大小的偏置磁场，当推力盘沿Z-方向发生轴向平动时，推力盘上方的轴向磁轴承定子单元与推力盘之间的磁气隙增加而推力盘下方的轴向磁轴承定子单元与推力盘之间的磁气隙减小，此时，在推力盘上方沿±45°和±135°方向放置的“E”字型定子单元第二定子磁极缠绕线圈中通入与偏置电流方向相同的控制电流，增强电磁力，同时在推力盘下方沿±45°和±135°方向放置的“E”字型定子单元第二定子磁极缠绕线圈中通入与偏置电流方向相反的控制电流，削弱电磁力，使推力盘受到沿Z+方向的作用力而恢复到平衡位置，如图5所示，当推力盘沿Z+方向发生轴向平动时，作用原理和沿Z-方向发生轴向平动时相同。
沿±X，±Y方向放置的“E”字型轴向磁轴承定子单元用以实现推力盘沿径向偏转的控制，其结构为凸出的外侧第一定子磁极缠绕外线圈，凸出的内侧第三定子磁极缠绕内线圈，内线圈和外线圈通入偏置电流产生偏置磁场，通过改变各个线圈的控制电流值改变电磁力的大小，进而实现推力盘的径向偏转控制。当推力盘发生小角度偏转时，仅对沿±X，±Y方向放置的“E”字型轴向磁轴承定子单元的内线圈进行控制，其电磁磁路为：第一部分从“E”字型定子凸出的第三定子磁极出发，经过内侧气隙、推力盘内侧凹陷部分、推力盘的“山”字型中间的凸出部分、中间气隙、“E”字型定子的凹陷处的第二定子磁极，再回到“E”字型定子凸出的第三定子磁极，形成闭合回路。第二部分从“E”字型定子凸出的第三定子磁极出发，经过内侧气隙、推力盘内侧凹陷部分、推力盘外侧的凹陷部分、外侧气隙、“E”字型定子的凸出处的第一定子磁极，再回到“E”字型定子凸出的第三定子磁极，形成闭合回路，如图6所示；例如，当推力盘沿Y轴负方向发生小角度(0°～0.8°)偏转时，推力盘上方的沿+X方向放置的轴向磁轴承定子单元与推力盘之间的磁气隙和推力盘下方的沿-X方向放置的轴向磁轴承定子单元与推力盘之间的磁气隙减小，而推力盘上方的沿-X方向放置的轴向磁轴承定子单元与推力盘之间的磁气隙和推力盘下方的沿+X方向放置的轴向磁轴承定子单元与推力盘之间的磁气隙增大，此时，在推力盘上方沿+X方向放置的轴向磁轴承定子单元的第三定子磁极缠绕内线圈以及推力盘下方沿-X方向放置的轴向磁轴承定子单元的第三定子磁极缠绕内线圈通入与偏置电流方向相反的控制电流，使轴向磁轴承定子单元与推力盘之间的电磁力减小，同时，在推力盘上方沿-X方向放置的轴向磁轴承定子单元的第三定子磁极缠绕内线圈以及推力盘下方沿+X方向放置的轴向磁轴承定子单元的第三定子磁极缠绕内线圈通入与偏置电流方向相同的控制电流，使轴向磁轴承定子单元与推力盘之间的电磁力增大，使得推力盘产生一个沿Y轴正方向的恢复力矩。
当转子组件(推力盘)发生大角度偏转时，仅对沿±X，±Y方向放置的“E”字型轴向磁轴承定子单元的外线圈进行控制，其电磁磁路为：第一部分从“E”字型定子凸出的第一定子磁极出发，经过外侧气隙、推力盘外侧凹陷部分、推力盘的“山”字型中间的凸出部分、中间气隙、“E”字型定子的凹陷处的第二定子磁极，再回到“E”字型定子凸出的第一定子磁极，形成闭合回路；第二部分从“E”字型定子凸出的外侧第一定子磁极出发，经过外侧气隙、推力盘外侧凹陷部分、推力盘内侧凹陷部分、内侧气隙、“E”字型定子的凸出处的第三定子磁极，再回到“E”字型定子凸出的第一定子磁极，形成闭合回路，如图7所示。
例如，当转子组件沿Y轴负方向发生大角度(0.8°～2°)偏转时，推力盘上方的沿+X方向放置的轴向磁轴承定子单元与推力盘之间的磁气隙和推力盘下方的沿-X方向放置的轴向磁轴承定子单元与推力盘之间的磁气隙减小，而推力盘上方的沿-X方向放置的轴向磁轴承定子单元与推力盘之间的磁气隙和推力盘下方的沿+X方向放置的轴向磁轴承定子单元与推力盘之间的磁气隙增大，此时，在推力盘上方沿+X方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极缠绕外线圈以及推力盘下方沿-X方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极缠绕外线圈通入与偏置电流方向相反的控制电流，使轴向磁轴承定子单元与推力盘之间的电磁力减小，同时，在推力盘上方沿-X方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极缠绕外线圈以及推力盘下方沿+X方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极缠绕外线圈通入与偏置电流方向相同的控制电流，使轴向磁轴承定子单元与推力盘之间的电磁力增大，使得推力盘产生一个沿Y轴正方向的恢复力矩。
当转子组件沿Y轴负方向发生非常大角度(2°～3°)偏转时，推力盘上方的沿+X方向放置的轴向磁轴承定子单元与推力盘之间的磁气隙和推力盘下方的沿-X方向放置的轴向磁轴承定子单元与推力盘之间的磁气隙减小，而推力盘上方的沿-X方向放置的轴向磁轴承定子单元与推力盘之间的磁气隙和推力盘下方的沿+X方向放置的轴向磁轴承定子单元与推力盘之间的磁气隙增大，此时，在推力盘上方沿+X方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极缠绕外线圈和第三定子磁极缠绕的内线圈以及推力盘下方沿-X方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极缠绕外线圈和第三定子磁极缠绕的内线圈同时通入与偏置电流方向相反的控制电流，使轴向磁轴承定子单元与推力盘之间的电磁力减小，同时，在推力盘上方沿-X方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极缠绕外线圈和第三定子磁极缠绕的内线圈以及推力盘下方沿+X方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极缠绕外线圈和第三定子磁极缠绕的内线圈同时通入与偏置电流方向相同的控制电流，使轴向磁轴承定子单元与推力盘之间的电磁力增大，使得推力盘产生一个沿Y轴正方向的恢复力矩。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明所述的轴向磁轴承具有“E”字型定子结构，设计有三个磁极，所述的八组“E”字型定子，其中四组沿±X方向和±Y方向放置的“E”字型定子实现转子组件的偏转控制，另外四组沿±45°和±135°方向放置的“E”字型定子专门用以实现平动，不仅提高了线圈的利用空间以及利用率，而且提高了轴承的承载能力以及偏转控制的能力；同时可以大幅降低现有结构磁轴承的体积和重量。
附图说明
图1为本发明的轴向磁轴承结构示意图。
图2为本发明的轴向磁轴承八个“E”字型定子单元结构示意图。
图3为本发明的轴向磁轴承轴向截面图以及沿±45°和±135°方向放置的“E”字型轴向磁轴承定子单元在中线圈通电时的电磁磁路图。
图4为成对使用本发明轴向磁轴承的结构示意图。
图5为成对使用本发明轴向磁轴承沿±45°和±135°方向放置的“E”字型轴向磁轴承定子单元发生沿Z方向平动时的电磁磁路图。
图6为成对使用本发明轴向磁轴承沿±X和±Y方向放置的“E”字型轴向磁轴承定子单元发生小角度偏转时的电磁磁路图。
图7为成对使用本发明轴向磁轴承沿±X和±Y方向放置的“E”字型轴向磁轴承定子单元发生大角度偏转时的电磁磁路图。
具体实施方式
如图1所示，一种三自由度轴向磁轴承，由八个“E”字型轴向磁轴承定子单元(1)和推力盘(2)组成，其中每个“E”字型轴向磁轴承定子单元(1)由三个定子磁极构成，外侧磁极是凸出的第一定子磁极，中间磁极是凹陷的第二定子磁极，内侧磁极是凸出的第三定子磁极；推力盘(2)上存在“山”字型凹槽，其外侧凹陷，中部凸起，内侧凹陷与“E”字型轴向磁轴承定子单元(1)的第一定子磁极、第二定子磁极和第三定子磁极分别形成外侧气隙，中部气隙，内侧气隙。八个轴向磁轴承定子单元分别沿±X、±Y、±45°与±135°方向布置，其中±X、±Y方向放置的定子单元第一定子磁极缠绕外线圈(11)，第三定子磁极缠绕内线圈(13)，沿±45°与±135°分布的定子单元在第二定子磁极缠绕中线圈(12)。其中沿±X，±Y方向放置的“E”字型定子单元用以实现推力盘(2)沿X和Y方向上的偏转控制，沿±45°和±135°方向放置的“E”字型定子单元用以实现推力盘(2)沿Z方向上的平动。
所述的“E”字型定子的材料为1J50、1J22或电工纯铁。
所述的推力盘的材料为铝合金或钛合金。
上述轴向磁轴承具体实施尺寸为：转子质量为4.2kg，第一定子磁极内径32mm，第一定子磁极外径38mm，第二定子磁极内径48mm，第二定子磁极外径54mm，第三定子磁极内径62mm，第三定子磁极外径68mm。磁间隙0.4mm，沿±45°和±135°方向放置的轴向磁轴承定子单元中线圈匝数100匝，线圈的线径为0.25mm，偏置电流0.3A；沿±X，±Y方向放置的轴向磁轴承定子单元内线圈匝数100匝，线圈的线径为0.25mm，偏置电流0.4A，外线圈匝数120匝，线圈的线径为0.25mm，偏置电流0.4A。本发明所述结构的轴向磁轴承定子单元存在三个磁极，沿±X、±Y方向的轴向磁轴承定子单元分别在第一定子磁极和第三定子磁极上绕至外线圈和内线圈，沿±45°与±135°方向的轴向磁轴承定子单元在第二定子磁极上绕至中线圈，线圈体积与轴承所占总空问的比值为30％，传统三自由度纯电磁轴向磁轴承结构线圈体积与轴承所占总空间的比值为14％，本发明所述结构大大提高了空间利用率。
例如，当推力盘沿Z-方向发生0.12mm轴向平动时，使推力盘上方沿±45°和±135°方向放置的“E”字型轴向磁轴承定子单元第二定子磁极缠绕的中线圈通入的控制电流大小0.15A，与偏置电流方向相同，推力盘下方沿±45°和±135°方向放置的“E”字型轴向磁轴承定子单元第二定子磁极缠绕线圈中通入的控制电流大小0.15A，与偏置电流方向相反，使推力盘整体受到向上大小为42.2N的力的作用而恢复到平衡位置，当推力盘沿Z+方向发生轴向平动时，作用原理和沿Z-方向发生轴向平动时相同，使推力盘整体受到向下力的作用而恢复到平衡位置。
当推力盘沿Y轴负方向发生小角度偏转0.2°产生1.3Nm力矩时，推力盘上方沿X+方向放置的轴向磁轴承定子单元的第三定子磁极缠绕内线圈通入与偏置电流方向相反的控制电流35.9mA，推力盘上方沿X-方向放置的轴向磁轴承定子单元的第三定子磁极缠绕内线圈通入与偏置电流方向相同的控制电流35.9mA，推力盘下方沿X+方向放置的轴向磁轴承定子单元的第三定子磁极缠绕内线圈通入与偏置电流方向相同的控制电流35.9mA，推力盘下方沿X-方向放置的轴向磁轴承定子单元的第三定子磁极缠绕内线圈通入与偏置电流方向相反的控制电流35.9mA，从而产生沿Y正方向的力矩1.3Nm，使转子恢复到平衡位置；相同条件下，体积相同时，传统三自由度轴向磁轴承结构采用产生0.87N·m力矩，同等体积下本发明所述结构相较传统结构输出力矩增加1.49倍。
当推力盘沿Y轴负方向偏转1.2°产生3.3Nm力矩时，推力盘上方沿X+方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极缠绕外线圈通入与偏置电流方向相反的控制电流0.12A，推力盘上方沿X-方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极缠绕外线圈通入与偏置电流方向相同的控制电流0.12A，推力盘下方沿X+方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极缠绕外线圈通入与偏置电流方向相同的控制电流0.12A，推力盘下方沿X-方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极缠绕外线圈通入与偏置电流方向相反的控制电流0.12A，从而产生沿Y正方向的力矩3.3Nm，使转子恢复到平衡位置；相同条件下，体积相同时，传统三自由度轴向磁轴承结构采用产生2.05N·m力矩，同等体积下本发明所述结构相较传统结构输出力矩增加1.61倍。
当推力盘沿Y轴负方向偏转角度2.6°产生4.6Nm的力矩时，沿±X方向放置的轴向磁轴承定子单元外侧第一定子磁极和内侧第三定子磁极共同起作用，推力盘上方沿X+方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极缠绕外线圈和第三定子磁极缠绕内线圈同时通入与偏置电流方向相反的控制电流0.21A，推力盘上方沿X-方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极缠绕外线圈和第三定子磁极缠绕内线圈同时通入与偏置电流方向相同的控制电流0.21A；推力盘下方沿X+方向放置的磁轴承定子单元的第一定子磁极缠绕外线圈和第三定子磁极缠绕内线圈同时通入与偏置电流方向相同的控制电流0.21A，推力盘下方沿X-方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极缠绕外线圈和第三定子磁极缠绕内线圈同时通入与偏置电流方向相反的控制电流0.21A，从而产生沿Y正方向的力矩4.6Nm，使转子恢复到平衡位置。相同条件下，体积相同时，传统三自由度纯电磁轴向磁轴承结构仅能产生2.6N·m力矩，同等体积下本发明所述结构相较传统结构输出力矩增加1.77倍。
所述的推力盘(2)的上方和下方还可设计为均放置有八个“E”字型轴向磁轴承定子单元(1)，且放置于推力盘(2)上方的八个“E”字型轴向磁轴承定子单元(1)与推力盘(2)之间的磁气隙与放置于推力盘(2)下方的八个“E”字型轴向磁轴承定子单元(1)与推力盘(2)之间的磁气隙不相等，例如，对于上述结构尺寸的轴向磁轴承定子单元而言，如果承载100kg的相机，则最佳磁气隙设计为：推力盘(2)上方的八个“E”字型轴向磁轴承定子单元(1)与推力盘(2)之间的磁气隙为1.2mm，放置于推力盘(2)下方的八个“E”字型轴向磁轴承定子单元(1)与推力盘(2)之间的磁气隙为1.8mm。
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。
Claims (4)
1.一种三自由度轴向磁轴承，其特征在于：由八个“E”字型轴向磁轴承定子单元(1)和推力盘(2)组成，其中每个“E”字型轴向磁轴承定子单元(1)由三个定子磁极构成，外侧磁极是凸出的第一定子磁极，中间磁极是凹陷的第二定子磁极，内侧磁极是凸出的第三定子磁极；推力盘(2)上存在“山”字型凹槽，其外侧凹陷，中部凸起，内侧凹陷与“E”字型轴向磁轴承定子单元(1)的第一定子磁极、第二定子磁极和第三定子磁极分别形成外侧气隙，中部气隙，内侧气隙；八个轴向磁轴承定子单元分别沿±X、±Y、±45°与±135°方向布置，其中±X、±Y方向放置的定子单元第一定子磁极缠绕外线圈(11)，第三定子磁极缠绕内线圈(13)，沿±45°与±135°分布的定子单元在第二定子磁极缠绕中线圈(12)；其中沿±X，±Y方向放置的“E”字型定子单元用以实现推力盘(2)沿X和Y方向上的偏转控制，沿±45°和±135°方向放置的“E”字型定子单元用以实现推力盘(2)沿Z方向上的平动。
2.根据权利要求1所述的三自由度轴向磁轴承，其特征在于：所述的推力盘(2)的上方和下方均放置有八个“E”字型轴向磁轴承定子单元(1)，且放置于推力盘(2)上方的八个“E”字型轴向磁轴承定子单元(1)与推力盘(2)之间的磁气隙与放置于推力盘(2)下方的八个“E”字型轴向磁轴承定子单元(1)与推力盘(2)之间的磁气隙不相等。
3.根据权利要求1所述的三自由度轴向磁轴承，其特征在于：所述的“E”字型定子的材料为1J50、1J22或电工纯铁。
4.根据权利要求1所述的三自由度轴向磁轴承，其特征在于：所述的推力盘的材料为铝合金或钛合金。
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