CN109578435A - 一种精密跟踪支架用轴向磁轴承 - Google Patents

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Abstract

一种精密跟踪支架用轴向磁轴承，由“T”字型定子和“E”字型转子组成，其中“T”字型定子的中间定子磁极缠绕有定子控制线圈；“E”字型转子由三个转子磁极构成，其中第一转子磁极缠绕有第一转子偏置线圈和第一转子控制线圈，第三转子磁极缠绕有第二转子偏置线圈和第二转子控制线圈；中间转子磁极的中心线与中间定子磁极的中心线重合，圆周方向上共放置有八组“T”字型定子和“E”字型转子，其中四组“T”字型定子和“E”字型转子放置于推力盘的上方，并沿+X、‑X、+Y、‑Y方向放置；另外四组“T”字型定子和“E”字型转子对应放置于推力盘的下方，本发明所述结构可以大幅降低现有结构磁轴承的体积和重量。

Description

一种精密跟踪支架用轴向磁轴承
技术领域
本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种大承载力分体有限转角轴向磁轴承，可作为卫星平台、机载惯性稳定平台等具有有限转角的无接触支撑，特别适用于导航系统用精密跟踪支架的非接触支承。
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30kg相机载荷的精密跟踪支架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，针对精密跟踪支架这类有限小转角的机构而言，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：一种精密跟踪支架用轴向磁轴承，由“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)组成，其中“T”字型定子(1)的中间定子磁极缠绕有定子控制线圈(3)；“E”字型转子(2)由第一转子磁极、中间转子磁极和第三转子磁极构成，其中第一转子磁极缠绕有第一转子偏置线圈(41)和第一转子控制线圈(42)，第三转子磁极缠绕有第二转子偏置线圈(51)和第二转子控制线圈(52)，第一转子偏置线圈(41)和第二转子偏置线圈(51)的径向方向高度与“E”字型转子的中间转子磁极在径向方向上的高度相等；中间转子磁极的中心线与“T”字型定子(1)的中间定子磁极的中心线重合，圆周方向上共放置有八组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)，其中四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)放置于推力盘的上方，另外四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)放置于推力盘的下方，推力盘上方和下方的四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)沿+X、-X、+Y、-Y方向放置；四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)之间形成轴向磁气隙(6)。第一转子偏置线圈(41)以及第二转子偏置线圈(51)通入偏置电流在轴向磁气隙(6)中形成偏置磁场，定子控制线圈(3)通入控制电流实现推力盘的沿Z方向的平动控制，第一转子控制线圈(42)和第二转子控制线圈(52)通入控制电流实现推力盘沿X和Y方向的偏转控制。
所述推力盘上方由八组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)组成，沿圆周方向均布，其中四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)沿+X、-X、+Y、-Y方向放置；推力盘下方由八组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)组成，与推力盘上方的八组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)对应放置，且推力盘上方的“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)之间形成轴向磁气隙(6)与推力盘下方的“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)之间形成轴向磁气隙(6)不相等。
所述推力盘上方还可由八组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)组成，沿圆周方向均布，其中四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)沿+X、-X、+Y、-Y方向放置；推力盘下方由四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)组成，与推力盘上方的四组沿+X、-X、+Y、-Y方向放置的“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)对应放置。
所述的“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)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等非导磁材料。
上述方案的原理是：本发明通过“E”字型转子(2)的第一转子偏置线圈和第二转子偏置线圈的电流形成“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)之间的偏置磁场，通过“T”字型定子(1)控制线圈中的电流控制实现推力盘的轴向平动控制；通过“E”字型转子(2)的第一转子控制线圈和第二转子控制线圈的电流控制实现推力盘沿径向X方向和Y方向的偏转控制。本发明“T”字型定子控制线圈通电后的电磁磁路为：“T”字型定子(1)的中间定子磁极、气隙、“E”字型转子(2)的中间转子磁极、“E”字型转子(2)的两侧的磁极(即第一转子磁极和第三转子磁极)、气隙、“T”字型定子(1)的两侧导磁部分，回到“T”字型定子(1)的中间定子磁极，如图2所示。本发明“E”字型转子(2)第一转子偏置线圈和第一转子控制线圈通电后的电磁磁路分为两部分，第一部分磁路为：“E”字型转子(2)第一转子磁极、气隙、“T”字型定子(1)与之对应的导磁部分、“T”字型定子(1)的中间定子磁极、气隙、“E”字型转子(2)中间转子磁极；第二部分磁路为：“E”字型转子(2)第一转子磁极、气隙、“T”字型定子(1)与之对应的导磁部分、外侧气隙、“E”字型转子(2)的第三转子磁极，两部分磁路如图3所示。同理，本发明“E”字型转子(2)第二转子偏置线圈和第二转子控制线圈通电后的电磁磁路分为两部分，第一部分磁路为：“E”字型转子(2)第三转子磁极、气隙、“T”字型定子(1)与之对应的导磁部分、“T”字型定子(1)中间定子磁极、气隙、“E”字型转子(2)中间转子磁极；第二部分磁路为：“E”字型转子(2)第三转子磁极、气隙、“T”字型定子(1)与之对应的导磁部分、内侧气隙、“E”字型转子的第一转子磁极。需要说明的是，当第一转子控制线圈与第二转子控制线圈匝数相同，且“T”字型定子(1)的内侧导磁部分和“E”字型转子(2)的第一转子磁极之间的轴向间隙与“T”字型定子(1)外侧导磁部分和“E”字型转子(2)的第三转子磁极之间的轴向间隙相等时，则第一转子控制线圈通电在第三转子磁极处产生的磁通与第二转子控制线圈通入大小相等方向相同的电流在第一转子磁极处产生的磁通大小相等方向相反，故两者相互抵消，因此，当“E”字型转子(2)第一转子控制线圈以及第二转子控制线圈同时通入大小相等方向相同的电流时，其磁路与图2是一样的，则当“T”字型定子(1)控制线圈和“E”字型转子第一转子控制线圈以及第二转子控制线圈同时通电后，合成的磁路如图4所示，图中实线表示的是“T”字型定子(1)控制线圈通电时的磁路图，虚线表示的是“E”字型转子(2)第一转子控制线圈以及第二转子控制线圈同时通电时的磁路图；图4给出的是第一转子控制线圈和第二转子控制线圈通电产生磁通与定子线圈通电产生磁通相叠加时的情形，反之亦然。
在应用本发明所述轴向磁轴承时，通常在圆周方向上共放置有八组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)，其中四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)放置于推力盘的上方，另外四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)放置于推力盘的下方，推力盘上方和下方的四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)沿+X、-X、+Y、-Y方向放置，在四组“E”字型转子(2)中第一转子偏置线圈和第二转子偏置线圈中通入偏置电流，该电流在“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)之间的气隙处形成偏置磁场，此时当推力盘产生沿轴向-z方向的运动时，推力盘上方的“T”字型定子中的定子控制线圈中通入与偏置电流相同方向的电流，使得其在“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)之间磁气隙中的磁场增强，同时在推力盘下方的“T”字型定子中的定子控制线圈中通入与偏置电流相反方向的电流，使得其在“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)之间磁气隙中的磁场减弱，从而使得推力盘产生+z方向运动，进而恢复至平衡位置，反之亦然。当推力盘发生沿+x方向的偏转运动时，沿+y方向放置推力盘上方的“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)之间的磁间隙变小，沿+y方向放置推力盘下方的“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)之间的磁间隙变大，沿-y方向放置推力盘上方的“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)之间的磁间隙变大，沿-y方向放置推力盘下方的“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)之间的磁间隙变小，此时在沿+y方向放置推力盘下方的“E”字型转子(2)以及沿-y方向放置推力盘上方的“E”字型转子(2)中的第一转子控制线圈和第二转子控制线圈通入电流，使得“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)之间磁气隙处产生的磁场与偏置电流产生的磁场方向相同，同时在沿-y方向放置推力盘下方的“E”字型转子(2)以及沿+y方向放置推力盘上方的“E”字型转子(2)中的第一转子控制线圈和第二转子控制线圈通入电流，使得“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)之间磁气隙处产生的磁场与偏置电流产生的磁场方向相反，使得推力盘产生-x方向的恢复力，从而达到平衡，反之亦然。
本发明所述推力盘上方和下方还可均由八组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)组成，沿圆周方向均布，如图6所示，其中四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)沿+X、-X、+Y、-Y方向放置；其中沿+X、-X、+Y、-Y方向放置的“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)控制推力盘的偏转自由度，也就是推力盘沿X和Y方向的两个偏转自由度，其余的四组“T”字型定子(1)以及“E”字型转子(2)用以承担推力盘及放置在其上的载荷的重量，即控制推力盘沿Z方向上的平动自由度；为了进一步减重，有两种方式可以实现，一种方式是在设计时可以使得推力盘上方的八组“T”字型定子(1)以及“E”字型转子(2)之间的轴向磁气隙小于推力盘下方的八组“T”字型定子(1)以及“E”字型转子(2)之间的轴向磁气隙，此时可以减小悬浮轴向承载时的线圈电流大小。在实际应用时，考虑到磁悬浮装置的轴向长度和载荷结构，通常推力盘为上下两个，那么本发明所述结构在设计时，所述八组“T”字型定子(1)放置在下推力盘的上方或下方，上推力盘上方放置相机等载荷。另一种方式是采用推力盘上方和下方采用非对称方式，也就是说，在推力盘上方采用八组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)组成，并沿圆周均布，在推力盘下方采用四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)组成，如图7所示，推力盘下方的四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)与推力盘上方沿+X、-X、+Y、-Y方向放置的“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)对应放置。
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“T”字型定子和“E”字型转子，且转子设计有偏置线圈和控制线圈，“E”字型转子的第一转子偏置线圈和第二转子偏置线圈的设计，大大提高了线圈的利用空间以及利用率，同时提高了轴承的承载能力以及偏转控制的能力，此外，“T”字型定子(1)控制线圈用于控制推力盘的轴向方向运动、“E”字型转子(2)的第一转子控制线圈和第二转子控制线圈控制推力盘沿X方向和Y方向的偏转运动，可以大幅降低现有磁轴承结构的体积和重量。
附图说明
图1为本发明的轴向磁轴承轴向截面图；
图2为本发明轴向磁轴承“T”字型定子控制线圈通电后的磁路图；
图3为本发明轴向磁轴承“E”字型转子第一转子偏置线圈或第一转子控制线圈通电后的磁路图；
图4为本发明轴向磁轴承“T”字型定子控制线圈、“E”字型转子第一转子控制线圈以及第二转子控制线圈同时通电后的磁路图；
图5为本发明的对称结构的轴向磁轴承结构，其中推力盘上方和下方均有4组“T”字型定子和“E”字型转子；
图6为本发明的对称结构的轴向磁轴承结构，其中推力盘上方和下方均有8组“T”字型定子和“E”字型转子；
图7为本发明的非对称结构的轴向磁轴承结构，其中推力盘上方有8组“T”字型定子和“E”字型转子，下方有4组“T”字型定子和“E”字型转子。
具体实施方式
如图1所示，一种精密跟踪支架用轴向磁轴承，由“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)组成，其中“T”字型定子(1)的中间定子磁极缠绕有定子控制线圈(3)，“E”字型转子(2)由第一转子磁极、中间转子磁极和第三转子磁极构成，其中第一转子磁极缠绕有第一转子偏置线圈(41)和第一转子控制线圈(42)，第三转子磁极缠绕有第二转子偏置线圈(51)和第二转子控制线圈(52)，第一转子偏置线圈(41)和第二转子偏置线圈(51)的径向方向高度与“E”字型转子(2)的中间转子磁极在径向方向上的高度相等，本实施例中，“E”字型转子(2)的第一转子磁极和第三转子磁极径向高度是中间转子磁极的3.6倍，这种设计可实现线圈利用率提高28％，所有线圈功耗比传统结构降低21％；中间转子磁极的中心线与中间定子磁极的中心线重合，圆周方向上共放置有八组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)，其中四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)放置于推力盘的上方，另外四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)放置于推力盘的下方，推力盘上方和下方的四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)沿+X、-X、+Y、-Y方向放置；四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)之间形成轴向磁气隙(6)，如图5所示；
就具体应用而言，所述的推力盘上方的四组第一转子偏置线圈(41)、第二转子偏置线圈(51)和推力盘下方的四组第一转子偏置线圈(41)、第二转子偏置线圈(51)通入一定的偏置电流(通常为1A～3A)，使得第一转子偏置线圈(41)以及第二转子偏置线圈(51)在“T”字型定子(1)与“E”字型转子(2)之间磁气隙中产生的磁场方向一致。当推力盘产生沿-Z方向的偏移时，那么推力盘上方的四组“T”字型定子(1)中的定子控制线圈(3)通入与第一转子偏置线圈(41)以及第二转子偏置线圈(51)产生的偏置磁场方向相同的控制电流，而推力盘下方的四组“T”字型定子(1)中的定子控制线圈(3)通入与第一转子偏置线圈(41)以及第二转子偏置线圈(51)产生的偏置磁场方向相反的控制电流，因此整个推力盘产生沿+Z方向的恢复力。当推力盘发生绕沿+Y方向的偏转运动时，即推力盘上方沿+X放置的“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)以及推力盘下方沿-X放置的“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)的之间轴向磁间隙减小，而推力盘上方沿-X放置的“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)以及推力盘下方沿+X放置的“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)的之间轴向磁间隙增加，此时，推力盘上方沿+X放置的“E”字型转子(2)以及推力盘下方沿-X放置的“E”字型转子(2)中的第一转子控制线圈和第二转子控制线圈均通入大小相等方向相同的电流，其与相对应的第一转子偏置线圈(41)以及第二转子偏置线圈(51)中的偏置电流方向相反，使其在轴向磁气隙处产生的磁场与推力盘上方沿+X放置以及推力盘下方沿-X放置的第一转子偏置线圈(41)以及第二转子偏置线圈(51)中的偏置电流在轴向磁气隙处产生的磁场方向相反；而推力盘上方沿-X放置的“E”字型转子(2)以及推力盘下方沿+X放置的“E”字型转子(2)中的第一转子控制线圈(41)和第二转子控制线圈(51)均通入大小相等方向相同的电流，使其在轴向磁气隙处产生的磁场与推力盘上方沿-X放置以及推力盘下方沿+X放置的第一转子偏置线圈(41)和第二转子偏置线圈(51)产生的磁场方向相同，此时，推力盘受到一个沿-Y方向的力矩进而保持平衡。
本发明所述推力盘上方和下方还可均由八组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)组成，沿圆周方向均布，如图6所示，其中推力盘上方和下方的四组沿+X、-X、+Y、-Y方向放置的“T”字型定子和“E”字型转子控制推力盘的偏转自由度，也就是推力盘沿X和Y方向的两个偏转自由度，其余的四组“T”字型定子(1)以及“E”字型转子(2)用以承担推力盘及放置在其上的载荷的重量，即控制推力盘沿Z方向上的平动自由度；为了进一步减重，有两种方式可以实现，一种方式是在设计时可以使得推力盘上方的八组“T”字型定子(1)以及“E”字型转子(2)之间的轴向磁气隙小于推力盘下方的八组“T”字型定子(1)以及“E”字型转子(2)之间的轴向磁气隙，此时可以减小悬浮轴向承载时的线圈电流大小。在实际应用时，考虑到磁悬浮装置的轴向长度和载荷结构，通常推力盘为上下两个，那么本发明所述结构在设计时，所述八组“T”字型定子(1)放置在下推力盘的上方或下方，上推力盘上方放置相机等载荷。另一种方式是采用推力盘上方和下方采用非对称方式，也就是说，在推力盘上方采用八组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)组成，并沿圆周均布，在推力盘下方采用四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)组成，如图7所示，推力盘下方的四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)与推力盘上方沿+X、-X、+Y、-Y方向放置的“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)对应放置。
所述的“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)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。
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 (5)

1.一种精密跟踪支架用轴向磁轴承，其特征在于：由“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)组成，其中“T”字型定子(1)的中间定子磁极缠绕有定子控制线圈(3)；“E”字型转子(2)由第一转子磁极、中间转子磁极和第三转子磁极构成，其中第一转子磁极缠绕有第一转子偏置线圈(41)和第一转子控制线圈(42)，第三转子磁极缠绕有第二转子偏置线圈(51)和第二转子控制线圈(52)；中间转子磁极的中心线与“T”字型定子(1)的中间定子磁极的中心线重合，圆周方向上共放置有八组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)，其中四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)放置于推力盘的上方，另外四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)放置于推力盘的下方，推力盘上方和下方的四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)沿+X、-X、+Y、-Y方向放置；四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)之间形成轴向磁气隙(6)；第一转子偏置线圈(41)以及第二转子偏置线圈(51)通入偏置电流在轴向磁气隙(6)中形成偏置磁场，定子控制线圈(3)通入控制电流实现推力盘的沿Z方向的平动控制，第一转子控制线圈(42)和第二转子控制线圈(52)通入控制电流实现推力盘沿X和Y方向的偏转控制。
2.根据权利要求1所述的轴向磁轴承，其特征在于：所述推力盘上方由八组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)组成，沿圆周方向均布，其中四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)沿+X、-X、+Y、-Y方向放置；推力盘下方由八组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)组成，与推力盘上方的八组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)对应放置，且推力盘上方的“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)之间形成轴向磁气隙(6)与推力盘下方的“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)之间形成轴向磁气隙(6)不相等。
3.根据权利要求1所述的轴向磁轴承，其特征在于：所述推力盘上方由八组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)组成，沿圆周方向均布，其中四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)沿+X、-X、+Y、-Y方向放置；推力盘下方由四组“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)组成，与推力盘上方的四组沿+X、-X、+Y、-Y方向放置的“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)对应放置。
4.根据权利要求1所述的轴向磁轴承，其特征在于：所述的“T”字型定子(1)和“E”字型转子(2)的材料为1J50、1J22或电工纯铁。
5.根据权利要求1所述的轴向磁轴承，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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