CN111828475B - 一种径向磁轴承结构及包含该结构的多自由度磁悬浮机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种径向磁轴承结构及包含该结构的多自由度磁悬浮机构，该结构包括上转子组件、下转子组件和定子组件，结构简单，加工便利，装配精度高。由上转子组件、下转子组件形成沿轴向方向的高强度的恒定均匀垂直主磁场；上转子组件和下转子组件的磁钢表面包覆一层导磁材料，可以在磁间隙中形成占比大的均匀平顶磁场，起到聚磁作用。定子组件为空心盘结构，其内置线圈在垂直的均匀磁场中径向成对使用形成力偶，使其在磁间隙内运动时输出力均匀，线性度高，实现径向磁轴承高刚度低扰动的指标要求。本发明解决了现有磁轴承磁力受磁间隙变化影响大，大承载力下功耗大的难题，实现输出磁力线性度好，刚度高，功耗低等优点，属于航天器姿控系统。

Description

一种径向磁轴承结构及包含该结构的多自由度磁悬浮机构

技术领域

本发明涉及一种径向磁轴承结构及包含该结构的多自由度磁悬浮机构，特别是一种洛仑兹力径向磁轴承，它属于应用于航天器的非接触磁悬浮轴承，可作为电机、旋转关节等机械设备中旋转部件的无接触支撑。本发明属于航天器姿控系统技术领域。

背景技术

随着执行机构对磁悬浮提出的低功耗、超稳超静的要求，且要求磁间隙内定转子发生相对位移时仍能实现高性能的稳定悬浮，急需开发一种在一定运动间隙内磁力线性度好、功耗低的径向磁轴承用于实现径向方向运动和扭动。现有的径向磁轴承结构主要有纯电磁磁轴承、永磁偏置磁轴承两种，定转子均为铁心型。其电磁力主要取决于定转子相对间隙和电流，且间隙内电磁力为非线性，当定转子发生相对位移使间隙变化将导致其磁力变化很大，由于其刚度较小，需通过增大电流调整到平衡零位，故功耗将大大增加。而增大刚度则要大大增加其体积重量。故同样工况下，现有磁轴承体积、重量、功耗大，同时由于结构复杂，加工误差对性能影响很大。故急需开发一种在一定运动空间内出力线性度好、功耗低的径向磁轴承。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种径向磁轴承结构及包含该结构的多自由度磁悬浮机构，解决了常规磁轴承磁力受磁间隙影响大，大承载力下功耗大的难题，实现输出磁力线性度好，刚度高，功耗低等优点。

本发明的技术解决方案是：一种径向磁轴承结构，该结构包括上转子组件、下转子组件和定子组件；

上转子组件和下转子组件沿安装主轴轴向上下相对安装在一起，轴向方向上，上转子组件和下转子组件之间存在一定的间隙，称为磁间隙，在磁间隙中沿轴向形成恒定均匀垂直主磁场；所述定子组件为空心盘结构，嵌入在上转子组件和下转子组件之间磁间隙内，整个定子组件中没有导磁物质，定子组件在径向平面内均布偶数个瓦型线圈，线圈平面垂直于轴向且成对安装，每对瓦型线圈通电后在垂直于线圈的均匀磁场中形成力偶。

所述上转子组件和下转子组件均包括转子壳、导磁环、内磁钢环、外磁钢环；其中，上转子组件中导磁环位于转子壳下面，内磁钢环和外磁钢环分内外放置在导磁环下面；下转子组件中导磁环位于转子壳上面，内磁钢环和外磁钢环分内外放置在导磁环上面；所述内磁钢环、外磁钢环轴向充磁，且内磁钢环和外磁钢环充磁方向相反，上转子组件与下转子组件的内磁钢环充磁方向相同，上转子组件与下转子组件的外磁钢环充磁方向相同。

所述上转子组件和下转子组件还包括聚磁环；

所述上转子组件的聚磁环位于内磁钢环和外磁钢环的下面，包覆内磁钢环和外磁钢环靠近磁间隙的下表面；所述下转子组件的聚磁环位于内磁钢环和外磁钢环的上面，包覆内磁钢环和外磁钢环靠近磁间隙的上表面。

所述聚磁环采用具有导磁性能的不易锈材料制成。

所述聚磁环的轴向厚度在0.2mm-0.8mm之间。

上转子组件和下转子组件的内磁钢环和外磁钢环是整体环，或者由多块瓦型磁钢拼装组成一个同极性的磁钢环。

所述定子组件包括定子骨架、多个瓦型线圈、灌封胶和定子座，定子座用于磁轴承定子组件的安装固定；其中：

定子骨架通过螺纹联接固定在定子座上，瓦型线圈固定放置在定子骨架上且处于上转子组件与下转子组件之间的磁间隙内；所述瓦型线圈形状相同，为弧形瓦片形，每对瓦型线圈相对于定子中心原点对称布置。

所述定子组件还包括内阻尼线圈和外阻尼线圈；内阻尼线圈和外阻尼线圈均为环形线圈；

内阻尼线圈位于磁间隙最内侧沿圆周方向绕制的一组环形线圈；外阻尼线圈位于磁间隙最外侧沿圆周方向绕制的一组环形线圈。

所述定子骨架采用非金属材料制成，如环氧层压玻璃布板。

所述定子组件通过抽真空灌胶密封。

本发明的另一个技术解决方案是：一种多自由度磁悬浮机构，该机构包括两个上述径向磁轴承结构，两个径向磁轴承在机构中上下成对安装，上下磁轴承轴向对应的瓦型线圈通入相反方向电流，输出磁力方向相反，即可实现扭转自由度。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)、本发明由上转子组件和下转子组件形成沿轴向方向的高强度的恒定均匀垂直主磁场，同时上转子组件和下转子组件的磁钢表面包覆一层导磁材料，可以在磁间隙中形成占比大的均匀平顶磁场，起到聚磁作用，产生均匀平顶磁场的磁路设计可大大提升输出力矩大小和稳定性。

(2)、本发明定子组件上的瓦形线圈在垂直的均匀磁场中径向成对使用形成力偶，使其在磁间隙内运动时输出力均匀，线性度高，实现径向磁轴承高刚度低扰动的指标要求。

(3)、在定子组件上安装两个环形阻尼线圈，可对高频微振动起到被动隔离或阻尼的作用，安装位置为磁场变化较大的径向分布两端。

(4)、本发明所述的一种新型径向磁轴承，结构简单，加工便利，装配精度高；

(5)、本发明中磁间隙中的磁场恒定，不随定转子间隙的变化而改变，磁力的大小与电流成正比解决了现有磁轴承磁力受磁间隙变化影响大的难题，实现输出磁力线性度好，刚度高，功耗低等优点。

附图说明

图1为本发明实施例1的径向磁轴承典型结构剖面图；

图2为本发明实施例1的转子组件及主磁路示意图；

图3为本发明实施例1的定子组件与线圈示意图。

图4为本发明实施例3的径向磁轴承典型结构剖面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

本发明提供了一种径向磁轴承结构，所述结构包括上转子组件、下转子组件和定子组件，结构简单，加工便利，装配精度高。

上转子组件和下转子组件沿安装主轴轴向上下相对安装在一起，轴向方向上，上转子组件和下转子组件之间存在一定的间隙，称为磁间隙，在磁间隙中沿轴向形成恒定均匀垂直主磁场，不随定转子间隙变化而改变；所述定子组件为空心盘结构，嵌入在上转子组件和下转子组件之间磁间隙内，整个定子组件中没有导磁物质，定子组件在径向平面内均布偶数个瓦型线圈，线圈平面垂直于轴向且成对安装，每对瓦型线圈通电后在垂直于线圈的均匀磁场中形成力偶，使线圈在磁间隙内运动时的磁力波动小，线性度高，实现径向磁轴承高刚度低扰动的指标要求。

优选地，所述上转子组件和下转子组件均包括转子壳、导磁环、内磁钢环、外磁钢环；其中，上转子组件中导磁环位于转子壳下面，内磁钢环和外磁钢环分内外放置在导磁环下面；下转子组件中导磁环位于转子壳上面，内磁钢环和外磁钢环分内外放置在导磁环上面；所述内磁钢环、外磁钢环轴向充磁，且内磁钢环和外磁钢环充磁方向相反，上转子组件与下转子组件的内磁钢环充磁方向相同，上转子组件与下转子组件的外磁钢环充磁方向相同。所述转子壳采用2A12铝合金材料制成。

优选地，所述上转子组件和下转子组件还包括聚磁环；

优选地，所述上转子组件的聚磁环位于内磁钢环和外磁钢环的下面，包覆内磁钢环和外磁钢环靠近磁间隙的下表面；所述下转子组件的聚磁环位于内磁钢环和外磁钢环的上面，包覆内磁钢环和外磁钢环靠近磁间隙的上表面。聚磁环可以在磁间隙中形成占比大的均匀平顶磁场，起到聚磁作用。

优选地，所述聚磁环采用具有导磁性能的不易锈材料制成。

优选地，所述聚磁环的轴向厚度在0.2mm-0.8mm之间。

优选地，所述上转子组件和下转子组件的内磁钢环和外磁钢环是整体环，或者由多块瓦型磁钢拼装组成一个同极性的磁钢环。

优选地，所述定子组件包括定子骨架、多个瓦型线圈、灌封胶和定子座，定子座用于磁轴承定子组件的安装固定；其中：

优选地，定子骨架通过螺纹联接固定在定子座上，定子骨架采用非金属材料制成，如，环氧层压玻璃布板材料，聚砜棒，聚酰亚胺板等。瓦型线圈固定放置在定子骨架上且处于上转子组件与下转子组件之间的磁间隙内；所述瓦型线圈形状相同，为弧形瓦片形，每对瓦型线圈相对于定子中心原点对称布置。

优选地，每对瓦型线圈中的两个瓦型线圈可以同时工作也可以单个工作，彼此可互为备份。

优选地，所述定子组件还包括内阻尼线圈和外阻尼线圈；内阻尼线圈和外阻尼线圈均为首尾闭合的环形线圈；内阻尼线圈位于磁间隙最内侧沿圆周方向绕制的一组环形线圈；外阻尼线圈位于磁间隙最外侧沿圆周方向绕制的一组环形线圈。内阻尼线圈和外阻尼线圈分别放置在定子骨架的内、外两端定位槽内。

优选地，所述定子组件的装配过程为：首先将各个瓦型线圈通过整形脱模后放置在定子骨架相应下线槽位置，再将内外阻尼线圈放置在相应下线槽中。将定子骨架螺纹联接固定在定子座上，整理好各个引出线放置位置后再进行整体灌胶。环氧胶固化稳定后按照尺寸要求将定子骨架的上下两个平面加工到位。具体的灌胶过程为：将所有瓦型线圈、内阻尼线圈和外阻尼线圈放置在定子骨架后，需对定子骨架和所有线圈整体抽真空灌胶密封，在线圈表面形成灌胶膜层，胶层不能有肉眼可见气泡或气孔。灌封胶通常采用E51环氧配方胶。

优选地，上述径向磁轴承结构装配顺序为：先将定子组件放置于上转子组件或下转子组件的聚磁环表面，再采用定位导向工装将下转子组件或上转子组件对应安装在定子组件上方，然后将上转子组件、下转子组件固定在一起形成一个整体。

实施例1：

如图1所示，为本实施例径向磁轴承典型结构剖面图，即本发明的基本形式，包括上转子组件、下转子组件和定子组件。

所述上转子组件与下转子组件成对使用能够形成主磁路产生恒定的轴向垂直磁场；所述定子组件位于上转子组件与下转子组件之间，定子线圈径向成对通电产生电磁力实现径向平动；所述径向磁轴承轴向成对使用可以实现径向扭转自由度的控制。本实施例中，径向磁轴承为内转子外定子结构，如图1所示，该结构中，转子安装在内圈轴承的中心轴上，定子安装在外圆，定子座固定在转子外侧的部件上。

上转子组件均由上转子壳、导磁环、内外磁钢环和聚磁环组成，内外磁钢环通过胶粘放置于导磁环和聚磁环之间；下转子组件均由下转子壳、导磁环、内磁钢环、外磁钢环和聚磁环组成，内磁钢环、外磁钢环通过胶粘放置于导磁环和聚磁环之间；两个聚磁环之间为磁间隙，磁间隙为10mm。

内磁钢环、外磁钢环均为轴向充磁，上转子组件和下转子组件的内磁钢环轴向向上充磁，即上N下S，上转子组件和下转子组件的外磁钢环轴向向下充磁，即上S下N，如图2示例。每个内磁钢环和外磁钢环由6块儿钕铁硼材料瓦型磁钢拼装组成一个同极性的磁钢环。

聚磁环包覆在磁钢靠近磁间隙的表面。如图2所示，采用2Cr13材料。轴向厚度为0.2mm。

定子组件不导磁，由定子座、定子骨架、瓦型线圈、内阻尼线圈、外阻尼线圈和灌封胶组成，定子骨架为非金属材料，将线圈固定放置在定子骨架上且保证处于上转子组件与下转子组件间隙内，4个瓦型线圈径向成对使用形成力偶，内阻尼线圈和外阻尼线圈各自首尾短接形成闭合回路，定子座采用铝座，用于定子组件的定位安装。

定子骨架为环氧层压玻璃布板材料。四个瓦型线圈间隔90度均匀对称放置，每对线圈通电后输出径向力方向相同，可同时工作也可单个工作，彼此可互为备份。在定子骨架的径向两端分别放置沿圆周方向绕制的一组环形线圈分别称作内、外阻尼线圈。然后对定子骨架进行环氧配方胶真空灌封密封，如图3所示。

所述主磁路不随定转子间隙变化而改变，本实施例中，内磁钢环充磁方向为轴向向上，即内磁钢环极性上N下S，外磁钢环充磁方向轴向向下，极性为上S下N，上转子组件和下转子组件产生的主磁场路径为：上转子组件中内磁钢环发出的磁力线通过导磁环与外磁钢环的磁力线叠加，再向下通过上转子组件和下转子组件间磁间隙到达下转子组件，与下转子组件的外磁钢环磁力线叠加，经下转子组件的导磁环与内磁钢环磁力线重合，再通过磁间隙向上回到上转子组件的内磁钢环。

本实施例径向磁轴承转装配顺序为先将定子组件放置于下转子组件的聚磁环上方，再采用定位导向工装将上转子组件对应安装在定子组件上方，上转子组件与下转子组件通过螺钉固定连接。

实施例2：

本实施例也包括上转子组件、下转子组件和定子组件。

所述上转子组件与下转子组件成对使用能够形成主磁路产生恒定的轴向垂直磁场；所述定子组件位于上转子组件与下转子组件上转子组件与下转子组件间，定子线圈径向成对通电产生电磁力实现径向平动；所述径向磁轴承轴向成对使用可以实现径向扭转自由度的控制。

上转子组件均由上转子壳、导磁环、内外磁钢环和聚磁环组成，内外磁钢环通过胶粘放置于导磁环和聚磁环之间；下转子组件均由下转子壳、导磁环、内外磁钢环和聚磁环组成，内外磁钢环通过胶粘放置于导磁环和聚磁环之间；两个聚磁环之间为磁间隙，磁间隙为8mm。

内磁钢环、外磁钢环均为轴向充磁，上转子组件与下转子组件的内导磁环轴向向下充磁，即上S下N，上转子组件与下转子组件的外磁钢环轴向向上充磁，即上N下S。每个内磁钢环、外磁钢环均为一个完整的钐钴材料磁钢环。

聚磁环包覆在磁钢靠近磁间隙的表面。如图2所示，采用2Cr13材料。轴向厚度为0.8mm。

定子组件不导磁，由定子座、定子骨架、瓦型线圈、阻尼线圈和灌封胶组成，定子骨架为非金属材料，将线圈固定放置在定子骨架上且保证处于上转子组件与下转子组件间隙内，6个瓦型线圈径向成对使用形成力偶，内阻尼线圈和外阻尼线圈各自首尾短接形成闭合回路，做阻尼用。定子座采用铝座，用于定子组件的定位安装。

定子骨架为环氧层压玻璃布板材料。6个瓦型线圈间隔60度均匀放置，对称的两个线圈为一对，每对线圈通电后输出径向力方向相同，可同时工作也可单个工作，彼此可互为备份。在定子骨架的径向两端分别放置沿圆周方向绕制的一组环形线圈分别称作内、外阻尼线圈。然后对定子骨架进行环氧配方胶真空灌封密封。

所述主磁路不随定转子间隙变化而改变，本实施例中，内磁钢环充磁方向为轴向向下，即内磁钢环极性上S下N，外磁钢环充磁方向轴向向上，极性为上N下S，上转子组件和下转子组件产生的主磁场路径为：上转子组件中外磁钢环发出的磁力线通过导磁环与内磁钢环的磁力线叠加，再向下通过上转子组件和下转子组件间磁间隙到达下转子组件，与下转子组件的内磁钢环磁力线叠加，经下转子组件的导磁环与外磁钢环磁力线重合，再向上通过磁间隙回到上转子组件的外磁钢环。

本实施例径向磁轴承转装配顺序为先将定子组件放置于下转子组件的聚磁环上方，再采用定位导向工装将上转子组件对应安装在定子组件上方，上转子组件与下转子组件通过螺钉固定连接。

实施例3

如图4所示，本实施例为外转子内定子结构，磁钢组件和定子参数设计与实施例1中的一样，只是转子要安装在外圆，故转子壳在外，定子要安装在机构的内轴上，就是定子座在内。

实施例4：

本实施例提供了一种5自由度的磁悬浮机构，该机构采用一个轴向磁轴承来实现轴向自由度控制，通过安装两个本专利所述径向磁轴承来实现平动和扭转共4个自由度的控制。在机构轴向上下端分别安装一套径向磁轴承结构，安装时保证两套径向磁轴承的定子组件中的各瓦型线圈轴向位置对齐。上下两套径向磁轴承的对应线圈通入同向电流时，可同时控制径向XY方向两自由度的平动；对应线圈通入相反的电流，输出的磁力方向相反，即可实现两个扭转自由度。

两个径向磁轴承在机构中可上下成对安装，上下磁轴承对应线圈输出磁力方向相反，即可实现扭转自由度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种径向磁轴承结构，其特征在于：包括上转子组件、下转子组件和定子组件；

上转子组件和下转子组件沿安装主轴轴向上下相对安装在一起，轴向方向上，上转子组件和下转子组件之间存在一定的间隙，称为磁间隙，在磁间隙中沿轴向形成恒定均匀垂直主磁场；所述定子组件为空心盘结构，嵌入在上转子组件和下转子组件之间磁间隙内，整个定子组件中没有导磁物质，定子组件在径向平面内均布偶数个瓦型线圈，线圈平面垂直于轴向且成对安装，每对瓦型线圈通电后在垂直于线圈的均匀磁场中形成力偶；

所述上转子组件和下转子组件均包括转子壳、导磁环、内磁钢环、外磁钢环；其中，上转子组件中导磁环位于转子壳下面，内磁钢环和外磁钢环分内外放置在导磁环下面；下转子组件中导磁环位于转子壳上面，内磁钢环和外磁钢环分内外放置在导磁环上面；所述内磁钢环、外磁钢环轴向充磁，且内磁钢环和外磁钢环充磁方向相反，上转子组件与下转子组件的内磁钢环充磁方向相同，上转子组件与下转子组件的外磁钢环充磁方向相同；

所述上转子组件和下转子组件还包括聚磁环；

所述上转子组件的聚磁环位于内磁钢环和外磁钢环的下面，包覆内磁钢环和外磁钢环靠近磁间隙的下表面；所述下转子组件的聚磁环位于内磁钢环和外磁钢环的上面，包覆内磁钢环和外磁钢环靠近磁间隙的上表面。

2.根据权利要求1所述的一种径向磁轴承结构，其特征在于：所述聚磁环采用具有导磁性能的不易锈材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种径向磁轴承结构，其特征在于：所述聚磁环的轴向厚度在0.2mm-0.8mm之间。

4.根据权利要求1所述的一种径向磁轴承结构，其特征在于：上转子组件和下转子组件的内磁钢环和外磁钢环是整体环，或者由多块瓦型磁钢拼装组成一个同极性的磁钢环。

5.根据权利要求1所述的一种径向磁轴承结构，其特征在于：所述定子组件包括定子骨架、多个瓦型线圈、灌封胶和定子座，定子座用于磁轴承定子组件的安装固定；其中：

定子骨架通过螺纹联接固定在定子座上，瓦型线圈固定放置在定子骨架上且处于上转子组件与下转子组件之间的磁间隙内；所述瓦型线圈形状相同，为弧形瓦片形，每对瓦型线圈相对于定子中心原点对称布置。

6.根据权利要求5所述的一种径向磁轴承结构，其特征在于：所述定子组件还包括内阻尼线圈和外阻尼线圈；内阻尼线圈和外阻尼线圈均为环形线圈；内阻尼线圈位于磁间隙最内侧沿圆周方向绕制的一组环形线圈；外阻尼线圈位于磁间隙最外侧沿圆周方向绕制的一组环形线圈。

7.根据权利要求5所述的一种径向磁轴承结构，其特征在于：所述定子骨架采用非金属材料制成，如环氧层压玻璃布板。

8.根据权利要求7所述的一种径向磁轴承结构，其特征在于：所述定子组件通过抽真空灌胶密封。

9.一种多自由度磁悬浮机构，其特征在于：包括两个权利要求1所述的径向磁轴承结构，两个径向磁轴承在机构中上下成对安装，上下磁轴承轴向对应的瓦型线圈通入相反方向电流，输出磁力方向相反，即可实现扭转自由度。

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