CN115059690B - 一种斜装三正交三自由度平动磁轴承 - Google Patents
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Abstract
一种斜装三正交三自由度平动磁轴承，主要由定子系统和动子两部分组成，定子系统主要包括：定子磁极安装支架、轴承盖、外侧磁极定子铁心、外侧励磁线圈、内侧磁极定子铁心、内侧励磁线圈。磁极与动子均为球面结构，三组周向120°均布、35.26°斜装的磁极在空间中形成斜装三正交结构，每组磁极产生的电磁合力过球心且相互垂直，能够同时控制动子径向两自由度和轴向一自由度的平动，并通过斜装三正交结构将三自由度平动控制所需电磁力分解转换为三组磁极方向电磁力，实现了动子三自由度平动悬浮和解耦控制，降低了控制难度的同时提高了控制精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种非接触磁悬浮平动轴承，尤其涉及一种斜装三正交三自由度平动磁轴承。
技术背景
航天器在轨运行过程中，受到宇宙空间环境中的多种扰动的影响产生振动，造成姿态的变化，对于航天器搭载的需要甚稳超静工作环境的载荷而言，振动的影响无法忽略；类似地，大气层内飞行器由于要考虑气动力和重力影响，情况更加复杂。利用磁悬浮技术使载荷非接触悬浮可以有效隔绝飞行器产生的振动，提高载荷的姿态指向精度，能够实现这一功能的重要电磁部件有多种，其中常用的一类是磁轴承。
磁轴承按照工作原理可以分为三类，主动磁轴承、被动磁轴承、混合磁轴承，主动磁轴承可分为洛伦兹力磁轴承、永磁偏置磁轴承和纯电磁磁轴承。洛伦兹力磁轴承通过改变放置于恒定磁场中绕组电流的大小和方向，产生所需的悬浮力，其力与电流成正比，线性度好，控制精度高，但承载力低，承重悬浮功耗大。永磁偏置磁轴承和纯电磁磁轴承的电磁悬浮力与电流成平方关系，承载力大、承载功耗低，常用作转子平动悬浮支承。与永磁偏置磁轴承相比，纯电磁磁轴承断电状态下，无电磁吸力，非常便于系统装配和调试。当转子质心与球心重合时，电磁悬浮力过质心，不会产生偏转力矩，消除了平动悬浮对偏转悬浮的干扰，有利于磁悬浮微框架飞轮转子高精度悬浮支承。
一般的平动磁轴承分为径向磁轴承和轴向磁轴承两类，平动的三个自由度分两个磁轴承控制，现有的部分多自由度磁轴承，往往是通过机械结构将多个磁轴承进行结合，专利申请号202111256226.4所述的一种混合轴径向磁轴承组件及磁悬浮电机设计了一种轴向磁轴承和径向磁轴承的C型结构及其沿转子轴的排布方式，实现了三自由度平动控制，专利申请号202111655052.9设计了一种由两体两个半自由度混合磁轴承成对组成的五自由度磁轴承，实现了三自由度平动控制。上述两个混合磁轴承均通过机械结构设计来实现混合轴径向平动控制，不同自由度绕组之间存在相互干扰。
发明内容
本发明的目的是提供一种斜装三正交三自由度平动磁轴承。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的斜装三正交三自由度平动磁轴承，主要由定子系统和动子两部分组成，其特征在于：所述定子系统主要包括：定子磁极安装支架、轴承盖、第一外侧定子铁心、第二外侧定子铁心、第三外侧定子铁心、外侧励磁线圈、第一内侧定子铁心、第二内侧定子铁心、第三内侧定子铁心、内侧励磁线圈；所述第一外侧定子铁心组成两个磁极，第二外侧定子铁心组成两个磁极，第三外侧定子铁心组成两个磁极，第一内侧定子铁心组成两个磁极，第二内侧定子铁心组成两个磁极，第三内侧定子铁心组成两个磁极，第一外侧定子铁心、第二外侧定子铁心、第三外侧定子铁心、第一内侧定子铁心、第二内侧定子铁心和第三内侧定子铁心内外相对组成磁轴承三组12个磁极，三组周向120°均布、35.26°斜装的磁极在空间中形成斜装三正交结构，将径向两自由度和轴向一自由度即X、Y、Z三个方向平动分解转换为三组磁极中心连线ξ、η、γ方向，内外磁极分别组成ξ、η、γ轴正负方向的磁极，外侧磁极绕制有外侧励磁线圈，内侧磁极绕制有内侧励磁线圈，并通过环氧树脂胶固化在第一外侧定子铁心、第二外侧定子铁心、第三外侧定子铁心、第一内侧定子铁心、第二内侧定子铁心和第三内侧定子铁心上，第一外侧定子铁心、第二外侧定子铁心、第三外侧定子铁心和外侧励磁线圈均位于定子磁极安装支架底座的轴向上方，第一内侧定子铁心、第二内侧定子铁心、第三内侧定子铁心和内侧励磁线圈均位于定子磁极安装支架中轴的径向外侧，动子球面与第一外侧定子铁心内球面、第二外侧定子铁心内球面、第三外侧定子铁心内球面、第一内侧定子铁心外球面、第二内侧定子铁心外球面和第三内侧定子铁心外球面留有一定的间隙，形成薄壳气隙。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的斜装三正交三自由度平动磁轴承，采用全球面结构，磁极面和动子球面同心装配，保证电磁合力通过球心，不产生干扰力矩，降低对偏转控制的干扰，动子的具体结构可以任意设计，仅需保证球壳部分的内外表面直径能与内外磁极表面留下适当的薄壳气隙，本发明所设计的斜装三正交结构相比较于传统电磁平动磁轴承仅能控制X、Y两个方向即径向两自由度平动的结构，优势在于本发明通过斜装三正交结构将径向两自由度和轴向一自由度即X、Y、Z三个方向平动分解转换为三组磁极中心连线ξ、η、γ方向，三组磁极产生的电磁合力分别沿ξ、η、γ轴过球心且相互垂直，从而将三自由度平动控制所需电磁力分解为三组磁极方向电磁力，使得磁轴承能够同时控制动子径向两自由度和轴向一自由度的平动，并将三自由度平动控制所需电磁力解耦到三磁极电磁合力方向，实现了动子三自由度平动悬浮和解耦控制，降低了控制难度的同时提高了控制精度。
附图说明
图1为本发明的斜装三正交三自由度平动磁轴承的120°旋转剖视图；
图2为本发明的磁极剖视图及磁路图；
图3为本发明的定子系统的俯视图；
具体实施方案
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。
本发明的斜装三正交三自由度平动磁轴承，其较佳的具体实施方式是：
主要由定子系统和动子两部分组成，其特征在于：所述定子系统主要包括：定子磁极安装支架、轴承盖、第一外侧定子铁心、第二外侧定子铁心、第三外侧定子铁心、外侧励磁线圈、第一内侧定子铁心、第二内侧定子铁心、第三内侧定子铁心、内侧励磁线圈；所述第一外侧定子铁心组成两个磁极，第二外侧定子铁心组成两个磁极，第三外侧定子铁心组成两个磁极，第一内侧定子铁心组成两个磁极，第二内侧定子铁心组成两个磁极，第三内侧定子铁心组成两个磁极，第一外侧定子铁心、第二外侧定子铁心、第三外侧定子铁心、第一内侧定子铁心、第二内侧定子铁心和第三内侧定子铁心内外相对组成磁轴承三组12个磁极，三组周向120°均布、35.26°斜装的磁极在空间中形成斜装三正交结构，将径向两自由度和轴向一自由度即X、Y、Z三个方向平动分解转换为三组磁极中心连线ξ、η、γ方向，内外磁极分别组成ξ、η、γ轴正负方向的磁极，外侧磁极绕制有外侧励磁线圈，内侧磁极绕制有内侧励磁线圈，并通过环氧树脂胶固化在第一外侧定子铁心、第二外侧定子铁心、第三外侧定子铁心、第一内侧定子铁心、第二内侧定子铁心和第三内侧定子铁心上，第一外侧定子铁心、第二外侧定子铁心、第三外侧定子铁心和外侧励磁线圈均位于定子磁极安装支架底座的轴向上方，第一内侧定子铁心、第二内侧定子铁心、第三内侧定子铁心和内侧励磁线圈均位于定子磁极安装支架中轴的径向外侧，动子球面与第一外侧定子铁心内球面、第二外侧定子铁心内球面、第三外侧定子铁心内球面、第一内侧定子铁心外球面、第二内侧定子铁心外球面和第三内侧定子铁心外球面留有一定的间隙，形成薄壳气隙。
所述的第一外侧定子铁心、第二外侧定子铁心和第三外侧定子铁心在定子磁极安装支架的底座上成120°均布，径向安装位置到底座轴心的距离相等，磁极球面在底座面上的投影与底座的圆周轮廓同心。所述的第一内侧定子铁心、第二内侧定子铁心和第三内侧定子铁心在定子磁极安装支架的中轴上成120°均布，磁极球面在底座面上的投影与底座的圆周轮廓同心，轴向安装高度。所述的第一外侧定子铁心、第二外侧定子铁心、第三外侧定子铁心、第一内侧定子铁心、第二内侧定子铁心和第三内侧定子铁心的磁极面均为球面磁极，且形状完全相同，所有磁极面均同心装配，与动子的球面同心。所述的第一外侧定子铁心、第二外侧定子铁心、第三外侧定子铁心、第一内侧定子铁心、第二内侧定子铁心和第三内侧定子铁心均为1J22或其他高饱和磁密导磁材料。
本发明的斜装三正交三自由度平动磁轴承，采用全球面结构，磁极面和动子球面同心装配，保证电磁合力通过球心，不产生干扰力矩，降低对偏转控制的干扰，相比较于传统电磁平动磁轴承仅能控制X、Y两个方向即径向两自由度平动的结构，优势在于本发明通过斜装三正交结构将径向两自由度和轴向一自由度即X、Y、Z三个方向平动分解转换为三组磁极中心连线ξ、η、γ方向，三组磁极产生的电磁合力分别沿ξ、η、γ轴过球心且相互垂直，从而将三自由度平动控制所需电磁力分解为三组磁极方向电磁力，使得磁轴承能够同时控制动子径向两自由度和轴向一自由度的平动，并将三自由度平动控制所需电磁力解耦到三磁极电磁合力方向，实现了动子三自由度平动悬浮和解耦控制，降低了控制难度的同时提高了控制精度。
上述方案的原理是：
本发明所述的第一外侧定子铁心、第二外侧定子铁心和第三外侧定子铁心的磁极完全相同，第一内侧定子铁心、第二内侧定子铁心和第三内侧定子铁心的外安装磁极完全相同，所有磁极球面球心与动子球面球心完全重合，动子所受电磁力始终过球心，通过加装配重调整动子质心在Z轴位置使得动子质心与球心重合时，电磁力对动子产生的力矩为零，从而消除了平动悬浮对偏转悬浮的干扰。第一外侧定子铁心、第二外侧定子铁心、第三外侧定子铁心、第一内侧定子铁心、第二内侧定子铁心和第三内侧定子铁心内外相对组成磁轴承三组12个磁极，三组周向120°均布、35.26°斜装的磁极在空间中形成斜装三正交结构，将径向两自由度和轴向一自由度即X、Y、Z三个方向平动分解转换为三组磁极中心连线ξ、η、γ方向，内外磁极分别组成ξ、η、γ轴正负方向的磁极，每组磁极产生的电磁合力分别沿ξ、η、γ轴过球心且相互垂直，上述斜装三正交结构将三自由度平动控制所需电磁力分解为三组磁极方向电磁力，能够同时进行径向两自由度和轴向一自由度平动控制，并将三自由度平动控制所需电磁力解耦到三磁极电磁合力方向，实现了动子三自由度平动悬浮和解耦控制，降低了控制难度的同时提高了控制精度。本发明的磁路如图2所示，电磁磁路为：磁通从定子铁心的左磁极出发，通过气隙进入动子，穿过动子回到气隙，再次穿越气隙从铁心的右磁极返回，通过磁极背铁形成闭环。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明采用了斜装三正交结构将三自由度平动控制所需电磁力分解为三组磁极方向电磁力，能够同时进行径向两自由度和轴向一自由度平动控制，并将三自由度平动控制所需电磁力解耦到三磁极电磁合力方向，实现了动子三自由度平动悬浮和解耦控制，相较于传统的多自由度平动磁轴承通过机械结构将轴向磁轴承和径向磁轴承组合在一起的设计，本发明的斜装三正交结构真正做到了使用三自由度平动磁轴承替代轴向磁轴承和径向磁轴承，并通过斜装三正交结构实现了三自由度组合控制的解耦，减少了部件数量，优化了结构设计和装配难度的同时没有提高控制难度；
具体实施例：
如图1所示，斜装三正交三自由度平动磁轴承主要由定子系统和动子(5)两部分组成，定子系统主要包括：定子磁极安装支架(1)、轴承盖(2)、第一外侧定子铁心(3A)、第二外侧定子铁心(3B)、第三外侧定子铁心(3C)、外侧励磁线圈(4)、第一内侧定子铁心(7A)、第二内侧定子铁心(7B)、第三内侧定子铁心(7C)、内侧励磁线圈(6)；第一外侧定子铁心(3A)组成两个磁极，第二外侧定子铁心(3B)组成两个磁极，第三外侧定子铁心(3C)组成两个磁极，第一内侧定子铁心(7A)组成两个磁极，第二内侧定子铁心(7B)组成两个磁极，第三内侧定子铁心(7C)组成两个磁极，第一外侧定子铁心(3A)、第二外侧定子铁心(3B)、第三外侧定子铁心(3C)、第一内侧定子铁心(7A)、第二内侧定子铁心(7B)和第三内侧定子铁心(7C)内外相对组成磁轴承三组12个磁极，三组周向120°均布、35.26°斜装的磁极在空间中形成斜装三正交结构，将径向两自由度和轴向一自由度即X、Y、Z三个方向平动分解转换为三组磁极中心连线ξ、η、γ方向，内外磁极分别组成ξ、η、γ轴正负方向的磁极，外侧磁极绕制有外侧励磁线圈(4)，内侧磁极绕制有内侧励磁线圈(6)，并通过环氧树脂胶固化在第一外侧定子铁心(3A)、第二外侧定子铁心(3B)、第三外侧定子铁心(3C)、第一内侧定子铁心(7A)、第二内侧定子铁心(7B)和第三内侧定子铁心(7C)上，第一外侧定子铁心(3A)、第二外侧定子铁心(3B)、第三外侧定子铁心(3C)和外侧励磁线圈(4)均位于定子磁极安装支架(1)底座的轴向上方，第一内侧定子铁心(7A)、第二内侧定子铁心(7B)、第三内侧定子铁心(7C)和内侧励磁线圈(6)均位于定子磁极安装支架(1)中轴的径向外侧，动子(5)球面与第一外侧定子铁心(3A)内球面、第二外侧定子铁心(3B)内球面、第三外侧定子铁心(3C)内球面、第一内侧定子铁心(7A)外球面、第二内侧定子铁心(7B)外球面和第三内侧定子铁心(7C)外球面留有一定的间隙，形成薄壳气隙。
图2为本发明中磁极的剖视图，本发明的磁路为：磁通从定子铁心的左磁极出发，通过气隙进入动子，穿过动子回到气隙，再次穿越气隙从铁心的右磁极返回，通过磁极背铁形成闭环。
图3为本发明中定子系统的俯视图，第一外侧定子铁心(3A)、第二外侧定子铁心(3B)和第三外侧定子铁心(3C)的磁极完全相同，第一内侧定子铁心(7A)、第二内侧定子铁心(7B)和第三内侧定子铁心(7C)的外安装磁极完全相同，所有磁极球面球心与动子球面球心完全重合，第一外侧定子铁心(3A)、第二外侧定子铁心(3B)、第三外侧定子铁心(3C)、第一内侧定子铁心(7A)、第二内侧定子铁心(7B)和第三内侧定子铁心(7C)内外相对组成磁轴承三组12个磁极，三组周向120°均布、35.26°斜装的磁极在空间中形成斜装三正交结构，将径向两自由度和轴向一自由度即X、Y、Z三个方向平动分解转换为三组磁极中心连线ξ、η、γ方向，内外磁极分别组成ξ、η、γ轴正负方向的磁极，外侧磁极绕制有外侧励磁线圈，内侧磁极绕制有内侧励磁线圈，并通过环氧树脂胶固化在第一外侧定子铁心(3A)、第二外侧定子铁心(3B)、第三外侧定子铁心(3C)、第一内侧定子铁心(7A)、第二内侧定子铁心(7B)和第三内侧定子铁心(7C)上，第一外侧定子铁心(3A)、第二外侧定子铁心(3B)、第三外侧定子铁心(3C)和外侧励磁线圈(4)均位于定子磁极安装支架(1)底座的轴向上方，第一内侧定子铁心(7A)、第二内侧定子铁心(7B)、第三内侧定子铁心(7C)和内侧励磁线圈(6)均位于定子磁极安装支架(1)中轴的径向外侧。
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 (6)
1.一种斜装三正交三自由度平动磁轴承，主要由定子系统和动子(5)两部分组成，其特征在于：所述定子系统主要包括：定子磁极安装支架(1)、轴承盖(2)、第一外侧定子铁心(3A)、第二外侧定子铁心(3B)、第三外侧定子铁心(3C)、外侧励磁线圈(4)、第一内侧定子铁心(7A)、第二内侧定子铁心(7B)、第三内侧定子铁心(7C)、内侧励磁线圈(6)；所述第一外侧定子铁心(3A)组成两个磁极，第二外侧定子铁心(3B)组成两个磁极，第三外侧定子铁心(3C)组成两个磁极，第一内侧定子铁心(7A)组成两个磁极，第二内侧定子铁心(7B)组成两个磁极，第三内侧定子铁心(7C)组成两个磁极，第一外侧定子铁心(3A)、第二外侧定子铁心(3B)、第三外侧定子铁心(3C)、第一内侧定子铁心(7A)、第二内侧定子铁心(7B)和第三内侧定子铁心(7C)内外相对组成磁轴承三组12个磁极，三组周向120°均布、35.26°斜装的磁极在空间中形成斜装三正交结构，将径向两自由度和轴向一自由度即X、Y、Z三个方向平动分解转换为三组磁极中心连线ξ、η、γ方向，内外磁极分别组成ξ、η、γ轴正负方向的磁极，外侧磁极绕制有外侧励磁线圈(4)，内侧磁极绕制有内侧励磁线圈(6)，并通过环氧树脂胶固化在第一外侧定子铁心(3A)、第二外侧定子铁心(3B)、第三外侧定子铁心(3C)、第一内侧定子铁心(7A)、第二内侧定子铁心(7B)和第三内侧定子铁心(7C)上，第一外侧定子铁心(3A)、第二外侧定子铁心(3B)、第三外侧定子铁心(3C)和外侧励磁线圈(4)均位于定子磁极安装支架(1)底座的轴向上方，第一内侧定子铁心(7A)、第二内侧定子铁心(7B)、第三内侧定子铁心(7C)和内侧励磁线圈(6)均位于定子磁极安装支架(1)中轴的径向外侧，动子(5)球面与第一外侧定子铁心(3A)内球面、第二外侧定子铁心(3B)内球面、第三外侧定子铁心(3C)内球面、第一内侧定子铁心(7A)外球面、第二内侧定子铁心(7B)外球面和第三内侧定子铁心(7C)外球面留有一定的间隙，形成薄壳气隙。
2.根据权利要求1所述的斜装三正交三自由度平动磁轴承，其特征在于：所述的第一外侧定子铁心(3A)、第二外侧定子铁心(3B)、第三外侧定子铁心(3C)、第一内侧定子铁心(7A)、第二内侧定子铁心(7B)和第三内侧定子铁心(7C)的磁极面均为球面磁极，且形状完全相同，所有磁极面均同心装配，与动子(5)的球面同心。
3.根据权利要求1所述的斜装三正交三自由度平动磁轴承，其特征在于：所述的第一外侧定子铁心(3A)、第二外侧定子铁心(3B)和第三外侧定子铁心(3C)在定子磁极安装支架(1)的底座上成120°均布，径向安装位置到底座轴心的距离相等，磁极球面在底座面上的投影与底座的圆周轮廓同心。
4.根据权利要求1所述的斜装三正交三自由度平动磁轴承，其特征在于：所述的第一内侧定子铁心(7A)、第二内侧定子铁心(7B)和第三内侧定子铁心(7C)在定子磁极安装支架(1)的中轴上成120°均布，磁极球面在底座面上的投影与底座的圆周轮廓同心，轴向安装位置高度相等。
5.根据权利要求1所述的斜装三正交三自由度平动磁轴承，其特征在于：所述的第一外侧定子铁心(3A)、第二外侧定子铁心(3B)、第三外侧定子铁心(3C)、第一内侧定子铁心(7A)、第二内侧定子铁心(7B)和第三内侧定子铁心(7C)均为1J22或其他高饱和磁密导磁材料。
6.根据权利要求1所述的斜装三正交三自由度平动磁轴承，其特征在于：所述的斜装三正交结构将三自由度平动控制所需电磁力分解为三组磁极方向电磁力，能够同时控制动子径向两自由度和轴向一自由度的平动，并将三自由度平动控制所需电磁力解耦到三磁极电磁合力方向，实现了动子三自由度平动悬浮和解耦控制。
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- 2022-07-15 CN CN202210835517.7A patent/CN115059690B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115059690A (zh) | 2022-09-16 |
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