專利名稱：一種磁懸浮飛輪用軸向磁軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非接觸磁懸浮軸承，特別是一種磁懸浮飛輪用軸向磁軸承，可作為微小型衛(wèi)星等航天器中旋轉(zhuǎn)部件的無接觸支撐，特別適用于磁懸浮飛輪的非接觸支承。
背景技術(shù)：
常用磁懸浮軸承分電磁偏置式和永磁偏置加電磁控制的混合式磁懸浮軸承，前者采用電流產(chǎn)生偏置磁場，因此工作電流大、功耗大，后者利用永磁體替代電流產(chǎn)生偏置磁場，永磁體產(chǎn)生的磁場承擔(dān)主要的承載力，電磁磁場提供輔助的調(diào)節(jié)承載力，因而這種軸承可大大減小控制電流，降低損耗。但現(xiàn)有的永磁偏置軸向磁軸承，其電磁磁路經(jīng)過永磁體，因而仍然功耗大，中國專利申請?zhí)?00510011272.2給出的一種永磁偏置軸向磁軸承，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)通過激磁氣隙5可以使得電磁磁路經(jīng)過軸承體1、氣隙以及該激磁氣隙5形成回路，避免了電磁磁路直接經(jīng)過永磁體3，因而功耗低，但是現(xiàn)有所有結(jié)構(gòu)的軸向磁軸承，其定子部分和轉(zhuǎn)子部分均采用實(shí)體結(jié)構(gòu)，因而在實(shí)體結(jié)構(gòu)的定子和轉(zhuǎn)子中的鐵耗仍然較大。更重要的是，現(xiàn)有軸向磁軸承定子結(jié)構(gòu)都是整圓結(jié)構(gòu)，對轉(zhuǎn)子只能進(jìn)行軸向平動(dòng)控制，無法利用軸向磁軸承對轉(zhuǎn)子進(jìn)行徑向扭動(dòng)控制，因而在磁懸浮飛輪等應(yīng)用領(lǐng)域受到了限制。這是由于在磁懸浮飛輪等應(yīng)用場合中，其常常要求飛輪軸向長度小而徑向長度大，而現(xiàn)有磁懸浮飛輪，為了實(shí)現(xiàn)徑向平動(dòng)以及徑向扭動(dòng)控制，需要成對使用徑向磁軸承，所以軸向長度比較長，如果軸向磁軸承自身可以進(jìn)行徑向扭動(dòng)控制的話，那么徑向磁軸承就可以采用一個(gè)，且對轉(zhuǎn)子只進(jìn)行徑向平動(dòng)控制，可大大減小飛輪的軸向尺寸。另外，不論是電磁偏置磁軸承還是永磁偏置磁軸承，其由于偏置產(chǎn)生的大位移負(fù)剛度會影響磁懸浮飛輪的高精度控制，這是由于磁懸浮飛輪的主要功能是通過飛輪電機(jī)的加速和減速輸出力矩以調(diào)整安裝有磁懸浮飛輪的衛(wèi)星等航天器的姿態(tài)，為使其不向星體產(chǎn)生干擾力矩，需使磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子繞其慣性主軸旋轉(zhuǎn)，消除轉(zhuǎn)子不平衡引入的同頻擾動(dòng)，但是電磁偏置或永磁偏置磁軸承的偏置磁場產(chǎn)生的位移負(fù)剛度會在轉(zhuǎn)子發(fā)生小偏移時(shí)產(chǎn)生擾動(dòng)力矩，精確補(bǔ)償非常困難，這對于磁懸浮飛輪的高精度控制是不利的，總之，現(xiàn)有軸向磁軸承存在功耗大、無法進(jìn)行徑向扭動(dòng)控制且難以滿足磁懸浮飛輪對軸向長度以及高精度控制要求的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種無偏置、功耗低、可進(jìn)行軸向平動(dòng)和徑向扭動(dòng)控制的磁懸浮飛輪用軸向磁軸承。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為由定子部分和轉(zhuǎn)子組成，定子部分由4個(gè)定子鐵心以及線圈組成，4個(gè)定子鐵心構(gòu)成整個(gè)圓周方向上的8個(gè)定子鐵心磁極，并沿+X、-X、+Y、-Y方向放置，每個(gè)定子鐵心磁極上繞制有線圈，定子部分與轉(zhuǎn)子之間形成軸向磁氣隙。
所述的定子鐵心與轉(zhuǎn)子之間形成的軸向磁氣隙為0.2-0.4mm；所述的轉(zhuǎn)子為導(dǎo)磁性能良好的材料制成的推力圓盤，或者為導(dǎo)磁性能良好的材料制成的飛輪轉(zhuǎn)子的一部分。所述的定子鐵心采用導(dǎo)磁性能良好的材料疊壓而成。
上述方案的原理是利用線圈產(chǎn)生的磁場保持磁軸承定轉(zhuǎn)子氣隙均勻，并使轉(zhuǎn)子得到無接觸支撐。如圖2實(shí)線箭頭所示，本發(fā)明的電磁磁路通過定子鐵心磁極、氣隙以及轉(zhuǎn)子構(gòu)成閉合回路。由于定子鐵心部分采用疊片壓制而成，而鐵心的渦流損耗與疊片厚度成正比，因此采用疊片結(jié)構(gòu)的定子相比于現(xiàn)有具有實(shí)體結(jié)構(gòu)定子的軸向磁軸承減小了磁軸承的功耗。為了實(shí)現(xiàn)軸向平動(dòng)和徑向扭動(dòng)的控制，本發(fā)明的軸向磁軸承需成對使用，分別定義為I和II，安裝時(shí)保證兩個(gè)軸向磁軸承的磁極正對，即同時(shí)保證兩個(gè)軸向磁軸承的4個(gè)定子鐵心分別沿+X、-X、+Y和-Y放置。對于軸向磁軸承進(jìn)行平動(dòng)控制時(shí)，設(shè)軸向磁軸承轉(zhuǎn)子沿z軸向+z方向平動(dòng)，軸向磁軸承I的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的氣隙減小，軸向磁軸承II的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的氣隙增大，此時(shí)軸向磁軸承II的X方向和Y方向線圈通入電流，使軸向磁軸承II的定子部分與轉(zhuǎn)子之間氣隙處產(chǎn)生電磁力使得轉(zhuǎn)子恢復(fù)到平衡位置；同理，當(dāng)軸向磁軸承轉(zhuǎn)子沿z軸向-z方向平動(dòng)時(shí)，軸向磁軸承II的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的氣隙減小，軸向磁軸承I的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的氣隙增大，此時(shí)軸向磁軸承I的X方向和Y方向線圈通入電流，使軸向磁軸承I的定子部分與轉(zhuǎn)子之間氣隙處產(chǎn)生電磁力使得轉(zhuǎn)子恢復(fù)到平衡位置；對軸向磁軸承的轉(zhuǎn)子進(jìn)行徑向扭動(dòng)控制時(shí)，設(shè)軸向磁軸承轉(zhuǎn)子由于擾動(dòng)繞X方向發(fā)生扭動(dòng)，使得軸向磁軸承I+Y方向的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的磁氣隙減小，-Y方向的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的磁氣隙增大，而軸向磁軸承II+Y方向的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的磁氣隙增大，-Y方向的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的磁氣隙減小，此時(shí)通過軸向磁軸承控制器使軸向磁軸承I-Y方向與軸向磁軸承II+Y方向的定子鐵心磁極線圈通入電流，使得軸向磁軸承I-Y方向和軸向磁軸承II+Y方向的定子鐵心磁極產(chǎn)生電磁力，將轉(zhuǎn)子恢復(fù)到原來的平衡位置，實(shí)現(xiàn)繞X方向的扭動(dòng)控制。同理，當(dāng)軸向磁軸承轉(zhuǎn)子由于擾動(dòng)繞Y方向發(fā)生扭動(dòng)，使得軸向磁軸承I+X方向的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的磁氣隙減小，-X方向的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的磁氣隙增大，而軸向磁軸承II+X方向的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的磁氣隙增大，-X方向的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的磁氣隙減小，此時(shí)通過軸向磁軸承控制器使軸向磁軸承I-X方向與軸向磁軸承II+X方向的定子磁極線圈通入電流，使得軸向磁軸承I-X方向和軸向磁軸承II+X方向的定子磁極產(chǎn)生電磁力，將轉(zhuǎn)子恢復(fù)到原來的平衡位置，實(shí)現(xiàn)繞Y方向的扭動(dòng)控制。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明所述的軸向磁軸承的定子部分采用了4個(gè)定子疊片鐵心，且沒有電磁或者永磁引入的偏置磁場，因此減小了磁軸承功耗。由于本發(fā)明采用4個(gè)定子鐵心構(gòu)成整個(gè)圓周方向上的8個(gè)定子鐵心磁極，并沿+X、-X、+Y、-Y方向放置，因而不但可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的軸向平動(dòng)控制，而且還可實(shí)現(xiàn)徑向扭動(dòng)控制，這使得現(xiàn)有磁懸浮飛輪系統(tǒng)的徑向磁軸承只使用一個(gè)，且對轉(zhuǎn)子僅實(shí)現(xiàn)徑向平動(dòng)控制即可，大大減小了飛輪的軸向尺寸；又由于本發(fā)明的軸向磁軸承無偏置，易于實(shí)現(xiàn)較低的軸向平動(dòng)綜合剛度及徑向扭轉(zhuǎn)綜合剛度，故可易實(shí)現(xiàn)磁懸浮飛輪的高精度控制。


圖1為已申請專利的永磁偏置軸向磁軸承截面圖。
圖2為本發(fā)明的軸向磁軸承軸向截面圖。
圖3為本發(fā)明的軸向磁軸承端面圖。
圖4為本發(fā)明的軸向磁軸承實(shí)際安裝時(shí)的結(jié)構(gòu)圖，其中(a)為軸向截面圖，(b)為端面圖。
具體實(shí)施例方式
如圖2和圖3所示，本發(fā)明由定子部分和轉(zhuǎn)子1組成，定子部分由4個(gè)定子鐵心2以及線圈3組成，4個(gè)定子鐵心2構(gòu)成整個(gè)圓周方向上的8個(gè)定子鐵心磁極，并沿+X、-X、+Y、-Y方向放置，為了增加定子鐵心磁極的截面積以提高軸向磁軸承的承載力，將定子鐵心磁極的面積制成圓弧面。每個(gè)定子鐵心磁極上繞制有線圈3，定子部分與轉(zhuǎn)子之間形成軸向磁氣隙4。其中定子鐵心2與轉(zhuǎn)子部分1形成的軸向磁氣隙4為0.2-0.4mm。為了實(shí)現(xiàn)軸向平動(dòng)和徑向扭動(dòng)的控制，本發(fā)明的軸向磁軸承需成對使用，分別定義為I和II，安裝時(shí)保證兩個(gè)軸向磁軸承的磁極正對，即同時(shí)保證兩個(gè)軸向磁軸承的4個(gè)定子鐵心分別沿+X、-X、+Y和-Y放置。對于軸向磁軸承進(jìn)行平動(dòng)控制時(shí)，設(shè)軸向磁軸承轉(zhuǎn)子沿z軸向+z方向平動(dòng)，軸向磁軸承I的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的氣隙減小，軸向磁軸承II的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的氣隙增大，此時(shí)軸向磁軸承II的X方向和Y方向線圈通入電流，使軸向磁軸承II的定子部分與轉(zhuǎn)子之間氣隙處產(chǎn)生電磁力使得轉(zhuǎn)子恢復(fù)到平衡位置；同理，當(dāng)軸向磁軸承轉(zhuǎn)子沿z軸向-z方向平動(dòng)時(shí)，軸向磁軸承II的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的氣隙減小，軸向磁軸承I的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的氣隙增大，此時(shí)軸向磁軸承I的X方向和Y方向線圈通入電流，使軸向磁軸承I的定子部分與轉(zhuǎn)子之間氣隙處產(chǎn)生電磁力使得轉(zhuǎn)子恢復(fù)到平衡位置；對軸向磁軸承的轉(zhuǎn)子進(jìn)行徑向扭動(dòng)控制時(shí)，設(shè)軸向磁軸承轉(zhuǎn)子由于擾動(dòng)繞X方向發(fā)生扭動(dòng)，使得軸向磁軸承I+Y方向的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的磁氣隙減小，-Y方向的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的磁氣隙增大，而軸向磁軸承II+Y方向的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的磁氣隙增大，-Y方向的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的磁氣隙減小，此時(shí)通過軸向磁軸承控制器使軸向磁軸承I-Y方向與軸向磁軸承II+Y方向的定子鐵心磁極線圈通入電流，使得軸向磁軸承I-Y方向和軸向磁軸承II+Y方向的定子鐵心磁極產(chǎn)生電磁力，將轉(zhuǎn)子恢復(fù)到原來的平衡位置，實(shí)現(xiàn)繞X方向的扭動(dòng)控制。同理，當(dāng)軸向磁軸承轉(zhuǎn)子由于擾動(dòng)繞Y方向發(fā)生扭動(dòng)，使得軸向磁軸承I+X方向的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的磁氣隙減小，-X方向的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的磁氣隙增大，而軸向磁軸承II+X方向的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的磁氣隙增大，-X方向的定子部分與轉(zhuǎn)子之間的磁氣隙減小，此時(shí)通過軸向磁軸承控制器使軸向磁軸承I-X方向與軸向磁軸承II+X方向的定子磁極線圈通入電流，使得軸向磁軸承I-X方向和軸向磁軸承II+X方向的定子磁極產(chǎn)生電磁力，將轉(zhuǎn)子恢復(fù)到原來的平衡位置，實(shí)現(xiàn)繞Y方向的扭動(dòng)控制。本發(fā)明所用的定子鐵心2可用導(dǎo)磁性能良好的電工薄鋼板如電工硅鋼板DR510、DR470、DW350、1J50、1J79或硅鋼薄帶等磁性材料沖壓迭制而成；轉(zhuǎn)子1為導(dǎo)磁性能良好的材料如電工純鐵、1J50、1J79等制成的推力圓盤，或者為導(dǎo)磁性能良好的材料如電工純鐵、S06鋼等制成的飛輪轉(zhuǎn)子的一部分；激磁線圈5用導(dǎo)電良好的電磁線繞制后浸漆烘干而成。
在實(shí)際應(yīng)用中，如圖2所示的軸向磁軸承定子外側(cè)要安裝有軸承座，如圖4所示，圖中5為軸承座，選用非導(dǎo)磁材料制成，如銅、鋁、鈦合金等。圖4(a)為帶有軸承座的本發(fā)明的軸向磁軸承的軸向截面圖，(b)為帶有軸承座的本發(fā)明的軸向磁軸承的端面圖，圖中采用螺釘和緊固帶將沿+X、-X、+Y、-Y方向放置的4個(gè)定子鐵心固定。
本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種磁懸浮飛輪用軸向磁軸承，其特征在于由定子部分和轉(zhuǎn)子(1)組成，定子部分由4個(gè)定子鐵心(2)以及線圈(3)組成，4個(gè)定子鐵心(2)構(gòu)成整個(gè)圓周方向上的8個(gè)定子鐵心磁極，并沿+X、-X、+Y、-Y方向放置，每個(gè)定子鐵心磁極上繞制有線圈(3)，定子部分與轉(zhuǎn)子之間形成軸向磁氣隙(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮飛輪用軸向磁軸承，其特征在于所述的定子鐵心(2)與轉(zhuǎn)子(1)之間形成的軸向磁氣隙(4)為0.2-0.4mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮飛輪用軸向磁軸承，其特征在于所述的定子鐵心(2)采用導(dǎo)磁性能良好的材料疊壓而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮飛輪用軸向磁軸承，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子(1)為導(dǎo)磁性能良好的材料制成的推力圓盤，或者為導(dǎo)磁性能良好的材料制成的飛輪轉(zhuǎn)子的一部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮飛輪用軸向磁軸承，其特征在于所述的軸向磁軸承需成對使用，對轉(zhuǎn)子(1)進(jìn)行軸向平動(dòng)控制以及徑向扭動(dòng)控制。
全文摘要
一種磁懸浮飛輪用軸向磁軸承，由定子部分和轉(zhuǎn)子組成，定子部分由4個(gè)定子鐵心以及線圈組成，4個(gè)定子鐵心構(gòu)成整個(gè)圓周方向上的8個(gè)定子鐵心磁極，并沿+X、－X、+Y、－Y方向放置，每個(gè)定子鐵心磁極上繞制有線圈。定子部分與轉(zhuǎn)子之間形成軸向磁氣隙，本發(fā)明通過分布于+X、－X、+Y、－Y方向的4個(gè)定子鐵心可實(shí)現(xiàn)磁懸浮轉(zhuǎn)子的軸向平動(dòng)以及徑向扭動(dòng)控制，可大大減小系統(tǒng)的軸向尺寸。該軸向磁軸承還具有無偏置、功耗低、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號F16C32/04GK101054998SQ200710098749
公開日2007年10月17日 申請日期2007年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月26日
發(fā)明者房建成, 孫津濟(jì), 劉虎, 劉剛, 王曦, 楊磊 申請人:北京航空航天大學(xué)