一種四自由度外轉(zhuǎn)子磁軸承的制作方法
【專利摘要】一種四自由度外轉(zhuǎn)子磁軸承，由被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)、外轉(zhuǎn)子永磁體、外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體、外轉(zhuǎn)子鐵心、氣隙、定子鐵心、定子導(dǎo)磁環(huán)、定子永磁體、線圈、被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)和被動(dòng)部分氣隙組成，其中每個(gè)定子鐵心由4個(gè)磁極組成，分別組成X、Y軸正負(fù)方向的磁極，外轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)表面與定子鐵心外表面留有一定的間隙，形成氣隙，兩個(gè)被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)位于兩個(gè)定子鐵心之間，定子鐵心與被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)之間有兩個(gè)定子永磁體，兩個(gè)被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)之間有一個(gè)定子永磁體，兩個(gè)外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體之間為外轉(zhuǎn)子永磁體，被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)的內(nèi)表面與被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)的外表面之間形成被動(dòng)部分氣隙，本發(fā)明具有體積小、易拆裝的特點(diǎn)。
【專利說明】一種四自由度外轉(zhuǎn)子磁軸承

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種非接觸磁懸浮軸承，特別是一種四自由度外轉(zhuǎn)子磁軸承，可作為空間用單框架控制力矩陀螺和雙框架控制力矩陀螺等旋轉(zhuǎn)部件的無接觸支撐。

【背景技術(shù)】
[0002]磁懸浮軸承分純電磁式和永磁偏置加電磁控制的混合式磁懸浮軸承，前者使用電流大、功耗大，永磁偏置加電磁控制的混合式磁懸浮軸承，利用永磁體替代純電磁磁軸承中的偏置電流產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)承擔(dān)主要的承載力，電磁磁場(chǎng)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，具有降低功率放大器的損耗、減少磁軸承安匝數(shù)、縮小磁軸承體積、提高軸承承載能力等優(yōu)點(diǎn)，故永磁偏置磁軸承在磁懸浮電機(jī)、高速飛輪系統(tǒng)、控制力矩陀螺系統(tǒng)等磁懸浮支承的高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用?？臻g用磁懸浮控制力矩陀螺采用磁軸承支承，由于克服了傳統(tǒng)機(jī)械軸承控制力矩陀螺的摩擦以及不平衡振動(dòng)等問題，因此可實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速、更長(zhǎng)的壽命以及更高的輸出力矩精度?，F(xiàn)有的磁懸浮控制力矩陀螺為了提高輸出力矩大小，通常采用五自由度全主動(dòng)的磁軸承配置，但是這種結(jié)構(gòu)的磁懸浮控制力矩陀螺由于采用電流實(shí)現(xiàn)輸出力矩的控制，因此功耗大，體積大，線路復(fù)雜，而以被動(dòng)磁軸承輸出力矩的兩自由度磁懸浮控制力矩陀螺盡管可以體積做的很小，但是由于被動(dòng)磁軸承不可控，因此存在阻尼低、穩(wěn)定性差的缺陷，另外，現(xiàn)有四自由度磁軸承主動(dòng)部分剛度與被動(dòng)部分剛度之間有相互影響，會(huì)增加控制系統(tǒng)的控制難度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種四自由度外轉(zhuǎn)子磁軸承，以減小自身體積重量和功耗。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:一種四自由度外轉(zhuǎn)子磁軸承，由被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)、外轉(zhuǎn)子永磁體、外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體、外轉(zhuǎn)子鐵心、氣隙、定子鐵心、定子導(dǎo)磁環(huán)、定子永磁體、線圈、被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)和被動(dòng)部分氣隙組成，其中每個(gè)定子鐵心由4個(gè)磁極組成，兩個(gè)定子鐵心組成磁軸承上下兩端8個(gè)磁極，分別組成X、Y軸正負(fù)方向的磁極，每個(gè)定子鐵心的磁極上繞制有線圈，定子鐵心外部為外轉(zhuǎn)子鐵心，外轉(zhuǎn)子鐵心外部為外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體，外轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)表面與定子鐵心外表面留有一定的間隙，形成氣隙，定子鐵心的徑向內(nèi)部為定子導(dǎo)磁環(huán)，兩個(gè)被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)位于兩個(gè)定子鐵心之間，定子鐵心與被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)之間有兩個(gè)定子永磁體，兩個(gè)被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)之間有一個(gè)定子永磁體，被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)的徑向外部為被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)，兩個(gè)外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體之間為外轉(zhuǎn)子永磁體，被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)的內(nèi)表面與被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)的外表面之間留有一定間隙，形成被動(dòng)部分氣隙。
[0005]所述的每個(gè)定子鐵心的磁極繞制有線圈為獨(dú)立控制。
[0006]所述的外轉(zhuǎn)子永磁體和每個(gè)定子永磁體為軸向圓環(huán),沿軸向充磁,且體積相等。
[0007]所述的定子鐵心的磁極采用極靴形式。
[0008]所述的被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)和被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)由實(shí)心整環(huán)導(dǎo)磁材料制成。
[0009]所述的被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)和被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)為兩個(gè)、四個(gè)、六個(gè)或八個(gè)。
[0010]所述的被動(dòng)部分氣隙的磁阻為氣隙磁阻的2?4倍。
[0011]上述方案的原理是:四自由度外轉(zhuǎn)子磁軸承，通過控制上下兩組定子鐵心磁極的線圈(即獨(dú)立控制各個(gè)線圈中的電流，也就是說，“獨(dú)立控制”指的是各個(gè)線圈中的電流沒有直接聯(lián)系，是通過功放根據(jù)位移傳感器檢測(cè)到的探測(cè)氣隙變化對(duì)每個(gè)定子磁極線圈進(jìn)行通電)，實(shí)現(xiàn)磁軸承轉(zhuǎn)動(dòng)部分的徑向平動(dòng)和徑向扭動(dòng)，利用中間的被動(dòng)部分的定子導(dǎo)磁環(huán)和被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)通過軸向位移產(chǎn)生的磁偏拉力實(shí)現(xiàn)磁軸承轉(zhuǎn)動(dòng)部分的軸向平動(dòng)。定子永磁體和外轉(zhuǎn)子永磁體給磁軸承提供永磁偏置磁場(chǎng)，承擔(dān)磁軸承所受的徑向力，線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)起調(diào)節(jié)作用，用來改變每極下磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，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。本發(fā)明的永磁磁路為三個(gè)部分(如圖3所示)，一部分為:磁通從上端定子永磁體N極出發(fā)，通過定子導(dǎo)磁環(huán)、上端定子鐵心、上端氣隙、上端外轉(zhuǎn)子鐵心、上端外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體、上端被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)、上端被動(dòng)部分氣隙、上端被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)、定子導(dǎo)磁環(huán)回到上端定子永磁體的S極；第二部分為:磁通從下端定子永磁體N極出發(fā)，通過定子導(dǎo)磁環(huán)、下端被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)、下端被動(dòng)部分氣隙、下端被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)、下端外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體、下端外轉(zhuǎn)子鐵心、下端氣隙、下端定子鐵心、定子導(dǎo)磁環(huán)回到下端定子永磁體的S極；第三部分為:磁通從中間的定子永磁體N極出發(fā),通過定子導(dǎo)磁環(huán)、下端被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)、下端被動(dòng)部分氣隙、下端被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)、下端外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體、外轉(zhuǎn)子永磁體S極、外轉(zhuǎn)子永磁體N極、上端外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體、上端被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)、上端被動(dòng)部分氣隙、上端被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)、定子導(dǎo)磁環(huán)，回到中間定子永磁體的S極。如圖2所示，以某端Y軸正方向線圈電流產(chǎn)生的磁通為例，其路徑為:定子鐵心形成的Y軸正方向磁極、Y軸正方向氣隙到外轉(zhuǎn)子鐵心、然后到另外三個(gè)方向氣隙、定子鐵心形成的另外三個(gè)方向磁極、回到定子鐵心形成的Y軸正方向磁極，構(gòu)成閉合回路。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明利用定子鐵心提供四自由度的徑向力及陀螺力矩，控制精度高，軸向平動(dòng)自由度為被動(dòng)實(shí)現(xiàn)，功耗低，體積小；本發(fā)明的每個(gè)定子永磁體和外轉(zhuǎn)子永磁體體積相同，可以使得磁軸承剩磁矩接近零，滿足航天的要求；本發(fā)明的外轉(zhuǎn)子永磁體僅用于增加軸向平動(dòng)的被動(dòng)剛度，對(duì)定子鐵心部分無影響，可使得主動(dòng)部分對(duì)被動(dòng)部分的剛度影響很??；另外，本發(fā)明的軸向被動(dòng)部分為整環(huán)結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)波動(dòng)小，旋轉(zhuǎn)功耗小。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的四自由度外轉(zhuǎn)子磁軸承軸向截面圖；
[0014]圖2為本發(fā)明的四自由度外轉(zhuǎn)子磁軸承軸向端面圖；其中圖2a為極靴形式的端面圖，圖2b為定子磁極夾角為62度時(shí)的端面圖；
[0015]圖3為本發(fā)明的四自由度外轉(zhuǎn)子磁軸承的永磁磁路圖；
[0016]圖4為本發(fā)明的含有四個(gè)被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)和被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)的四自由度外轉(zhuǎn)子磁軸承軸向截面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017]如圖1所示，一種四自由度外轉(zhuǎn)子磁軸承，由被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)1、外轉(zhuǎn)子永磁體2、外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體3、外轉(zhuǎn)子鐵心4、氣隙5、定子鐵心6、定子導(dǎo)磁環(huán)7、定子永磁體8、線圈9、被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)10和被動(dòng)部分氣隙11組成，其中每個(gè)定子鐵心6由4個(gè)磁極組成，兩個(gè)定子鐵心6組成磁軸承上下兩端8個(gè)磁極，分別組成X、Y軸正負(fù)方向的磁極，每個(gè)定子鐵心6的磁極上繞制有線圈9,定子鐵心6外部為外轉(zhuǎn)子鐵心4,外轉(zhuǎn)子鐵心4外部為外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體3，外轉(zhuǎn)子鐵心4內(nèi)表面與定子鐵心6外表面留有一定的間隙，形成氣隙5，定子鐵心6的徑向內(nèi)部為定子導(dǎo)磁環(huán)7,兩個(gè)被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)10位于兩個(gè)定子鐵心6之間，定子鐵心6與被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)10之間有兩個(gè)定子永磁體8,兩個(gè)被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)10之間有一個(gè)定子永磁體8，被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)10的徑向外部為被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)1，兩個(gè)外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體3之間為外轉(zhuǎn)子永磁體2，被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)I的內(nèi)表面與被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)7的外表面之間留有一定間隙，形成被動(dòng)部分氣隙11。
[0018]所述的每個(gè)定子鐵心6的磁極繞制有線圈9為獨(dú)立控制，以實(shí)現(xiàn)磁軸承轉(zhuǎn)動(dòng)部分的徑向平動(dòng)控制和徑向扭轉(zhuǎn)控制，即實(shí)現(xiàn)磁軸承轉(zhuǎn)動(dòng)部分沿X和I方向的兩個(gè)平動(dòng)自由度控制和繞X及y方向的兩個(gè)扭轉(zhuǎn)自由度控制(共四個(gè)自由度)。
[0019]所述的被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)I和被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)10由實(shí)心整環(huán)導(dǎo)磁材料制成，通過被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)I和被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)10的軸向錯(cuò)位實(shí)現(xiàn)磁軸承的軸向穩(wěn)定(即軸向平動(dòng)自由度為被動(dòng))。
[0020]為了增加被動(dòng)部分的剛度，所述的被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)I和被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)10為兩個(gè)、四個(gè)、六個(gè)或八個(gè)，其中圖4給出了被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)和被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)為四個(gè)的外轉(zhuǎn)子四自由度磁軸承截面圖。
[0021]另外，為了減小被動(dòng)部分對(duì)主動(dòng)部分帶來的附加位移負(fù)剛度，所述的被動(dòng)部分氣隙11的磁阻為氣隙5磁阻的2?4倍。
[0022]上述本發(fā)明技術(shù)方案所用的被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)1、外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體3、定子導(dǎo)磁環(huán)7和被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)10均為實(shí)心結(jié)構(gòu),采用導(dǎo)磁性能良好的材料制成,如電工純鐵、各種碳鋼、鑄鐵、鑄鋼、合金鋼、1J50和1J79等磁性材料等。定子鐵心6和外轉(zhuǎn)子鐵心4可用導(dǎo)磁性能良好的材料如電工純鐵、電工硅鋼板01?510、01?470、01350、1開0和1J79等磁性材料沖壓疊制而成。外轉(zhuǎn)子永磁體2和定子永磁體8的材料為磁性能良好的稀土永磁體、釹鐵硼永磁體或鐵氧體永磁體，外轉(zhuǎn)子永磁體2和定子永磁體8為軸向圓環(huán)，沿軸向充磁，且外轉(zhuǎn)子永磁體2和每個(gè)定子永磁體8要保證體積相等，相鄰定子永磁體8的充磁方向相反，被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)之間的定子永磁體8的充磁方向與被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)之間的外轉(zhuǎn)子永磁體2的充磁方向相反。線圈9采用導(dǎo)電良好的電磁線繞制后浸漆烘干而成。另夕卜，由于永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過定子鐵心磁極在外轉(zhuǎn)子鐵心中產(chǎn)生的磁場(chǎng)是大小變化的，因此在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生渦流損耗，為減小這部分損耗，定子鐵心6的磁極應(yīng)采用極靴形式(如圖2a所示)以減小高速下的渦流損耗。另外，為了減小圖2a中定子鐵心磁極根部與定子鐵心軛部之間的銳角導(dǎo)致的磁密集中過大的問題，可以采用圖2b中給出的定子鐵心端面圖，圖中給出的定子鐵心磁極兩邊對(duì)應(yīng)的圓心角為62度，這種結(jié)構(gòu)可以有效減小定子鐵心磁極根部與定子鐵心軛部之間的銳角所導(dǎo)致的磁密集中。
[0023]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】
1.一種四自由度外轉(zhuǎn)子磁軸承，其特征在于:由被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(I)、外轉(zhuǎn)子永磁體(2)、外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體(3)、外轉(zhuǎn)子鐵心(4)、氣隙(5)、定子鐵心￠)、定子導(dǎo)磁環(huán)(7)、定子永磁體(8)、線圈(9)、被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)(10)和被動(dòng)部分氣隙(11)組成，其中每個(gè)定子鐵心￠)由4個(gè)磁極組成，兩個(gè)定子鐵心(6)組成磁軸承上下兩端8個(gè)磁極，分別組成X、Y軸正負(fù)方向的磁極，每個(gè)定子鐵心(6)的磁極上繞制有線圈(9),定子鐵心(6)外部為外轉(zhuǎn)子鐵心(4)，外轉(zhuǎn)子鐵心(4)外部為外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體(3)，外轉(zhuǎn)子鐵心(4)內(nèi)表面與定子鐵心(6)外表面留有一定的間隙，形成氣隙(5)，定子鐵心(6)的徑向內(nèi)部為定子導(dǎo)磁環(huán)(7)，兩個(gè)被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)(10)位于兩個(gè)定子鐵心(6)之間，定子鐵心(6)與被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)(10)之間有兩個(gè)定子永磁體(8)，兩個(gè)被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)(10)之間有一個(gè)定子永磁體(8)，被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)(10)的徑向外部為被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(I)，兩個(gè)外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體(3)之間為外轉(zhuǎn)子永磁體(2),被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(I)的內(nèi)表面與被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)(7)的外表面之間留有一定間隙，形成被動(dòng)部分氣隙(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四自由度外轉(zhuǎn)子磁軸承，其特征在于:所述的每個(gè)定子鐵心(6)的磁極繞制有線圈(9)為獨(dú)立控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四自由度外轉(zhuǎn)子磁軸承，其特征在于:所述的外轉(zhuǎn)子永磁體(2)和每個(gè)定子永磁體(8)為軸向圓環(huán)，沿軸向充磁，且體積相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四自由度外轉(zhuǎn)子磁軸承，其特征在于:所述的定子鐵心(6)的磁極采用極靴形式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四自由度外轉(zhuǎn)子磁軸承，其特征在于:所述的被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(I)和被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)(10)由實(shí)心整環(huán)導(dǎo)磁材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四自由度外轉(zhuǎn)子磁軸承，其特征在于:所述的被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(I)和被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)(10)為兩個(gè)、四個(gè)、六個(gè)或八個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四自由度外轉(zhuǎn)子磁軸承，其特征在于:所述的被動(dòng)部分氣隙(11)的磁阻為氣隙(5)磁阻的2?4倍。
【文檔編號(hào)】F16C32/04GK104214217SQ201410383870
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】孫津濟(jì), 湯繼強(qiáng), 劉虎, 韓偉濤, 樂韻 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)