本發(fā)明涉及一種非機(jī)械接觸的球形磁軸承，尤其涉及一種五自由度外轉(zhuǎn)子永磁偏置球形磁軸承，可作為磁懸浮陀螺儀、磁懸浮分子泵、磁懸浮動(dòng)量輪等要求高速、高精度控制、潔凈無污染、長壽命的機(jī)械設(shè)備的無接觸懸浮支撐。

背景技術(shù)：

磁懸浮軸承分為純電磁軸承和永磁偏置混合磁軸承，前者利用偏置電流產(chǎn)生偏置磁場，利用控制電流產(chǎn)生的控制磁場調(diào)節(jié)電磁力的大小，具有兩個(gè)可控磁場。后者利用永磁體提供偏置磁場，電磁磁場提供輔助調(diào)節(jié)力。與純電磁軸承相比，永磁偏置軸承可減小磁軸承的控制電流，降低功放損耗，縮小磁軸承的體積，在磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)、磁懸浮電機(jī)、磁懸浮儲(chǔ)能飛輪、磁懸浮動(dòng)量輪、磁懸浮反應(yīng)輪、磁懸浮控制力矩陀螺等高速運(yùn)動(dòng)場合得到廣泛應(yīng)用。磁懸浮軸承是利用磁場力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子與定子之間無機(jī)械接觸的機(jī)電一體化產(chǎn)品，由于定子、轉(zhuǎn)子之間不存在機(jī)械上的接觸，所以磁懸浮轉(zhuǎn)子可達(dá)到很高的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，并且具有機(jī)械磨損小、能耗低、壽命長、無污染等優(yōu)點(diǎn)。并且，為使轉(zhuǎn)子能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的懸浮，需要在五自由度上都要進(jìn)行約束。

永磁偏置球形磁軸承在一些應(yīng)用場合，具有明顯的優(yōu)勢。比如在磁懸浮陀螺儀中，如果采用永磁偏置球形磁軸承，則不僅使功耗減小，而且當(dāng)轉(zhuǎn)子質(zhì)心與球面磁極球心完全重合時(shí)，避免了徑向平動(dòng)控制對扭動(dòng)控制的干擾，提高了陀螺儀的指向精度。在衛(wèi)星姿態(tài)控制中，動(dòng)量輪和反應(yīng)輪的軸承作用很重要，傳統(tǒng)的軸承會(huì)因?yàn)閮A角過大快速失去向心穩(wěn)定性，而如果采用永磁偏置球形磁軸承，則可使其允許至少5度甚至15以上的傾角，增強(qiáng)了其向心穩(wěn)定性。

中國專利申請?zhí)枮?01510029481.3的文獻(xiàn)中提出了一種外轉(zhuǎn)子球形徑向純電磁磁軸承，其利用偏置電流產(chǎn)生偏置磁場，功耗大，控制復(fù)雜，且自由度數(shù)目不足，而沒有考慮到對軸向進(jìn)行控制，因此其難以滿足一些特殊的應(yīng)用場合。

已有的永磁偏置磁軸承為柱面，工作時(shí)，轉(zhuǎn)子所受到電磁力始終垂直于磁極表面。當(dāng)轉(zhuǎn)子慣性軸偏離幾何軸時(shí)，各個(gè)磁極面內(nèi)的電磁力大小不想等，且都不過質(zhì)心，即會(huì)對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生徑向扭動(dòng)的干擾力矩，迫使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生漂移，降低了轉(zhuǎn)子的控制精度。為了更好地確保永磁偏置磁軸承的控制精度。

為了滿足球形磁軸承在一些特殊場合發(fā)揮其更明顯的優(yōu)勢，從結(jié)構(gòu)和控制上減小球形磁軸承的體積，降低功耗和生產(chǎn)成本，簡化控制方案，提高磁軸承的工作性能，需采用一些新的機(jī)械結(jié)構(gòu)和磁路結(jié)構(gòu)，不僅保證軸承結(jié)構(gòu)及尺寸精度，也要確保其具有較大的傾斜恢復(fù)能力；不僅要保證軸承的控制精度，也要確保其功耗盡可能地低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)中缺少功耗低的球形磁軸承，且主動(dòng)控制球形磁軸承的自由度數(shù)目較少的不足，提出一種五自由度外轉(zhuǎn)子永磁偏置球形磁軸承，從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)球形磁軸承的低功耗，實(shí)現(xiàn)徑向和軸向完全解耦，提高傾斜恢復(fù)能力。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：包括球形的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上部和下部各有一個(gè)開口，轉(zhuǎn)子內(nèi)部中央有兩個(gè)定子和一個(gè)永磁體，轉(zhuǎn)軸由轉(zhuǎn)子的下部開口伸入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，兩個(gè)定子和一個(gè)永磁體空套在轉(zhuǎn)軸上；兩個(gè)定子分別為上部定子和下部定子，上部定子和下部定子以鏡面對稱的方式位于永磁體的上下兩側(cè)，永磁體鑲嵌在上部定子和下部定子之間；上部定子和下部定子為結(jié)構(gòu)相同的半球狀，永磁體是圓柱體狀；在上部定子外表面上，沿著圓周方向每隔90度開有一個(gè)上部軸向槽，上部軸向槽上端與轉(zhuǎn)軸的上端開口貫通、下端與永磁體側(cè)面貫通；在上部定子的軸向中部的外表面上沿著圓周方向開一個(gè)上部環(huán)形徑向槽，該上部環(huán)形徑向槽和四個(gè)上部軸向槽貫通且交叉形成上、下兩層各四個(gè)定子磁極；下部定子上也設(shè)有四個(gè)下部軸向槽和一個(gè)下部環(huán)形徑向槽，形成下部定子的上、下兩層各四個(gè)定子磁極；上部定子的上層磁極上繞有上部軸向控制線圈，上部定子的下層磁極上繞有上部徑向控制線圈，下部定子的上層磁極上繞有下部徑向控制線圈，下部定子的下層磁極上繞有下部軸向控制線圈。

本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比的有益效果在于：

1、本發(fā)明針對傳統(tǒng)球形磁軸承純電磁控制所導(dǎo)致的功耗大、體積大、控制復(fù)雜這一現(xiàn)象，設(shè)計(jì)一種永磁偏置混合球形磁軸承，即永磁體產(chǎn)生永磁磁場提供偏置磁場，電磁磁場提供輔助調(diào)節(jié)力，可減小磁軸承的控制電流，降低功放損耗，縮小磁軸承的體積。

2、本發(fā)明針對傳統(tǒng)球形磁軸承難以完全解耦控制的局限，即磁軸承徑向平動(dòng)對扭動(dòng)控制的干擾的局限，設(shè)計(jì)的集徑向、軸向于一體的完全解耦的五自由度球形磁軸承，使得球形磁軸承在一些特殊的應(yīng)用場合更好地發(fā)揮其優(yōu)勢。

3、本發(fā)明的軸向單自由度控制與徑向四自由度控制是采用分離的兩套線圈，因此該球型磁軸承還可以根據(jù)應(yīng)用場合的不同實(shí)時(shí)調(diào)整該磁軸承的應(yīng)用范圍，通過減少徑向或軸向控制線圈的數(shù)目調(diào)整五自由度球型磁軸承為四自由度、或者單自由度球型磁軸承，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。

4、本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)軸承徑向和軸向的完全解耦控制，同時(shí)增加磁軸承實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制與被動(dòng)控制的自由度數(shù)目，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、控制簡單。

5、本文采用球面結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用主動(dòng)控制的自由度越多越好，但是為了降低其功耗，采用被動(dòng)控制的自由度數(shù)目越多越好，并且在兩者權(quán)衡的基礎(chǔ)上，還能確保球形結(jié)構(gòu)尺寸人滿足其應(yīng)用場合的空間限制要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種五自由度外轉(zhuǎn)子永磁偏置球形磁軸承的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為圖1上半部分的局部立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖1的坐標(biāo)標(biāo)示以及尺寸標(biāo)注圖；

圖4為本發(fā)明靜態(tài)被動(dòng)懸浮磁通分布簡化圖；

圖5為本發(fā)明徑向二自由度懸浮磁通分布簡化圖；

圖6為本發(fā)明徑向扭轉(zhuǎn)二自由度懸浮磁通分布簡化圖；

圖7為本發(fā)明軸向懸浮磁通分布簡化圖。

圖中：1.轉(zhuǎn)軸；2.上部定子；21.上部定子的上層磁極；22.上部定子的下層磁極； 31.上部軸向控制線圈；41.上部徑向控制線圈；51.上部軸向槽；6.上部環(huán)形徑向槽；7.永磁體；8.下部定子；81.下部定子的上層磁極；82.下部定子的下層磁極；91.下部徑向控制線圈；101.下部軸向控制線圈；111.下部軸向槽；12.下部環(huán)形徑向槽；13.氣隙；14-1、14-2.靜態(tài)偏磁磁通；151.軸向控制磁通；152.徑向控制磁通；16.轉(zhuǎn)子。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明由一個(gè)轉(zhuǎn)軸1、兩個(gè)定子、一個(gè)永磁體7、一個(gè)轉(zhuǎn)子16以及控制線圈組成。轉(zhuǎn)子16是球形，一個(gè)永磁體7和兩個(gè)定子位于轉(zhuǎn)子16內(nèi)部中央，轉(zhuǎn)子16上部和下部各有一個(gè)開口，縱向的轉(zhuǎn)軸1由轉(zhuǎn)子16的下部開口伸入轉(zhuǎn)子16內(nèi)部，穿過一個(gè)永磁體7和兩個(gè)定子中間的縱向通孔，一個(gè)永磁體7和兩個(gè)定子均空套在轉(zhuǎn)軸1上。轉(zhuǎn)子16上的上下兩個(gè)開口的中心軸、一個(gè)永磁體7和兩個(gè)定子的中心軸和轉(zhuǎn)軸1的中心軸重合，均經(jīng)過轉(zhuǎn)子16的球心o。

兩個(gè)定子分別為上部定子2和下部定子8，上部定子2和下部定子8均為半球狀，結(jié)構(gòu)完全相同。永磁體7是圓柱體狀，位于轉(zhuǎn)子16內(nèi)部正中央，永磁體7的正上方是上部定子2、正下方是下部定子8。永磁體7的中心與轉(zhuǎn)子16的球心o重合，上部定子2和下部定子8相對于永磁體7的中心上下對稱布置，以鏡面對稱的方式位于永磁體7的上下兩側(cè)。永磁體7的上下端分別與上部定子2、下部定子8的半球底面無縫固定連接，使永磁體7鑲嵌在上部定子2和下部定子8之間，上部定子2、永磁體7與下部定子8在構(gòu)成一個(gè)整體。永磁體7的外徑小于上部定子2和下部定子8的外徑。

如圖2所示，再結(jié)合圖1，在上部定子2外表面上，沿著圓周方向每隔90度進(jìn)行開縱向槽，縱向槽上端與縱向轉(zhuǎn)軸1的上端開口貫通，下端直至永磁體7，與永磁體7側(cè)面貫通，這樣形成了四個(gè)沿著圓周方向的上部軸向槽51。在上部定子2的軸向中部，在上部定子2外表面上沿著圓周方向開一個(gè)上部環(huán)形徑向槽6，一個(gè)上部環(huán)形徑向槽6和四個(gè)上部軸向槽51均貫通，交叉形成上下兩層定子磁極，上層有四個(gè)定子磁極21，下層有四個(gè)定子磁極22，上層定子磁極21和下層定子磁極22均由四個(gè)前后左右對稱分布的磁極組成。上部定子的上層磁極21和下層磁極22的外表面與轉(zhuǎn)子16內(nèi)表面之間留有上部的氣隙13。

由于下部定子8與上部定子2在永磁體7兩側(cè)鏡像對稱，下部定子8與上部定子2結(jié)構(gòu)相同，開槽的方法和尺寸也相同，因此，同樣地，下部定子8上也設(shè)有四個(gè)下部軸向槽111和一個(gè)環(huán)形徑向槽12，四個(gè)下部軸向槽111和一個(gè)環(huán)形徑向槽12交叉得到上、下兩層下部定子磁極，分別是上層磁極81和下層磁極82。下部定子的上層磁極81和下層定子磁極82均由四個(gè)前后左右對稱分布的磁極組成。下部定子的上層磁極81、下層磁極82外表面與轉(zhuǎn)子16內(nèi)表面之間留有下部的氣隙13，上部的氣隙13和下部的氣隙13氣隙大小均相同，且上部的氣隙13和下部的氣隙13既可作為軸向氣隙又可作為徑向氣隙。

在每個(gè)定子磁極繞有控制線圈。在上部定子的上層磁極21上纏繞一套控制線圈，即為上部軸向控制線圈31，在上部定子的下層磁極22上纏繞一套控制線圈，即為上部徑向控制線圈41，上部軸向控制線圈31和上部徑向控制線圈41分別以星形連接的方式相連接，分別引出四個(gè)上部軸向控制線圈31的接線端子和四個(gè)上部徑向控制線圈41的接線端子。同樣，下部定子的上層磁極81上纏繞一套控制線圈，即為上部徑向控制線圈91，在下部定子的下層磁極82上纏繞一套控制線圈，即為下部軸向控制線圈101，上部徑向控制線圈91和下部軸向控制線圈101分別以星形連接的方式相連接，分別引出上部徑向控制線圈91的接線端子和下部軸向控制線圈101的接線端子。

從圖2中可以看出，軸向磁極與徑向磁極的位置上下相對應(yīng)，錯(cuò)開角度為零度。相鄰的兩個(gè)徑向線圈共用其間的一個(gè)軸向槽，例如相鄰的兩個(gè)上部徑向控制線圈41共用其間的一個(gè)上部軸向槽51；相鄰的兩個(gè)軸向線圈也共用之間的一個(gè)軸向槽，例如相鄰的兩個(gè)上部軸向控制線圈31共用之間的一個(gè)上部軸向槽51。相鄰的徑向控制線圈和軸向控制線圈共用其間的一個(gè)上部環(huán)形徑向槽6，其中一個(gè)軸向控制線圈31與其下方的對應(yīng)的相鄰徑向控制線圈41共用兩者之間的上部環(huán)形徑向槽6。

參見圖3，以轉(zhuǎn)子16的球心o，即永磁體7的幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立三維直角坐標(biāo)系，縱向垂直方向?yàn)閆軸方向，相互垂直的水平方向分別是X軸和Y軸方向，例如以圖3中為例，左右水平方向?yàn)閄軸方向，前后水平方向?yàn)閅軸方向。上部定子2和下部定子8的外徑是R，上部定子的上部軸向槽51和下部定子的下部軸向槽111的開槽深度S1是外徑R的一半，即S1=R/2。上部定子2上的上部環(huán)形徑向槽6的開槽深度S2為上部定子2的外徑R的的一半，即S2= R/2，深度S2方向平行于X軸與Y軸組成的平面。永磁體7的外徑等于上部軸向槽51和上部環(huán)形徑向槽6的槽底部的最小外徑。

根據(jù)磁回路要求，磁路部件需導(dǎo)磁性能良好、磁滯低并盡量降低渦流損耗與磁滯損耗，由此確定轉(zhuǎn)子16采用硅鋼片疊壓而成，而上部定子2與下部定子8采用電工純鐵加工而成，永磁體7采用高性能稀土材料釹鐵硼。

控制轉(zhuǎn)子16在五自由度上的穩(wěn)定懸浮，包括在X軸方向、Y軸方向上的徑向二自由度，繞x軸扭轉(zhuǎn)角度為θ_x、繞y軸扭轉(zhuǎn)角度為θ_y的徑向扭轉(zhuǎn)二自由度和Z軸方向上的軸向單自由度上實(shí)現(xiàn)懸浮。

參見圖4，靜態(tài)被動(dòng)懸浮的實(shí)現(xiàn)：本發(fā)明由永磁體7產(chǎn)生靜態(tài)偏磁磁通參見圖4中帶箭頭的粗實(shí)線磁路，磁化方向豎直向上。由于軸承左右前后完全對稱，所以左右前后磁通分布情況完全相同，下面僅以左側(cè)磁通分布情況為例。靜態(tài)偏磁磁通經(jīng)過的磁路分為兩部分，一部分靜態(tài)偏磁磁通14-1從永磁體7的上表面出發(fā)，依次經(jīng)過上部定子的上層磁極21、上部氣隙13、轉(zhuǎn)子16、下部氣隙13、下部定子的下層磁極82，最后回到永磁體7的下表面。另一部分靜態(tài)偏磁磁通14-2從永磁體7的上表面出發(fā)，依次經(jīng)過上部定子的下層磁極22、上部氣隙13、然后進(jìn)入轉(zhuǎn)子16、下部氣隙13、下部定子的上層磁極81，最后回到永磁體7的下表面。當(dāng)轉(zhuǎn)子16處于中心平衡位置時(shí)，由于靜態(tài)偏磁磁通14-1、14-2在上部氣隙13和下部氣隙13中分布均勻且對稱，因此轉(zhuǎn)子16可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，即只由永磁體7發(fā)揮作用，上部軸向控制線圈31、下部軸向控制線圈101、上部徑向控制線圈41和下部徑向控制線圈91內(nèi)均不產(chǎn)生控制電流，因此功耗很低。

參見圖5，徑向二自由度主動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)：當(dāng)轉(zhuǎn)子16在徑向二自由度受到干擾而偏離平衡位置時(shí)，上部定子的徑向控制線圈41與下部定子的徑向控制線圈91此時(shí)通以合適方向的電流產(chǎn)生相應(yīng)方向的磁通，對永磁體7產(chǎn)生的靜態(tài)偏磁磁通14-1、14-2產(chǎn)生增強(qiáng)或減弱的作用，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的平衡力使轉(zhuǎn)子回平衡位置。下面僅以X軸方向?yàn)槔?，假設(shè)轉(zhuǎn)子16在徑向X軸負(fù)方向上偏移原平衡位置，第一個(gè)上部徑向線圈41通正方向電流+I，對面的第三個(gè)上部徑向線圈41和第一個(gè)下部徑向線圈91、對面的第三個(gè)下部徑向線圈92均通負(fù)方向的電流-I，其他徑向線圈和軸向線圈不通電，相應(yīng)的上、下部徑向控制線圈41、91產(chǎn)生的徑向控制磁通152與靜態(tài)偏磁磁通14-1、14-2相疊加，使得上部定子的下層磁極22左側(cè)外表面的上部氣隙13和下部定子的上層磁極81左側(cè)外表面的下部氣隙13處磁通密度增大，而上部定子的下層磁極22右側(cè)外表面的上部氣隙13和下部定子的上層磁極81右側(cè)外表面的下部氣隙13處的磁通密度減小，氣隙磁通的變化引起定子在磁極氣隙處對轉(zhuǎn)子16吸力的大小發(fā)生不同程度的變化，這樣形成X軸負(fù)方向的合力，把轉(zhuǎn)子16拉回原平衡位置。同理，可對轉(zhuǎn)子16在Y軸方向的偏離進(jìn)行控制。

參見圖6，徑向扭轉(zhuǎn)二自由度主動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)：當(dāng)轉(zhuǎn)子16在徑向扭轉(zhuǎn)二自由度（θ_x、θ_y）受到干擾而偏離平衡位置時(shí)，上部定子的軸向控制線圈31和下部定子軸向控制線圈101通電與永磁體7形成的等效磁場可產(chǎn)生扭矩，使得轉(zhuǎn)子16恢復(fù)原來的平衡狀態(tài)。假設(shè)轉(zhuǎn)子16受到擾動(dòng)而在X軸正方向上發(fā)生扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)角度為θ_x。此時(shí)對上部定子的第一個(gè)軸向控制線圈31、相對面的第三個(gè)軸向控制線圈31通負(fù)方向的電流-I，下部定子的第一個(gè)軸向控制線圈101、相對面的第三個(gè)軸向控制線圈102通正方向的電流+I，其他軸向線圈和徑向線圈不通電，其產(chǎn)生的控制磁通151與靜態(tài)偏磁磁通14-1、14-2相疊加，使得上部定子的上層磁極21左側(cè)外表面的上部氣隙13和下部定子的下層磁極82右側(cè)外表面的上部氣隙13處磁通密度減小，上部定子的上層磁極21右側(cè)外表面的上部氣隙13和下部定子的下層磁極82左側(cè)外表面的上部氣隙13處磁通密度增大，氣隙磁通的變化引起定子在磁極氣隙處對轉(zhuǎn)子16的吸力的大小發(fā)生不同程度的變化，這樣進(jìn)而形成恢復(fù)扭轉(zhuǎn)力矩，使轉(zhuǎn)子16回平衡位置。

參見圖7，軸向單自由度主動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)：當(dāng)轉(zhuǎn)子16在軸向單自由度受到干擾而偏離平衡位置時(shí)，通過調(diào)節(jié)上部軸向控制線圈31和下部軸向控制線圈101的電流，從而調(diào)節(jié)軸向氣隙的軸向控制磁通。假設(shè)轉(zhuǎn)子16在Z軸負(fù)方向發(fā)生偏移，此時(shí)對第一個(gè)上部定子軸向控制線圈31、第一個(gè)下部定子軸向控制線圈101通正方向電流+I，第一個(gè)上部定子軸向控制線圈31、對面的第三個(gè)下部定子軸向控制線圈通負(fù)方向的電流-I，其他軸向線圈和徑向線圈不通電流，其產(chǎn)生的軸向控制磁通151與靜態(tài)偏磁磁通14-1、14-2相疊加，使得上部定子的上層磁極21左側(cè)外表面的上部氣隙13、上層磁極21右側(cè)外表面的上部氣隙13處的磁通密度加大，下部定子的下層磁極82左側(cè)外表面的下部氣隙13、下層磁極82右側(cè)外表面的下部氣隙13處的磁通密度減小，氣隙磁通的變化引起定子在磁極氣隙處對轉(zhuǎn)子16的吸力大小發(fā)生不同程度的變化，由此產(chǎn)生軸向負(fù)方向上的力，使轉(zhuǎn)子16回到平衡位置。

根據(jù)以上所述，便可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍的情況下做出的其它的變化和修改，仍包括在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。