一種兩自由度內轉子永磁偏置球形徑向磁軸承的製作方法

2023-05-26 02:56:56 2

專利名稱:一種兩自由度內轉子永磁偏置球形徑向磁軸承的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種兩自由度內轉子永磁偏置球形徑向磁軸承，主要由定子系統和轉子系統兩部分組成，定子系統主要包括：上球面定子鐵心、下球面定子鐵心、激磁線圈、隔磁環、上導磁環、下導磁環、永磁體、定子套筒和定子鎖環；轉子系統主要包括：球面轉子鐵心、轉子套筒和轉子鎖環；上球面定子鐵心組成4個定子磁極，下球面定子鐵心組成4個定子磁極，共組成磁軸承上下兩端8個定子磁極，分別組成X、Y軸正負方向的磁極，每個定子磁極繞制有激磁線圈。可作為磁懸浮陀螺儀轉子的無接觸支承，使轉子的徑向平動與徑向扭動控制完全解耦，消除徑向平動控制對徑向扭動控制的幹擾，提高磁懸浮陀螺儀的指向精度。
【專利說明】一種兩自由度內轉子永磁偏置球形徑向磁軸承

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種非接觸磁懸浮軸承，尤其涉及一種兩自由度內轉子永磁偏置球形徑向磁軸承。

【背景技術】
[0002]磁懸浮軸承分為純電磁磁軸承和永磁偏置混合磁軸承，前者利用偏置電流提供偏置磁場，其電流較大、功耗大，後者利用永磁體替代純電磁磁軸承中的偏置電流產生的偏置磁場，且永磁體產生的偏置磁場承擔主要的承載力，電磁控制磁場提供輔助的調節力，可大大減小磁軸承控制電流，降低功放損耗，從而減小線圈匝數，縮小磁軸承體積，降低重量。所以永磁偏置磁軸承在磁懸浮鼓風機、磁懸浮電機、磁懸浮壓縮機、磁懸浮儲能飛輪、磁懸浮偏置動量輪、磁懸浮控制力矩陀螺等高速運動場合得到廣泛應用。
[0003]磁懸浮陀螺儀利用磁懸浮軸承支承高速旋轉的陀螺儀轉子，消除了機械摩擦力矩帶來的幹擾，使陀螺轉子工作在較高的轉速狀態，從而為陀螺轉子提供較大的動量矩，使其具有很好的定軸性，從而提高陀螺儀的指向精度。當有徑向扭動力矩作用於陀螺儀轉子時，陀螺儀旋轉軸將發生偏轉，即發生陀螺漂移。因此，必須考慮磁軸承懸浮力對陀螺漂移的影響。
[0004]經分析表明，提高磁懸浮陀螺儀轉子指向精度的前提是，陀螺儀轉子的軸向平動控制和徑向平動控制都對徑向扭動控制沒有幹擾，即在X、Y和Z三個方向的平動必須與徑向X和Y方向扭動完全解耦，這就要求磁軸承產生徑向和軸向電磁力時，不會對陀螺轉子產生偏轉力矩。
[0005]現有技術中，授權專利ZL200510011271.8提出了一種永磁偏置內轉子徑向磁軸承，其磁極面為圓柱面。磁軸承工作時，轉子所受的電磁吸力始終垂直於磁極表面。當陀螺儀轉子慣性軸與磁軸承幾何軸發生偏轉時，磁軸承8個磁極面產生的電磁吸力大小不相等，且都不指向陀螺儀轉子質心，即會對陀螺儀轉子產生徑向扭動的幹擾力矩，驅使陀螺儀轉子轉軸偏離初始位置而產生陀螺漂移，降低了陀螺指向精度。
實用新型內容
[0006]本實用新型的目的是提供一種精度高的兩自由度內轉子永磁偏置球形徑向磁軸承。
[0007]本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的:
[0008]本實用新型的兩自由度內轉子永磁偏置球形徑向磁軸承，主要由定子系統和轉子系統兩部分組成，定子系統主要包括:上球面定子鐵心、下球面定子鐵心、激磁線圈、隔磁環、上導磁環、下導磁環、永磁體、定子套筒和定子鎖環；轉子系統主要包括:球面轉子鐵心、轉子套筒和轉子鎖環；上球面定子鐵心組成4個定子磁極，下球面定子鐵心組成4個定子磁極，共組成磁軸承上下兩端8個定子磁極，分別組成X、Y軸正負方向的磁極，每個定子磁極繞制有激磁線圈，隔磁環位於上球面定子鐵心和下球面定子鐵心之間，上導磁環位於上球面定子鐵心徑向外側，下導磁環位於下球面定子鐵心徑向外側，永磁體位於上導磁環和下導磁環之間，上導磁環、下導磁環和永磁體位於定子套筒徑向內側，並通過定子鎖環固定安裝在定子套筒上，球面轉子鐵心位於轉子套筒徑向外側，並通過轉子鎖環固定安裝在轉子套筒上，球面轉子鐵心外球面與上球面定子鐵心內球面和下球面定子鐵心內球面留有一定的間隙，形成空氣氣隙。
[0009]由上述本實用新型提供的技術方案可以看出，本實用新型實施例提供的兩自由度內轉子永磁偏置球形徑向磁軸承，由於採用徑向平動與徑向扭動解耦控制的兩自由度內轉子永磁偏置球形徑向磁軸承，可作為磁懸浮陀螺儀轉子的無接觸支承，使轉子的徑向平動與徑向扭動控制完全解耦，消除徑向平動控制對徑向扭動控制的幹擾，提高磁懸浮陀螺儀的指向精度。

【附圖說明】

[0010]圖1為本實用新型實施例提供的兩自由度內轉子永磁偏置球形徑向磁軸承的軸向截面結構示意圖；
[0011]圖2為本實用新型實施例提供的兩自由度內轉子永磁偏置球形徑向磁軸承的軸向端面結構示意圖；
[0012]圖3a為本實用新型實施例中上球面定子鐵心和下球面定子鐵心剖視圖；
[0013]圖3b為本實用新型實施例中上球面定子鐵心和下球面定子鐵心三維結構示意圖；
[0014]圖4a為本實用新型實施例中球面轉子鐵心剖視圖；
[0015]圖4b為本實用新型實施例中球面轉子鐵心三維結構示意圖。

【具體實施方式】
[0016]下面將對本實用新型實施例作進一步地詳細描述。
[0017]本實用新型的兩自由度內轉子永磁偏置球形徑向磁軸承，其較佳的【具體實施方式】是:
[0018]主要由定子系統和轉子系統兩部分組成，定子系統主要包括:上球面定子鐵心、下球面定子鐵心、激磁線圈、隔磁環、上導磁環、下導磁環、永磁體、定子套筒和定子鎖環；轉子系統主要包括:球面轉子鐵心、轉子套筒和轉子鎖環；上球面定子鐵心組成4個磁極，下球面定子鐵心組成4個磁極，上球面定子鐵心和下球面定子鐵心組成磁軸承上下兩端8個磁極，分別組成X、Y軸正負方向的磁極，每個定子磁極繞制有激磁線圈，隔磁環位於上球面定子鐵心和下球面定子鐵心之間，上導磁環位於上球面定子鐵心徑向外側，下導磁環位於下球面定子鐵心徑向外側，永磁體位於上導磁環和下導磁環之間，上導磁環、下導磁環和永磁體位於定子套筒徑向內側，並通過定子鎖環固定安裝在定子套筒上，球面轉子鐵心位於轉子套筒徑向外側，並通過轉子鎖環固定安裝在轉子套筒上，球面轉子鐵心外球面與上球面定子鐵心內球面和下球面定子鐵心內球面留有一定的間隙，形成空氣氣隙。
[0019]所述的上球面定子鐵心和下球面定子鐵心的磁極均採用極靴形式以減小高轉速下的渦流損耗和等效阻力矩。所述的上導磁環和下導磁環均為1J85導磁材料。所述的永磁體為衫鈷合金或釹鐵硼合金材料。所述的永磁體軸向圓環，沿軸向充磁。所述的上球面定子鐵心的球面半徑和下球面定子鐵心的球面半徑相等，且兩者的球心完全重合。
[0020]本實用新型克服現有技術的不足，採用徑向平動和徑向扭動解耦控制的內轉子永磁偏置球形徑向磁軸承，避免了徑向平動控制對徑向扭動控制的幹擾。
[0021]本實用新型的原理是:
[0022]永磁體給磁軸承提供永磁偏置磁場，承擔磁軸承所受的徑向力，激磁線圈所產生的控制磁場與永磁體產生的偏置磁場正向/反向疊加，保持磁軸承定轉子氣隙均勻，實現轉子的無接觸懸浮支承。如圖1所示，本實用新型的永磁磁路為:磁通從永磁體N極出發，通過上導磁環、上球面定子鐵心、氣隙、球面轉子鐵心、氣隙、下球面定子鐵心、下導磁環回到永磁體S極，形成磁懸浮軸承的主磁路。如圖2所示，以上端Y軸正向激磁線圈電流產生的磁通為例，其路徑為:上球面定子鐵心的Y軸正向磁極、Y軸正向氣隙到球面轉子鐵心、然後到另外三個方向氣隙、上球面定子鐵心形成的另外三個方向磁極、回到上球面定子鐵心形成的Y軸正向磁極，構成閉合迴路。
[0023]當磁軸承轉子處於平衡位置時，8個磁極面處的氣隙完全相等，各磁極面處的電磁吸力大小相等，磁軸承轉子所受的合力和合力矩為零。當磁軸承轉子慣性軸與其定子幾何軸存在一小角度時，在各定子磁極面處，轉子所受的電磁吸力始終沿磁軸承轉子球面的徑向方向，且都經過球面轉子鐵心的球心。當陀螺轉子質心與球面轉子鐵心的球心完全重合時，8個磁極面出的電磁吸力對陀螺轉子質心產生的力矩為0，不會驅使陀螺旋轉軸發生偏轉，即徑向平動控制不會影響徑向扭動控制，避免了徑向平動對徑向扭動的幹擾，消除了徑向磁軸承引起的陀螺漂移。
[0024]本實用新型與現有技術相比的優點在於:
[0025]本實用新型在現有內轉子徑向磁軸承的基礎上，將現有磁軸承磁極面換成球面，使磁軸承轉子在各磁極處所受的電磁力始終經過球面轉子鐵心的球心，克服了因各磁極處電磁力不相等時，而產生的徑向扭動幹擾力矩，消除了徑向磁軸承引起的陀螺漂移，提高了磁懸浮陀螺儀的指向精度。
[0026]具體實施例:
[0027]如圖1、2所示，一種兩自由度內轉子永磁偏置球形徑向磁軸承，主要由定子系統和轉子系統兩部分組成，定子系統主要包括:上球面定子鐵心1、下球面定子鐵心2、激磁線圈3、隔磁環4、上導磁環5、下導磁環6、永磁體7、定子套筒8和定子鎖環9 ;轉子系統主要包括:球面轉子鐵心10、轉子套筒11和轉子鎖環12 ;上球面定子鐵心I組成4個磁極，下球面定子鐵心2組成4個磁極，上球面定子鐵心I和下球面定子鐵心2組成磁軸承上下兩端8個磁極，分別組成X、Y軸正負方向的磁極，每個定子磁極繞制有激磁線圈3，隔磁環4位於上球面定子鐵心I和下球面定子鐵心2之間，上導磁環5位於上球面定子鐵心I徑向外側，下導磁環6位於下球面定子鐵心2徑向外側，永磁體7位於上導磁環5和下導磁環6之間，上導磁環5、下導磁環6和永磁體7位於定子套筒8徑向內側，並通過定子鎖環9固定安裝在定子套筒8上，球面轉子鐵心10位於轉子套筒11徑向外側，並通過轉子鎖環12固定安裝在轉子套筒11上，球面轉子鐵心10外球面與上球面定子鐵心I內球面和下球面定子鐵心2內球面留有一定的間隙，形成空氣氣隙13。
[0028]圖3a為本實用新型中上球面定子鐵心I和下球面定子鐵心2剖視圖，圖3b為本實用新型中上球面定子鐵心I和下球面定子鐵心2三維結構示意圖，其材料為導磁性能良好的薄鋼片如電工矽鋼片1J22、1J50、1J79、1J85、電工純鐵等磁性材料衝壓疊制而成，四個磁極面在同一球面上，每個磁極均採用極靴形式以減小高轉速下的渦流損耗和等效阻力矩。
[0029]圖4a為本實用新型中球面轉子鐵心10剖視圖，圖4b為本實用新型中球面轉子鐵心10三維結構示意圖，其材料為導磁性能良好的薄鋼片如電工矽鋼片1J22、1J50、1J79、1J85、電工純鐵等磁性材料衝壓疊制而成，陀螺儀轉子處於平衡位置時，球面轉子鐵心10的外球面球心與上球面定子鐵心I內球面的球心和下球面定子鐵心2的內球面的球心重入口 ο
[0030]上述實用新型方案所用的隔磁環4的材料為導熱性能良好的硬鋁2A12、超硬鋁7A09等無磁合金。上導磁環5和下導磁環6均為導磁性能良好的1J85導磁材料。永磁體7的材料為磁性能良好的衫鈷合金或釹鐵硼合金，永磁體7為軸向圓環，沿軸向充磁。激磁線圈3用導電良好的銅線繞制後浸漆烘乾而成。定子套筒8和轉子套筒11材料均為導熱性能力良好的ICrlSN1Ti弱磁不鏽鋼。定子鎖環9和轉子鎖環12材料均為導熱性能良好的硬鋁2A12、超硬鋁7A09等無磁合金。
[0031]本實用新型說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。
[0032]以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本實用新型披露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。因此，本實用新型的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
【權利要求】
1.一種兩自由度內轉子永磁偏置球形徑向磁軸承，包括定子系統和轉子系統兩部分，其特徵在於: 所述定子系統主要包括:上球面定子鐵心(I)、下球面定子鐵心(2)、激磁線圈(3)、隔磁環(4)、上導磁環(5)、下導磁環￠)、永磁體(7)、定子套筒(8)和定子鎖環(9); 所述轉子系統主要包括:球面轉子鐵心(10)、轉子套筒(11)和轉子鎖環(12); 所述上球面定子鐵心(I)組成4個定子磁極，所述下球面定子鐵心(2)組成4個定子磁極，共組成磁軸承上下兩端8個定子磁極，分別組成X、Y軸正負方向的磁極，每個定子磁極繞制有所述激磁線圈(3); 所述隔磁環(4)位於上球面定子鐵心(I)和下球面定子鐵心(2)之間，所述上導磁環(5)位於所述上球面定子鐵心(I)徑向外側，所述下導磁環(6)位於所述下球面定子鐵心(2)徑向外側，所述永磁體(7)位於所述上導磁環(5)與下導磁環(6)之間； 所述上導磁環(5)、下導磁環(6)和永磁體(7)位於所述定子套筒(8)徑向內側，並通過所述定子鎖環(9)固定安裝在所述定子套筒(8)上； 所述球面轉子鐵心(10)位於所述轉子套筒(11)徑向外側，並通過所述轉子鎖環(12)固定安裝在所述轉子套筒(11)上，所述球面轉子鐵心(10)外球面與上球面定子鐵心(I)內球面和下球面定子鐵心(2)內球面之間留有的間隙，形成空氣氣隙(13)。2.根據權利要求1所述的兩自由度內轉子永磁偏置球形徑向磁軸承，其特徵在於:所述的上球面定子鐵心(I)和下球面定子鐵心(2)的磁極均採用極靴結構。3.根據權利要求1所述的兩自由度內轉子永磁偏置球形徑向磁軸承，其特徵在於:所述的上導磁環(5)和下導磁環(6)均為1J85導磁材料。4.根據權利要求1所述的兩自由度內轉子永磁偏置球形徑向磁軸承，其特徵在於:所述的永磁體(7)為衫鈷合金或釹鐵硼合金材料。5.根據權利要求1所述的兩自由度內轉子永磁偏置球形徑向磁軸承，其特徵在於:所述的永磁體(7)為軸向圓環，沿軸向充磁。6.根據權利要求1所述的兩自由度內轉子永磁偏置球形徑向磁軸承，其特徵在於:所述的上球面定子鐵心(I)的球面半徑和下球面定子鐵心(2)的球面半徑相等，且兩者的球心完全重合。
【文檔編號】F16C32-04GK204267529SQ201420685068
【發明者】劉強, 任元, 蔡遠文, 王衛傑, 樊亞洪, 繆存孝, 葉郭波, 邵瓊玲 [申請人]北京石油化工學院, 中國人民解放軍裝備學院