一種檢控共位球面軸向純電磁磁阻力磁軸承的製作方法

2023-07-18 00:51:26 1

本發明涉及一種非接觸磁懸浮軸承，特別是一種軸向平動檢測與控制為一體，且位移檢測點與控制點共位的球面軸向純電磁磁軸承，可用於磁懸浮控制敏感陀螺軸向單自由度高精度懸浮支承。

背景技術：

磁懸浮控制敏感陀螺是更具發展潛力的新一代集姿態控制與敏感為一體的慣性機構，同時具有高精度的姿態控制功能和徑向兩自由度姿態敏感功能，是天基平臺實現甚穩超靜的理想選擇。磁軸承是磁懸浮控制敏感陀螺核心部件之一，對陀螺的姿控精度與敏感精度具有重要影響。

與洛倫茲力相比，磁阻力磁軸承的電磁懸浮力與電流成平方關係，具有功耗低、承載力大等優點，常用於轉子平動懸浮控制。球面磁阻力磁軸承的氣隙為球殼狀，其電磁懸浮力始終指向球心，且偏轉前後氣隙形狀不會發生改變，轉子磁極表面磁密分布均勻。當轉子質心與球心重合時，電磁懸浮力過質心，即消除了平動懸浮對偏轉懸浮的幹擾，提高了懸浮控制精度。球面純電磁磁阻力磁軸承斷電狀態下，無電磁吸力，非常便於系統裝配和調試，非常適合磁懸浮控制敏感陀螺軸向懸浮支承。專利申請號201510813055.9所述的一種內轉子磁懸浮球面陀螺飛輪採用一種球面軸向純電磁磁阻力磁軸承，其轉子所受懸浮電磁力始終過轉子球心，當轉子質心與球心重合時，消除了軸向平動懸浮對偏轉懸浮的幹擾。為了陀螺結構緊湊，該磁軸承的磁極內、外環面積相等，磁極外環處的磁密與內環處的磁密相等，由於磁通在磁極外環邊緣存在強邊緣漏磁效應，導致軸向平動懸浮對徑向平動懸浮產生較大幹擾。專利申請號201510370246.2所述的一種雙線圈球面純電磁磁軸承和專利申請號201510370225.0所述的一種球面純電磁磁軸承均採用雙線圈結構，提高了電流相應速率，但其磁極內環面積為外環面積的3倍，導致磁極外環表面的磁場較強，在磁極外環端部的強邊緣漏磁效應下，轉子軸向平動懸浮對徑向平動懸浮產生較大幹擾。此外，在上述三種方案中，軸向平動位移檢測點與控制點異位，需要轉換矩陣來估計磁軸承中心控制點處的位移。由於轉換矩陣存在測量誤差，且該誤差隨時間、溫度、應力變化，降低了磁軸承的平動懸浮精度。

技術實現要素：

傳統的磁軸承系統中檢測機構(即傳感器線圈)和執行結構(即發力裝置)採用分立式結構布局，即傳感器線圈與磁軸承發力位置異位，本發明將磁軸承的檢測機構和執行機構裝配位置關係為共線，其檢測中心軸與磁軸承的合力作用方向一致，實現了磁軸承的檢測與控制共位。本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供了一種磁路邊緣效應弱、檢測與控制共位的球面軸向純電磁磁阻力磁軸承。

本發明的技術解決方案為：一種檢控共位球面軸向純電磁磁阻力磁軸承，其包括定子系統和轉子，其特徵在於：定子系統包括：上球面定子鐵心、下球面定子鐵心、激磁線圈、傳感器線圈、傳感器骨架、屏蔽線和傳感器屏蔽筒。所述上球面定子鐵心和下球面定子鐵心分別分布在z軸的正負方向上，構成軸向純電磁磁阻力磁軸承的上、下兩個定子磁極，其內部均有一環形槽。所述激磁線圈分別繞制在所述上球面定子鐵心和下球面定子鐵心的環形槽內，並通過環氧樹脂膠固化在所述上球面定子鐵心和下球面定子鐵心上，所述傳感器線圈、傳感器骨架、屏蔽線和傳感器屏蔽筒分別位於所述上球面定子鐵心和下球面定子鐵心的中心通孔內，所述傳感器線圈繞制在所述傳感器骨架端部的凹槽上，並通過環氧樹脂膠固化在所述傳感器骨架上，所述屏蔽線連接所述傳感器線圈，並通過所述傳感器骨架上的穿線孔引到所述傳感器骨架外部，所述傳感器線圈、傳感器骨架和屏蔽線位於所述傳感器屏蔽筒的安裝孔內，並通過環氧樹脂膠固化在所述傳感器屏蔽筒內，所述傳感器線圈、傳感器骨架、屏蔽線和傳感器屏蔽筒通過所述上球面定子鐵心和下球面定子鐵心與所述傳感器屏蔽筒的螺紋配合分別安裝在所述上球面定子鐵心和下球面定子鐵心上，所述轉子的外球面與所述上球面定子鐵心和下球面定子鐵心的內球面留有一定的間隙，形成球殼氣隙。

所述的軸向純電磁磁阻力磁軸承傳感器骨架和傳感器屏蔽筒的軸線分別與上球面定子鐵心和下球面定子鐵心的軸線重合。所述的上球面定子鐵心和下球面定子鐵心的磁極外環面積均為內環面積的2-3倍。所述的上球面定子鐵心和下球面定子鐵心的球心完全重合。所述的上球面定子鐵心和下球面定子鐵心為高飽和磁密的1j22棒材或電工純鐵dt4c材料。所述的傳感器骨架採用耐高溫高強度的聚醯亞胺材料。所述的屏蔽線採用雙絞屏蔽線。所述的傳感器屏蔽筒採用無磁導電性能好的銅合金材料。

上述方案的原理是：本發明所述的軸向磁軸承定子系統在同一個裝置中需成對使用，兩個球面定子鐵心磁極面的球心完全重合，轉子所受懸浮電磁力始終過球心，磁軸承磁極的外圈面積大於內圈面積；當轉子質心與球心重合時，電磁力對轉子產生的力矩為零，從而消除了軸向平動懸浮對偏轉懸浮的幹擾。定子磁極外環面積為內環面積的2-3倍，減弱了磁極外環表面的磁場強度和磁極端部漏磁效應，降低了軸向平動懸浮對徑向平動懸浮的幹擾。傳感器骨架軸線與球面定子鐵心軸線重合，實現了位移檢測點與控制點的共位，無需藉助轉換矩陣估計轉子軸向平動位移，與檢控異位的軸向磁軸承相比，消除了轉換矩陣帶來的誤差，進一步提高了轉子懸浮控制精度。當轉子沿z軸正向偏離平衡位置時，傳感器線圈將檢測信號經屏蔽線傳遞到磁軸承控制器，磁軸承控制器無需轉換矩陣直接將傳感器線圈信號轉換為控制電流，上球面定子鐵心的激磁線圈中的控制電流與偏置電流反向疊加，減小上球殼氣隙的磁通，下球面定子鐵心的激磁線圈中的控制電流與偏置電流正向疊加，增大下球殼氣隙的磁通，調節轉子回到平衡位置；當轉子沿z軸反向偏離平衡位置時，傳感器線圈將檢測信號經屏蔽線傳遞到磁軸承控制器，磁軸承控制器無需轉換矩陣直接將傳感器線圈信號轉換為控制電流，上球面定子鐵心的激磁線圈中的控制電流與偏置電流正向疊加，增大上球殼氣隙的磁通，下球面定子鐵心的激磁線圈中的控制電流與偏置電流反向疊加，減小下球殼氣隙的磁通，調節轉子回到平衡位置。當轉子發生徑向平動或偏轉時，相對於定子磁極球面的中心，轉子磁極成非對稱放置，一側磁極面大，另一側磁極面小，由於定子磁極外環邊緣存在漏磁效應，導致轉子磁極面大的一側電磁吸力大，轉子磁極面小的一側電磁吸力小，兩力的合力會在徑向產生分量，即軸向平動會干擾徑向平動。本發明定子磁極的外環面積是內環面積的2-3倍，降低了定子磁極外環的磁場密度，弱化了定子磁極外環邊緣的漏磁效應，從而減小了徑向幹擾力。如圖1所示，本發明的上電磁磁路為：磁通從上球面定子鐵心的內環磁極出發，通過內球殼氣隙、轉子、外球殼氣隙回到上球面定子鐵心的外環磁極；下電磁磁路為：磁通從下球面定子鐵心的內環磁極出發，通過內球殼氣隙、轉子、外球殼氣隙回到下球面定子鐵心的外環磁極。

本發明與現有技術相比的優點在於：(1)本發明由於採用了球面磁極，與現有柱面磁極的磁軸承相比，消除了軸向平動懸浮對徑向偏轉懸浮的幹擾；(2)定子磁極外環面積為內環面積的2-3倍，減弱了磁極外環表面的磁場強度和磁極端部漏磁效應，降低了軸向平動懸浮對徑向平動懸浮的幹擾；(3)傳感器骨架軸線與球面定子鐵心軸線重合，實現了位移檢測點與控制點共位，無需藉助轉換矩陣估計轉子軸向平動位移，消除了因檢控異位所需轉換矩陣引起的誤差，進一步提高了轉子懸浮控制精度。

附圖說明

圖1為本發明技術解決方案的一種檢控共位球面軸向純電磁磁阻力磁軸承的剖視圖；

圖2為本發明技術解決方案的定子系統的剖視圖；

圖3a為本發明技術解決方案的上球面定子鐵心和下球面定子鐵心的剖視圖；

圖3b為本發明技術解決方案的上球面定子鐵心和下球面定子鐵心的三維結構示意圖；

圖4a為本發明技術解決方案的傳感器骨架的剖視圖；

圖4b為本發明技術解決方案的傳感器骨架的三維結構示意圖；

圖5a為本發明技術解決方案的傳感器屏蔽筒的剖視圖；

圖5b為本發明技術解決方案的傳感器屏蔽筒的三維結構示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種檢控共位球面軸向純電磁磁阻力磁軸承，其包括定子系統和轉子1，定子系統主要包括：上球面定子鐵心2a、下球面定子鐵心2b、激磁線圈3、傳感器線圈4、傳感器骨架5、屏蔽線6和傳感器屏蔽筒7；所述上球面定子鐵心2a和下球面定子鐵心2b分別分布在z軸的正負方向上，構成軸向純電磁磁阻力磁軸承的上、下兩個定子磁極，其內部均有一環形槽，所述激磁線圈3分別繞制在所述上球面定子鐵心2a和下球面定子鐵心2b的環形槽內，並通過環氧樹脂膠固化在所述上球面定子鐵心2a和下球面定子鐵心2b上，所述傳感器線圈4、傳感器骨架5、屏蔽線6和傳感器屏蔽筒7分別位於所述上球面定子鐵心2a和下球面定子鐵心2b的中心通孔內，所述傳感器線圈4繞制在所述傳感器骨架5端部的凹槽上，並通過環氧樹脂膠固化在所述傳感器骨架5上，所述屏蔽線6連接所述傳感器線圈4，並通過所述傳感器骨架5上的穿線孔引到所述傳感器骨架5外部，所述傳感器線圈4、傳感器骨架5和屏蔽線6位於所述傳感器屏蔽筒7的安裝孔內，並通過環氧樹脂膠固化在所述傳感器屏蔽筒7內，所述傳感器線圈4、傳感器骨架5、屏蔽線6和傳感器屏蔽筒7通過所述上球面定子鐵心2a和下球面定子鐵心2b與所述傳感器屏蔽筒7的螺紋配合分別安裝在所述上球面定子鐵心2a和下球面定子鐵心2b上，所述轉子1的外球面與所述上球面定子鐵心2a和下球面定子鐵心2b的內球面留有一定的間隙，形成球殼氣隙8。

圖2為本發明中定子系統的剖視圖，定子系統主要包括：上球面定子鐵心2a、下球面定子鐵心2b、激磁線圈3、傳感器線圈4、傳感器骨架5、屏蔽線6和傳感器屏蔽筒7；所述上球面定子鐵心2a和下球面定子鐵心2b內部均有一環形槽，所述激磁線圈3分別繞制在所述上球面定子鐵心2a和下球面定子鐵心2b的環形槽內，並通過環氧樹脂膠固化在所述上球面定子鐵心2a和下球面定子鐵心2b上，所述傳感器線圈4、傳感器骨架5、屏蔽線6和傳感器屏蔽筒7分別位於所述上球面定子鐵心2a和下球面定子鐵心2b的中心通孔內，所述傳感器線圈4繞制在所述傳感器骨架5端部的凹槽上，並通過環氧樹脂膠固化在所述傳感器骨架5上，所述屏蔽線6連接所述傳感器線圈4，並通過所述傳感器骨架5上的穿線孔引到所述傳感器骨架5外部，所述傳感器線圈4、傳感器骨架5和屏蔽線6位於所述傳感器屏蔽筒7的安裝孔內，並通過環氧樹脂膠固化在所述傳感器屏蔽筒7內，所述傳感器線圈4、傳感器骨架5、屏蔽線6和傳感器屏蔽筒7通過所述上球面定子鐵心2a和下球面定子鐵心2b與所述傳感器屏蔽筒7的螺紋配合分別安裝在所述上球面定子鐵心2a和下球面定子鐵心2b上。上述發明所用的上球面定子鐵心2a和下球面定子鐵心2b為強導磁率的1j22棒材或電工純鐵dt4c材料，傳感器骨架5採用耐高溫高強度的聚醯亞胺材料，傳感器屏蔽筒7採用無磁導電性能好的金屬材料，如鋁合金、銅合金和鈦合金。

圖3a為本發明中上球面定子鐵心2a和下球面定子鐵心2b的剖視圖，圖3b為本發明中的上球面定子鐵心2a和下球面定子鐵心2b的三維結構示意圖，其材料為1j22強導磁棒材或dt4c電工純鐵棒材，上球面定子鐵心2a和下球面定子鐵心2b內部環形槽用於激磁線圈3纏繞，中心位置的螺紋孔用於傳感器線圈4、傳感器骨架5、屏蔽線6和傳感器屏蔽筒7的安裝，其外環磁極面積為內環磁極面積的2-3倍。

圖4a為本發明中傳感器骨架5的剖視圖，圖4a為本發明中傳感器骨架5的剖視圖，其材料採用耐高溫高強度的聚醯亞胺材料，端部凹槽用於傳感器線圈4纏繞，傳感器骨架5位於傳感器屏蔽筒7的安裝孔內，並通過環氧樹脂膠固化在傳感器屏蔽筒7內。

圖5a為本發明中傳感器屏蔽筒7的剖視圖，圖5b為本發明中傳感器屏蔽筒7的三維結構示意圖，其材料採用無磁導電性能好的銅合金材料，其中心通孔，用於安裝傳感器線圈4、傳感器骨架5和屏蔽線6，其上端外螺紋用於與球面定子鐵心2的內螺紋配合。

本發明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。本發明的上述實施例是對方案的說明而不能用於限制本發明，與本發明有保護範圍相當的含義和範圍內的任何改變，都應認為是包括在本發明保護的範圍內。