一种两自由度外转子永磁偏置球形径向磁轴承

摘要

本发明公开了一种两自由度外转子永磁偏置球形径向磁轴承，包括定子系统和转子系统两部分，定子系统主要包括：上球面定子铁心、下球面定子铁心、激磁线圈、隔磁环、上导磁环、下导磁环、永磁体、定子套筒和定子锁环；转子系统主要包括：球面转子铁心、转子套筒和转子锁环；上球面定子铁心组成4个磁极，下球面定子铁心组成4个磁极，共组成磁轴承上下两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，球面转子铁心内球面与上球面定子铁心外球面和下球面定子铁心外球面留有一定的间隙，形成空气气隙。可作为磁悬浮陀螺仪转子的无接触支承，使转子的径向平动与径向扭动控制完全解耦，提高磁悬浮陀螺仪的指向精度。

权利要求

1.一种两自由度外转子永磁偏置球形径向磁轴承，包括定子系统和转子系统两部分，其特征在于：所述定子系统主要包括：上球面定子铁心(1)、下球面定子铁心(2)、激磁线圈(3)、隔磁环(4)、上导磁环(5)、下导磁环(6)、永磁体(7)、定子套筒(8)和定子锁环(9)；

所述转子系统主要包括：球面转子铁心(10)、转子套筒(11)和转子锁环(12)；

所述上球面定子铁心(1)组成4个磁极，所述下球面定子铁心(2)组成4个磁极，共组成磁轴承上下两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个磁极绕制有所述激磁线圈(3)，所述隔磁环(4)位于所述上球面定子铁心(1)和下球面定子铁心(2)之间；

所述上导磁环(5)位于所述上球面定子铁心(1)径向内侧，所述下导磁环(6)位于所述下球面定子铁心(2)径向内侧，所述永磁体(7)位于所述上导磁环(5)和下导磁环(6)之间；

所述上导磁环(5)、下导磁环(6)和永磁体(7)位于所述定子套筒(8)径向外侧，并通过所述定子锁环(9)固定安装在所述定子套筒(8)上；

所述球面转子铁心(10)位于所述转子套筒(11)径向内侧，并通过所述转子锁环(12)固定安装在所述转子套筒(11)上；

所述球面转子铁心(10)内球面与所述上球面定子铁心(1)外球面和所述下球面定子铁心(2)外球面留有间隙，形成空气气隙(13)。

2.根据权利要求1所述的两自由度外转子永磁偏置球形径向磁轴承，其特征在于：所述的上球面定子铁心(1)和下球面定子铁心(2)的磁极均采用极靴结构。

3.根据权利要求1所述的两自由度外转子永磁偏置球形径向磁轴承，其特征在于：所述的上导磁环(5)和下导磁环(6)均为1J85导磁材料。

4.根据权利要求1所述的两自由度外转子永磁偏置球形径向磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(7)为衫钴合金或钕铁硼合金材料。

5.根据权利要求1所述的两自由度外转子永磁偏置球形径向磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(7)为轴向圆环，沿轴向充磁。

6.根据权利要求1所述的两自由度外转子永磁偏置球形径向磁轴承，其特征在于：所述的上球面定子铁心(1)的球面半径和下球面定子铁心(2)的球面半径相等，且两者的球心完全重合。

说明书

一种两自由度外转子永磁偏置球形径向磁轴承

技术领域

[0001] 本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，尤其涉及一种两自由度外转子永磁偏置球形径向磁轴承。

背景技术

[0002] 磁悬浮轴承分为纯电磁磁轴承和永磁偏置混合磁轴承，前者利用偏置电流提供偏置磁场，其电流较大、功耗大，后者利用永磁体替代纯电磁磁轴承中的偏置电流产生的偏置磁场，且永磁体产生的偏置磁场承担主要的承载力，电磁控制磁场提供辅助的调节力，可大大减小磁轴承控制电流，降低功放损耗，从而减小线圈匝数，缩小磁轴承体积，降低重量。所以永磁偏置磁轴承在磁悬浮鼓风机、磁悬浮电机、磁悬浮储能飞轮、磁悬浮偏置动量轮、磁悬浮控制力矩陀螺等高速运动场合得到广泛应用。

[0003] 磁悬浮陀螺仪利用磁悬浮轴承支承高速旋转的陀螺转子，消除了机械摩擦力矩带来的干扰，使陀螺转子工作在较高的转速状态，从而为陀螺转子提供较大的动量矩，使其具有很好的定轴性。指向精度是衡量陀螺仪的最重要指标，所有导致陀螺转子旋转轴偏转的干扰力矩，都会引起陀螺漂移。所以，必须考虑磁轴承支承部件对陀螺漂移的影响。

[0004] 经分析表明，提高磁悬浮陀螺转子指向精度的前提是，陀螺转子的轴向平动控制和径向平动控制都对径向扭动控制没有干扰，即在X、Y和Z三个方向的平动必须与径向X和Y方向扭动完全解耦，这就要求磁轴承产生径向和轴向电磁力时，不会对陀螺转子产生偏转力矩。

[0005] 现有技术中，专利ZL200510011270.3提出了一种外转子径向磁轴承，其磁极面为圆柱面。磁轴承工作时，转子所受的电磁吸力始终垂直于磁极面。当陀螺转子惯性轴与磁轴承几何轴发生偏转时，磁轴承8个磁极面产生的电磁吸力大小不相等，且都不指向陀螺转子质心，即会对陀螺转子产生径向扭动的干扰力矩，驱使陀螺转子转轴偏离初始位置而产生陀螺漂移，降低了陀螺指向精度。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种精度高的两自由度外转子永磁偏置球形径向磁轴承。

[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0008] 本发明的两自由度外转子永磁偏置球形径向磁轴承，包括定子系统和转子系统两部分，定子系统主要包括：上球面定子铁心、下球面定子铁心、激磁线圈、隔磁环、上导磁环、下导磁环、永磁体、定子套筒和定子锁环；转子系统主要包括：球面转子铁心、转子套筒和转子锁环；上球面定子铁心组成4个磁极，下球面定子铁心组成4个磁极，共组成磁轴承上下两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子磁极绕制有激磁线圈，隔磁环位于上球面定子铁心和下球面定子铁心之间，上导磁环位于上球面定子铁心径向内侧，下导磁环位于下球面定子铁心径向内侧，永磁体位于上导磁环和下导磁环之间，上导磁环、下导磁环和永磁体位于定子套筒径向外侧，并通过定子锁环固定安装在定子套筒上，球面转子铁心位于转子套筒径向内侧，并通过转子锁环固定安装在转子套筒上，球面转子铁心内球面与上球面定子铁心外球面和下球面定子铁心外球面留有一定的间隙，形成空气气隙。

[0009] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的两自由度外转子永磁偏置球形径向磁轴承，由于采用径向平动与径向扭动解耦控制的两自由度外转子永磁偏置球形径向磁轴承，可作为磁悬浮陀螺仪转子的无接触支承，使转子的径向平动与径向扭动控制完全解耦，提高磁悬浮陀螺仪的指向精度。

附图说明

[0010] 图1为本发明实施例提供的两自由度外转子永磁偏置球形径向磁轴承的轴向截面结构示意图；

[0011] 图2为本发明实施例提供的两自由度外转子永磁偏置球形径向磁轴承的轴向端面结构示意图；

[0012] 图3a为本发明实施例中的上球面定子铁心和下球面定子铁心剖视图；

[0013] 图3b为本发明实施例中的上球面定子铁心和下球面定子铁心三维结构示意图；

[0014] 图4a为本发明实施例中的球面转子铁心剖视图；

[0015] 图4b为本发明实施例中的球面转子铁心三维结构示意图。

具体实施方式

[0016] 下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

[0017] 本发明的两自由度外转子永磁偏置球形径向磁轴承，其较佳的具体实施方式是：

[0018] 包括定子系统和转子系统两部分，定子系统主要包括：上球面定子铁心、下球面定子铁心、激磁线圈、隔磁环、上导磁环、下导磁环、永磁体、定子套筒和定子锁环；转子系统主要包括：球面转子铁心、转子套筒和转子锁环；上球面定子铁心组成4个磁极，下球面定子铁心组成4个磁极，上球面定子铁心和下球面定子铁心组成磁轴承上下两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子磁极绕制有激磁线圈，隔磁环位于上球面定子铁心和下球面定子铁心之间，上导磁环位于上球面定子铁心径向内侧，下导磁环位于下球面定子铁心径向内侧，永磁体位于上导磁环和下导磁环之间，上导磁环、下导磁环和永磁体位于定子套筒径向外侧，并通过定子锁环固定安装在定子套筒上，球面转子铁心位于转子套筒径向内侧，并通过转子锁环固定安装在转子套筒上，球面转子铁心内球面与上球面定子铁心外球面和下球面定子铁心外球面留有一定的间隙，形成空气气隙。

[0019] 所述的上球面定子铁心和下球面定子铁心的磁极均采用极靴形式以减小高转速下的涡流损耗和等效阻力矩。所述的上导磁环和下导磁环均为1J85导磁材料。所述的永磁体为衫钴合金或钕铁硼合金材料。所述的永磁体为轴向圆环，沿轴向充磁。所述的上球面定子铁心的球面半径和下球面定子铁心的球面半径相等，且两者的球心完全重合。

[0020] 本发明的两自由度外转子永磁偏置球形径向磁轴承，克服了现有技术的不足，采用径向平动和径向扭动解耦控制的外转子永磁偏置球形径向磁轴承，避免了径向平动控制对径向扭动控制的干扰。

[0021] 本发明的方案的原理是：

[0022] 永磁体给磁轴承提供永磁偏置磁场，承担磁轴承所受的径向力，激磁线圈所产生的控制磁场与永磁体产生的偏置磁场正向/反向叠加，保持磁轴承定转子气隙均匀，实现转子的无接触悬浮支承。如图1所示，本发明的永磁磁路为：磁通从永磁体N极出发，通过上导磁环、上球面定子铁心、气隙、球面转子铁心、气隙、下球面定子铁心、下导磁环回到永磁体S极，形成磁悬浮轴承的主磁路。如图2所示，以上端Y轴正向激磁线圈电流产生的磁通为例，其路径为：上球面定子铁心的Y轴正向磁极、Y轴正向气隙到球面转子铁心、然后到另外三个方向气隙、上球面定子铁心形成的另外三个方向磁极、回到上球面定子铁心形成的Y轴正向磁极，构成闭合回路。

[0023] 当磁轴承转子处于平衡位置时，8个磁极面处的气隙完全相等，各磁极面处的电磁吸力大小相等，磁轴承转子所受的合力和合力矩为零。当磁轴承转子转轴与其定子几何轴存在一小角度时，在各定子磁极面处，转子所受的电磁吸力始终沿磁轴承转子球面的径向方向，且都经过球面转子铁心的球心。当陀螺转子质心与球面转子铁心的球心完全重合时，8个磁极面出的电磁吸力对陀螺转子质心产生的力矩为0，不会驱使陀螺旋转轴发生偏转，即径向平动控制不会影响径向扭动控制，避免了径向平动对径向扭动的干扰，消除了径向磁轴承引起的陀螺漂移。

[0024] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0025] 本发明在现有外转子径向磁轴承的基础上，将现有磁轴承磁极面换成球面，使磁轴承转子在各磁极处所受的电磁力始终经过球面转子铁心的球心，克服了因各磁极处电磁力不相等时，而产生的径向扭动干扰力矩，消除了径向磁轴承引起的陀螺漂移，提高了磁悬浮陀螺仪的指向精度。

[0026] 具体实施例：

[0027] 如图1、2所示，一种两自由度外转子永磁偏置球形径向磁轴承，主要由定子系统和转子系统两部分组成，定子系统主要包括：上球面定子铁心1、下球面定子铁心2、激磁线圈3、隔磁环4、上导磁环5、下导磁环6、永磁体7、定子套筒8和定子锁环9；转子系统主要包括：
球面转子铁心10、转子套筒11和转子锁环12；上球面定子铁心1组成4个磁极，下球面定子铁心2组成4个磁极，上球面定子铁心1和下球面定子铁心2组成磁轴承上下两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子磁极绕制有激磁线圈3，隔磁环4位于上球面定子铁心
1和下球面定子铁心2之间，上导磁环5位于上球面定子铁心1径向内侧，下导磁环6位于下球面定子铁心2径向内侧，永磁体7位于上导磁环5和下导磁环6之间，上导磁环5、下导磁环6和永磁体7位于定子套筒8径向外侧，并通过定子锁环9固定安装在定子套筒8上，球面转子铁心10位于转子套筒11径向内侧，并通过转子锁环12固定安装在转子套筒11上，球面转子铁心10内球面与上球面定子铁心1外球面和下球面定子铁心2外球面留有一定的间隙，形成空气气隙13。

[0028] 图3a为本发明中上球面定子铁心1和下球面定子铁心2剖视图，图3b为本发明中上球面定子铁心1和下球面定子铁心2三维结构示意图，其材料为导磁性能良好的薄钢片如电工硅钢片1J22、1J50、1J79、1J85、电工纯铁等磁性材料冲压叠制而成，四个磁极面在同一球面上，每个磁极均采用极靴形式以减小高转速下的涡流损耗和等效阻力矩。

[0029] 图4a为本发明中球面转子铁心10剖视图，图4b为本发明中球面转子铁心10三维结构示意图，其材料为导磁性能良好的薄钢片如电工硅钢片1J22、1J50、1J79、1J85、电工纯铁等磁性材料冲压叠制而成，陀螺转子处于平衡位置时，球面转子铁心10的内球面球心与上球面定子铁心1外球面的球心和下球面定子铁心2的外球面的球心重合。

[0030] 上述发明方案所用的隔磁环4的材料为导热性能良好的硬铝2A12、超硬铝7A09等无磁合金。上导磁环5和下导磁环6均为导磁性能良好的1J85导磁材料。永磁体7的材料为磁性能良好的衫钴合金或钕铁硼合金，永磁体7为轴向圆环，沿轴向充磁。激磁线圈3用导电良好的铜线绕制后浸漆烘干而成。定子套筒8和转子套筒11材料均为导热性能力良好的1Cr18Ni9Ti弱磁不锈钢。定子锁环9和转子锁环12材料均为导热性能良好的硬铝2A12、超硬铝7A09等无磁合金。

[0031] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。