CN102322481B - 一种三自由度径向解耦锥形磁轴承 - Google Patents

Abstract

一种三自由度径向解耦锥形磁轴承，主要由上下层锥形定子、上下层锥形转子、径向定子、径向转子铁心、激磁线圈、永磁体、定子导磁环及转子导磁环组成，其中锥形定子与锥形转子均为整环结构，相互间的吸力方向经过转子质心，用来控制转子z方向的平动，两个径向定子均由定子齿和定子导磁轭组成，安装时两个径向定子正交放置，且两个定子之间安装有径向定子隔磁环使径向两个通道之间的磁路互不耦合。径向定子与径向转子铁心之间产生的吸力用于控制转子x方向与y方向的平动。本发明使锥形定转子间的吸力方向经过质心，减小了转子扭转时负刚度的力臂长度，从而可减小负的扭转力矩，同时两个径向通道解耦，可提高径向承载力。

Description

一种三自由度径向解耦锥形磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种三自由度径向解耦的永磁偏置锥形磁轴承，可作为磁悬浮飞轮等航天器惯性执行机构中转子部件的无接触支撑。

背景技术

随着卫星任务多样化的发展，卫星对姿态控制系统的要求越来越高，磁悬浮飞轮作为一种航天器姿态控制执行机构，不仅需要依靠加减速输出轴向方向的力矩，还需要其具备沿径向扭转输出力矩的功能，因此要求其支撑轴承能够在飞轮转子扭转的情况下仍具备较大承载力，而不会对飞轮转子产生负力矩的影响。在现有磁悬浮飞轮结构中，一般采用单自由度轴向磁轴承+两个两自由度径向磁轴承结构，或三自由度轴向磁轴承+一个两自由度径向磁轴承结构。无论采用哪种结构，在满足承载力的要求下进行设计，轴向磁轴承在径向方向的跨距及径向磁轴承在轴向方向的跨距均较大，从而相对于转子质心形成力一个较大的力臂，这样当飞轮沿径向某一方向大角度扭转时，径向及轴向位移负刚度产生的力在较大的力臂作用下会产生较大的扭转负力矩，从而增大了飞轮扭转轴承的负载。同时，现有径向磁轴承一般定子部分分为四个磁极，且永磁磁路及电励磁磁路在各个磁极之间互相耦合，如专利200510011690.1所述的永磁偏置外转子径向磁轴承及专利200710063272.6中的具有冗余结构的永磁偏置外转子径向混合磁轴承均包含有四个相互耦合的径向磁极组成，若应用到大角度扭转的磁悬浮反作用飞轮中，当飞轮扭转时，径向四个磁极下的气隙大小不再相等，若径向某一通道承重施加电流时，受通道耦合影响，电流在另一通道会产生一个额外附加力，而本身通道的励磁减少，使承重通道的承载力降低。由于存在上述缺陷，现有磁轴承在大角度扭转磁悬浮反作用飞轮的应用中存在扭转负力矩大、径向通道耦合严重的缺点。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种扭转负力矩小、径向通道耦合小的大承载力三自由度径向解耦锥形磁轴承。

本发明的技术解决方案是：三自由度径向解耦锥形磁轴承，由定子部分和转子部分组成，其中定子部分包括定子导磁环、上锥形定子、定子隔磁环、轴向上层线圈、永磁体、径向定子、径向定子隔磁环、径向线圈、下锥形定子以及轴向下层线圈，转子部分包括上锥形转子、转子导磁环、径向转子铁心、转子隔磁环、下锥形转子，其中永磁体的外侧为径向定子，径向定子共有两个，沿圆周方向正交放置，两个径向定子之间有径向定子隔磁环，各径向定子均由定子齿和定子导磁轭组成，径向定子齿上均绕有径向线圈，永磁体的轴向上下两侧均为定子隔磁环，永磁体与定子隔磁环的径向内侧为定子导磁环，定子导磁环的上下两端分别为上锥形定子和下锥形定子，径向定子的外侧为径向转子铁心，径向定子和径向转子铁心之间为径向磁气隙，径向转子铁心上下两侧为转子隔磁环，转子导磁环安装在径向转子铁心和转子隔磁环的径向外侧，并将上锥形转子和下锥形转子连起来，形成磁通路，上锥形定子的外侧为上锥形转子，上锥形定子和上锥形转子之间为上锥形气隙，下锥形定子的外侧为下锥形转子，下锥形定子和下锥形转子之间为下锥形气隙，上锥形定子和下锥形定子沿圆周方向均为整环结构，轴向上层线圈和轴向下层线圈分别套在上锥形定子和下锥形定子的内侧。

所述上锥形定子和下锥形定子的锥面倾斜角为40～60°，使锥面法线方向与绕转子质心扭转力臂方向平行。

所述径向定子隔磁环的厚度为2mm～4mm。永磁体沿周向方向分为互不相连的四块，各永磁体块均为沿径向充磁，分别位于径向定子的四个定子齿的径向内侧，且各永磁体的周向跨距与径向定子的定子齿的周向跨距相同，均为60°～80°圆心角。

所述径向磁气隙大小为0.3mm～0.8mm，上锥形气隙和下锥形气隙的大小为0.4mm～0.85mm。

所述径向转子铁心采用1J50或非晶中的任意一种叠压制成，定子导磁环和转子导磁环均采用1J22棒材或电工纯铁中的任意一种制成。

所述径向转子铁心轴向长度比径向定子齿轴向长度大3～6mm，上锥形转子和下锥形转子轴向长度比上锥形定子和下锥形定子的轴向长度大5～8mm。

本发明的原理是：本发明中的三自由度径向解耦锥形磁轴承为三自由度径轴向一体化磁轴承的一种，可控制转子沿径向x、y方向的平动及沿轴向z方向的平动，即利用锥形定子和锥形转子之间的相互作用力来控制轴向平动，利用径向定子和径向转子之间的相互作用力来控制径向平动，永磁体同时为锥形面磁气隙和径向磁气隙提供偏置磁通，如图1中实线箭头方向所示，永磁体产生的永磁磁通路径为：磁通从永磁体N极出发，分别经过x方向及y方向径向定子、x及y方向径向气隙到转子铁心，然后经由转子导磁环磁通分两路分别经过上、下锥形转子、上下锥形气隙，到达上下锥形定子，再经定子导磁环回到永磁体S极。如图1中虚线箭头方向所示，轴向上、下层线圈通电后产生的电磁磁路路径为：电磁磁通从上锥形定子出发，经定子导磁环到下锥形定子，之后穿过下锥形气隙至下锥形转子、转子导磁环、上锥形转子、上锥形气隙，最终回到上锥形定子。径向x方向电磁磁路路径如图2中虚线箭头方向所示：电磁磁通从+x方向上的径向定子齿出发，经+x方向磁气隙、径向转子铁心、-x方向磁气隙、-x方向径向定子齿，然后经x方向定子导磁轭，回到+x方向上的定子齿形成回路。径向y方向电磁磁路与x方向相似，由+y方向上的径向定子齿出发，经+y方向磁气隙、径向转子铁心、-y方向磁气隙、-y方向径向定子齿，然后经y方向定子导磁轭，回到+y方向上的定子齿形成回路。由于定子隔磁环的存在，径向x方向与y方向的永磁磁路互不耦合，电磁磁路也互不耦合，因此当x方向气隙发生显著变化，或x通道施加控制电流时，y方向的永磁及电磁磁密均不会发生变化，且x方向电流产生的磁压降仅降落在+x和-x方向磁气隙上，因此该电流可以在x方向产生更大的电励磁磁密，从而可增大x方向的出力。

上下锥形定子均采用整环结构，轴向通道依靠锥形定子及锥形转子之间的相互作用进行控制，而锥形定转子面的法线沿质心方向，则无论转子处于什么位置，锥形转子面上各点产生的吸力方向均为沿质心方向(如图6所示)，这样当转子扭转输出力矩时，锥形面上不同大小的气隙处的磁密发生变化，产生不同的负刚度力，对转子有产生负力矩的趋势，但由于各点吸力方向均沿质心方向，使得扭转力臂长度为0，则锥面各点处的负刚度力产生的力矩大小为0，从而避免了轴承负刚度力产生的力矩对转子扭转的影响。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明一种三自由度径向解耦锥形磁轴承，采用锥形磁极控制轴向平动，并且将锥形面设计成法线沿质心方向，锥形面上各点的吸力对转子质心形成的力臂长度为0，当转子扭转输出力矩时虽转子不同位置存在大小不同的负刚度力，但在长度为0的力臂作用下不会产生扭转负力矩，因此与现有磁轴承相比，转子扭转时具有扭转负力矩小的特点。同时，径向结构采用x、y方向通道解耦的形式，使永磁磁路及电励磁磁路在x方向通道和y方向的通道之间均互不影响，当转子扭转使某一方向的通道气隙大小发生变化时，另一方向通道的永磁偏置磁密不会发生变化，因此在扭转情况下仍可保持较大的最大承载力，而电励磁磁路互不耦合，可使各方向通道电流产生的磁压降仅降落在其所在方向通道的磁气隙上，从而产生更大的电励磁磁密，增大本通道的出力。因此，与现有结构相比，本发明具有扭转负力矩小，扭转时最大承载力大的优点。

附图说明

图1为本发明沿x及y方向切开的轴向截面图。

图2为本发明的径向x方向通道的径向截面图。

图3为本发明的径向定子组件立体图。

图4为本发明径向定子组件爆炸视图。

图5为本发明单个径向通道定子组件的爆炸视图。

图6为本发明转子受力方向与质心关系示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明总体由定子部分和转子部分组成，其中定子部分包括定子导磁环1、上锥形定子2、定子隔磁环3、轴向上层线圈4、永磁体5、径向定子6、径向定子隔磁环7、径向线圈8、下锥形定子9以及轴向下层线圈10，转子部分包括上锥形转子11、转子导磁环12、径向转子铁心13、转子隔磁环14、下锥形转子15，其中永磁体5的外侧为径向定子6，径向定子6共有两个，沿圆周方向正交放置，两个径向定子之间有径向定子隔磁环7，各径向定子均由定子齿和定子导磁轭组成，径向定子齿上均绕有径向线圈8，永磁体5的轴向上下两侧均为定子隔磁环3，永磁体5与定子隔磁环3的径向内侧为定子导磁环1，定子导磁环1的上下两端分别为上锥形定子2和下锥形定子9，径向定子6的外侧为径向转子铁心13，径向定子6和径向转子铁心13之间为径向磁气隙16，径向转子铁心13上下两侧为转子隔磁环14，转子导磁环12安装在径向转子铁心13和转子隔磁环14的径向外侧，并将上锥形转子11和下锥形转子15连起来，形成磁通路，上锥形定子2的外侧为上锥形转子11，上锥形定子2和上锥形转子11之间为上锥形气隙17，下锥形定子9的外侧为下锥形转子15，下锥形定子9和下锥形转子15之间为下锥形气隙18，上锥形定子2和下锥形定子9沿圆周方向均为整环结构，轴向上层线圈4和轴向下层线圈10分别套在上锥形定子2和下锥形定子9的内侧。

如图6所示，上锥形定子2和下锥形定子9的锥面倾斜角α为40～60°，使锥面法线方向与绕转子质心扭转力臂方向平行。

本发明的径向定子6在x、y方向各有一个，两个径向定子及相邻的定子隔磁环3、永磁体5、径向定子隔磁环7共同组成了径向定子组件如图3所示，在安装时x、y方向的两个径向定子正交放置，径向定子隔磁环7位于两个通道定子之间，用于隔离两个通道的永磁磁路和电磁磁路，径向定子组件的爆炸视图如图4所示，单个通道的径向定子组件包括径向定子6、永磁体5、径向定子隔磁环7，其爆炸视图如图5所示，每个径向定子6均由定子齿61和定子导磁轭62组成，两个径向定子形成的定子组件沿圆周均匀分布有四个定子齿61，各定子齿沿圆周方向跨距β为60°～80°圆心角，径向定子隔磁环7的厚度为2mm～4mm，以保证x通道和y通道磁路互不耦合。

永磁体5沿周向方向分为互不相连的四块(如图4所示)，各永磁体块均为沿径向充磁，分别位于径向定子6的四个定子齿的径向内侧，且各永磁体5的周向跨距β1与径向定子6的定子齿的周向跨距β相同，均为60°～80°圆心角，如图5所示。

为保证飞轮转子扭转一定角度后各定子与转子不发生相互碰撞，径向磁气隙16大小为0.3mm～0.8mm，上锥形气隙17和下锥形气隙18的大小为0.4mm～0.85mm。

径向转子铁心13采用1J50或非晶中的任意一种叠压制成，定子导磁环1和转子导磁环12均采用1J22棒材或电工纯铁中的任意一种制成。

飞轮转子扭转时，轴承转子铁心会沿平行于气隙方向发生偏移，为保证偏移后定子跨距范围仍在转子跨距范围之内，径向转子铁心13轴向长度比径向定子齿61轴向长度大3～6mm，上锥形转子11和下锥形转子15轴向长度比上锥形定子2和下锥形定子9的轴向长度大5～8mm，使径向和轴向的漏磁系数均在1.3～1.9之间。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种三自由度径向解耦锥形磁轴承，其特征在于：由定子部分和转子部分组成，其中定子部分包括定子导磁环(1)、上锥形定子(2)、定子隔磁环(3)、轴向上层线圈(4)、永磁体(5)、径向定子(6)、径向定子隔磁环(7)、径向线圈(8)、下锥形定子(9)以及轴向下层线圈(10)，转子部分包括上锥形转子(11)、转子导磁环(12)、径向转子铁心(13)、转子隔磁环(14)、下锥形转子(15)，其中永磁体(5)的外侧为径向定子(6)，径向定子(6)共有两个，沿圆周方向正交放置，两个径向定子(6)之间有径向定子隔磁环(7)，径向定子(6)均由定子齿(61)和定子导磁轭(62)组成，径向定子齿(61)上绕有径向线圈(8)，永磁体(5)的轴向上下两侧均为定子隔磁环(3)，永磁体(5)与定子隔磁环(3)的径向内侧为定子导磁环(1)，定子导磁环(1)的上下两端分别为上锥形定子(2)和下锥形定子(9)，径向定子(6)的外侧为径向转子铁心(13)，径向定子(6)和径向转子铁心(13)之间为径向磁气隙(16)，径向转子铁心(13)上下两侧为转子隔磁环(14)，转子导磁环(12)安装在径向转子铁心(13)和转子隔磁环(14)的径向外侧，并将上锥形转子(11)和下锥形转子(15)连起来，形成磁通路，上锥形定子(2)的外侧为上锥形转子(11)，上锥形定子(2)和上锥形转子(11)之间为上锥形气隙(17)，下锥形定子(9)的外侧为下锥形转子(15)，下锥形定子(9)和下锥形转子(15)之间为下锥形气隙(18)，上锥形定子(2)和下锥形定子(9)沿圆周方向均为整环结构，轴向上层线圈(4)和轴向下层线圈(10)分别套在上锥形定子(2)和下锥形定子(9)的内侧。

2.根据权利要求1所述的三自由度径向解耦锥形磁轴承，上锥形定子(2)和下锥形定子(9)的锥面倾斜角为40～60°，使锥面法线方向与绕转子质心扭转力臂方向平行。

3.根据权利要求1或2所述的三自由度径向解耦锥形磁轴承，其特征在于：所述径向定子隔磁环(7)的厚度为2mm～4mm。

4.根据权利要求1所述的三自由度径向解耦锥形磁轴承，其特征在于：所述永磁体(5)沿周向方向分为互不相连的四块，各永磁体块均为沿径向充磁，分别位于径向定子(6)的四个定子齿(61)的径向内侧，且各永磁体(5)的周向跨距与径向定子(6)的定子齿(61)的周向跨距相同，均为60°～80°圆心角。

5.根据权利要求1所述的三自由度径向解耦锥形磁轴承，其特征在于：所述的径向磁气隙(16)大小为0.3mm～0.8mm，上锥形气隙(17)和下锥形气隙(18)的大小为0.4mm～0.85mm。

6.根据权利要求1所述的三自由度径向解耦锥形磁轴承，其特征在于：所述的径向转子铁心(13)采用1J50或非晶中的任意一种叠压制成，定子导磁环(1)和转子导磁环(12)均采用1J22棒材或电工纯铁中的任意一种制成。

7.根据权利要求1所述的三自由度径向解耦锥形磁轴承，其特征在于：所述的径向转子铁心(13)轴向长度比径向定子齿(61)轴向长度大3～6mm，上锥形转子(11)和下锥形转子(15)轴向长度比上锥形定子(2)和下锥形定子(9)的轴向长度大5～8mm。

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