一種兩自由度洛倫茲力外轉(zhuǎn)子球面磁軸承的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種非接觸磁懸浮軸承，尤其涉及一種兩自由度洛倫茲力外轉(zhuǎn)子球面磁軸承。
【背景技術(shù)】
[0002]磁懸浮軸承分為磁阻式磁軸承和洛倫茲力磁軸承，前者通過改變磁軸承的氣隙磁阻來改變磁通的大小，從而控制磁軸承輸出的電磁力。由于電磁力與磁通的平方成正比，磁通與線圈磁動(dòng)勢(shì)成正比，因而磁阻式磁軸承電磁力與線圈控制電流成平方關(guān)系，采用線性化后的線性范圍較窄。洛倫茲力磁軸承的氣隙磁阻和磁動(dòng)勢(shì)為恒值，氣隙內(nèi)的磁密和磁通不變，輸出電磁力與線圈控制電流成正比，具有較好的線性度。因而洛倫茲力磁軸承非常適合于高精度控制，可用作磁懸浮大力矩飛輪和磁懸浮敏感陀螺徑向兩自由度偏轉(zhuǎn)懸浮支承。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，授權(quán)專利201110253688.0所述的一種大力矩磁懸浮飛輪采用了一種兩自由度洛倫茲力磁軸承，通過控制沿圓周方向均勻放置的四個(gè)方形線圈電流的大小和方向，實(shí)現(xiàn)了徑向兩個(gè)偏轉(zhuǎn)自由度的懸浮控制。該方案中的洛倫茲力磁軸承定子為圓柱狀的杯形定子，磁間隙為圓環(huán)柱狀，洛倫茲力磁軸承只能發(fā)生很小角度的偏轉(zhuǎn)，一般為1°?3°，導(dǎo)致磁懸浮大力矩飛輪輸出大力矩時(shí)間較短和最大輸出陀螺力矩較小。由于導(dǎo)磁材料的邊緣效應(yīng)，導(dǎo)致該方案中氣隙內(nèi)部磁場(chǎng)在徑向方向不均勻，致使洛倫茲力磁軸承發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)作用于控制線圈的磁密發(fā)生改變，從而降低了電磁力的精度。此外，該方案中洛倫茲力杯形定子為導(dǎo)熱性較差的非金屬材料，不易于散熱，致使磁軸承工作時(shí)溫度偏高，降低了磁軸承自身的可靠性和壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種能夠大角度偏轉(zhuǎn)、易于散熱、高控制力矩精度的兩自由度洛倫茲力球面磁軸承。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]本發(fā)明的兩自由度洛倫茲力外轉(zhuǎn)子球面磁軸承，主要由定子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)兩部分組成，定子系統(tǒng)主要包括:左線圈、右線圈、前線圈、后線圈、左隔磁凸臺(tái)、右隔磁凸臺(tái)、前隔磁凸臺(tái)、后隔磁凸臺(tái)、定子球面導(dǎo)磁環(huán)、左隔磁螺釘、右隔磁螺釘、前隔磁螺釘、后隔磁螺釘、環(huán)氧樹脂膠和安裝座；轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要包括:上球面磁鋼、下球面磁鋼、隔磁環(huán)、轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)、轉(zhuǎn)子鎖母和轉(zhuǎn)子套筒；左線圈、右線圈、前線圈和后線圈成對(duì)使用，左線圈和右線圈組成一對(duì)用于徑向X向偏轉(zhuǎn)控制，前線圈和后線圈組成一對(duì)用于徑向Y向偏轉(zhuǎn)控制，左線圈纏繞在左隔磁凸臺(tái)上，右線圈纏繞在右隔磁凸臺(tái)上，前線圈纏繞在前隔磁凸臺(tái)上，后線圈纏繞在后隔磁凸臺(tái)上，左隔磁凸臺(tái)位于定子球面導(dǎo)磁環(huán)徑向左側(cè)，并通過左隔磁螺釘固定在定子球面導(dǎo)磁環(huán)外球面上，右隔磁凸臺(tái)位于定子球面導(dǎo)磁環(huán)徑向右側(cè)，并通過右隔磁螺釘固定在定子球面導(dǎo)磁環(huán)外球面上，前隔磁凸臺(tái)位于定子球面導(dǎo)磁環(huán)徑向前側(cè)，并通過前隔磁螺釘固定在定子球面導(dǎo)磁環(huán)外球面上，后隔磁凸臺(tái)位于定子球面導(dǎo)磁環(huán)徑向后側(cè)，并通過后隔磁螺釘固定在定子球面導(dǎo)磁環(huán)外球面上，左線圈、右線圈、前線圈和后線圈通過環(huán)氧樹脂膠固化安裝在定子球面導(dǎo)磁環(huán)上，左線圈、右線圈、前線圈、后線圈、左隔磁凸臺(tái)、右隔磁凸臺(tái)、前隔磁凸臺(tái)、后隔磁凸臺(tái)、定子球面導(dǎo)磁環(huán)、左隔磁螺釘、右隔磁螺釘、前隔磁螺釘、后隔磁螺釘和環(huán)氧樹脂膠位于安裝座的上端，并通過定子球面導(dǎo)磁環(huán)與安裝座的螺紋連接固定安裝在安裝座上，上球面磁鋼和下球面磁鋼分別位于左線圈、右線圈、前線圈和后線圈的徑向外側(cè)上方和徑向外側(cè)下方，隔磁環(huán)位于上球面磁鋼和下球面磁鋼之間，轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)位于上球面磁鋼、下球面磁鋼和隔磁環(huán)的徑向外側(cè)，轉(zhuǎn)子鎖母位于下球面磁鋼和轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)的下端，上球面磁鋼、下球面磁鋼、隔磁環(huán)、轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)和轉(zhuǎn)子鎖母位于轉(zhuǎn)子套筒的徑向內(nèi)側(cè)，并通過轉(zhuǎn)子鎖母與轉(zhuǎn)子套筒的螺紋連接固定安裝在轉(zhuǎn)子套筒的徑向內(nèi)側(cè)，上球面磁鋼和下球面磁鋼與定子球面導(dǎo)磁環(huán)間留有一定的間隙，形成空氣氣隙。
[0007]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的兩自由度洛倫茲力球面磁軸承，由于采用了球殼狀氣隙結(jié)構(gòu)，與柱殼狀氣隙的洛倫茲力磁軸承相比，增加了洛倫茲力磁軸承的偏轉(zhuǎn)角度，同時(shí)不改變作用于定子線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度，提高了磁軸承偏轉(zhuǎn)控制力矩精度。與雙邊轉(zhuǎn)子的洛倫茲力磁軸承相比，本發(fā)明由于采用了單邊外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其線圈直接安裝在定子導(dǎo)磁環(huán)上，通電線圈產(chǎn)生的熱量可迅速通過高導(dǎo)熱系統(tǒng)的導(dǎo)磁環(huán)直接傳導(dǎo)出去，降低了磁軸承系統(tǒng)的溫升，提高了系統(tǒng)可靠性。
【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的兩自由度洛倫茲力外轉(zhuǎn)子球面磁軸承的徑向X向剖視圖；
[0009]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的兩自由度洛倫茲力外轉(zhuǎn)子球面磁軸承的徑向Y向剖視圖；
[0010]圖3a為本發(fā)明實(shí)施例中的定子系統(tǒng)的徑向X向截面圖；
[0011]圖3b為本發(fā)明實(shí)施例中的定子系統(tǒng)的徑向Y向截面圖；
[0012]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中的定子系統(tǒng)中左線圈、右線圈、前線圈、后線圈、左隔磁凸臺(tái)、右隔磁凸臺(tái)、前隔磁凸臺(tái)、后隔磁凸臺(tái)、定子球面導(dǎo)磁環(huán)、左隔磁螺釘、右隔磁螺釘、前隔磁螺釘和后隔磁螺釘?shù)难b配示意圖；
[0013]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剖視圖；
[0014]圖6a為本發(fā)明實(shí)施例中的定子球面導(dǎo)磁環(huán)的截面圖；
[0015]圖6b為本發(fā)明實(shí)施例中的定子球面導(dǎo)磁環(huán)的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖7a為本發(fā)明實(shí)施例中的上球面磁鋼和下球面磁鋼的截面圖；
[0017]圖7b為本發(fā)明實(shí)施例中的上球面磁鋼和下球面磁鋼的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0019]本發(fā)明的兩自由度洛倫茲力外轉(zhuǎn)子球面磁軸承，其較佳的【具體實(shí)施方式】是:
[0020]主要由定子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)兩部分組成，定子系統(tǒng)主要包括:左線圈、右線圈、前線圈、后線圈、左隔磁凸臺(tái)、右隔磁凸臺(tái)、前隔磁凸臺(tái)、后隔磁凸臺(tái)、定子球面導(dǎo)磁環(huán)、左隔磁螺釘、右隔磁螺釘、前隔磁螺釘、后隔磁螺釘、環(huán)氧樹脂膠和安裝座；轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要包括:上球面磁鋼、下球面磁鋼、隔磁環(huán)、轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)、轉(zhuǎn)子鎖母和轉(zhuǎn)子套筒；左線圈、右線圈、前線圈和后線圈成對(duì)使用，左線圈和右線圈組成一對(duì)用于徑向X向偏轉(zhuǎn)控制，前線圈和后線圈組成一對(duì)用于徑向Y向偏轉(zhuǎn)控制，左線圈纏繞在左隔磁凸臺(tái)上，右線圈纏繞在右隔磁凸臺(tái)上，前線圈纏繞在前隔磁凸臺(tái)上，后線圈纏繞在后隔磁凸臺(tái)上，左隔磁凸臺(tái)位于定子球面導(dǎo)磁環(huán)徑向左側(cè)，并通過左隔磁螺釘固定在定子球面導(dǎo)磁環(huán)外球面上，右隔磁凸臺(tái)位于定子球面導(dǎo)磁環(huán)徑向右側(cè)，并通過右隔磁螺釘固定在定子球面導(dǎo)磁環(huán)外球面上，前隔磁凸臺(tái)位于定子球面導(dǎo)磁環(huán)徑向前側(cè)，并通過前隔磁螺釘固定在定子球面導(dǎo)磁環(huán)外球面上，后隔磁凸臺(tái)位于定子球面導(dǎo)磁環(huán)徑向后側(cè)，并通過后隔磁螺釘固定在定子球面導(dǎo)磁環(huán)外球面上，左線圈、右線圈、前線圈和后線圈通過環(huán)氧樹脂膠固化安裝在定子球面導(dǎo)磁環(huán)上，左線圈、右線圈、前線圈、后線圈、左隔磁凸臺(tái)、右隔磁凸臺(tái)、前隔磁凸臺(tái)、后隔磁凸臺(tái)、定子球面導(dǎo)磁環(huán)、左隔磁螺釘、右隔磁螺釘、前隔磁螺釘、后隔磁螺釘和環(huán)氧樹脂膠位于安裝座的上端，并通過定子球面導(dǎo)磁環(huán)與安裝座的螺紋連接固定安裝在安裝座上，上球面磁鋼和下球面磁鋼分別位于左線圈、右線圈、前線圈和后線圈的徑向外側(cè)上方和徑向外側(cè)下方，隔磁環(huán)位于上球面磁鋼和下球面磁鋼之間，轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)位于上球面磁鋼、下球面磁鋼和隔磁環(huán)的徑向外側(cè)，轉(zhuǎn)子鎖母位于下球面磁鋼和轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)的下端，上球面磁鋼、下球面磁鋼、隔磁環(huán)、轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)和轉(zhuǎn)子鎖母位于轉(zhuǎn)子套筒的徑向內(nèi)側(cè)，并通過轉(zhuǎn)子鎖母與轉(zhuǎn)子套筒的螺紋連接固定安裝在轉(zhuǎn)子套筒的徑向內(nèi)側(cè)，上球面磁鋼和下球面磁鋼與定子球面導(dǎo)磁環(huán)間留有一定的間隙，形成空氣氣隙。
[0021]所述的左隔磁凸臺(tái)、右隔磁凸臺(tái)、前隔磁凸臺(tái)、后隔磁凸臺(tái)、左隔磁螺釘、右隔磁螺釘、前隔磁螺釘和后隔磁螺釘均為絕緣非金屬聚酰亞胺材料。
[0022]所述的定子球面導(dǎo)磁環(huán)和轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)均為電工純鐵DT4C或1J50導(dǎo)磁塊材材料。
[0023]所述的環(huán)氧樹脂膠為雙組份膠水，兩種膠水比例為1:2，其固化環(huán)境為常溫真空環(huán)境，固化時(shí)間不低于24小時(shí)。
[0024]所述的上球面磁鋼和下球面磁鋼為釹鐵硼合金或衫鈷合金硬磁材料，均為徑向充磁，充磁方向相反，且兩者外形尺寸完全一致。
[0025]所述的空氣氣隙大小為6mm?8mm。
[0026]上述方案的原理是:
[0027]本發(fā)明中的兩自由度洛倫茲力磁軸承為兩自由度徑向偏轉(zhuǎn)控制磁軸承，可控制轉(zhuǎn)子沿徑向X、Y方向的偏轉(zhuǎn)，即利用兩對(duì)成對(duì)通電線圈產(chǎn)生的大小相等方向相反的安培力組成力偶，控制徑向兩自由度的偏轉(zhuǎn)。如圖1、2中箭頭方向所示，本發(fā)明的永磁磁路為:磁通從上球面磁鋼N極出發(fā)，穿過空氣氣隙上端，到達(dá)定子球面導(dǎo)磁環(huán)外球面上端，隨后從定子球面導(dǎo)磁環(huán)外球面下端流出，穿過空氣氣隙下端，到達(dá)下球面磁鋼S極，并從下球面磁鋼N極流出，經(jīng)轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)回到上球面磁鋼S極。
[0028]洛倫茲力磁軸承工作過程中，空氣氣隙不會(huì)發(fā)生變化，永磁磁路的整個(gè)磁路不會(huì)改變，氣隙內(nèi)的磁密和磁通為恒值，磁軸承輸出的徑向偏轉(zhuǎn)力與線圈控制電流有關(guān)，且成線性關(guān)系，即偏轉(zhuǎn)力和偏轉(zhuǎn)力矩與控制電流具有很好的線性關(guān)系。此外，由于采用了球殼狀氣隙結(jié)構(gòu)，磁軸承能夠?qū)崿F(xiàn)更大角度的偏轉(zhuǎn)能夠更長時(shí)間輸出力矩或瞬間輸出更大的陀螺力矩，且磁軸承轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)后，成對(duì)通電線圈產(chǎn)生的安培力組成的力偶的力臂始終為球面直徑，即力臂為恒值，從而可以提高洛倫茲力磁軸承輸出的偏轉(zhuǎn)力矩精度。除此之外，四個(gè)成對(duì)使用的線圈通過環(huán)氧樹脂膠直接固化在定子球面導(dǎo)磁環(huán)外球面上，線圈直接與高導(dǎo)熱系數(shù)的球面導(dǎo)磁環(huán)接觸，有利于通電線圈熱傳導(dǎo)，降低了洛倫茲力磁軸承的溫升，提高了磁軸承系統(tǒng)的可靠性。
[0029]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0030]本發(fā)明由于采用了球殼狀氣隙結(jié)構(gòu)，與柱殼狀氣隙的洛倫茲力磁軸承相比，增加了洛倫茲力磁軸承的偏轉(zhuǎn)角度，同時(shí)不改變作用于定子線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度，提高了磁軸承偏轉(zhuǎn)控制力矩精度。與雙邊轉(zhuǎn)子的洛倫茲力磁軸承相比，本發(fā)明由于采用了單邊外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其線圈直接安裝在定子導(dǎo)磁環(huán)上，通電線圈產(chǎn)生的熱量可迅速通過高導(dǎo)熱系統(tǒng)的導(dǎo)磁環(huán)直接傳導(dǎo)出去，降低了磁軸承系統(tǒng)的溫升，提高了系統(tǒng)可靠性。
[0031]具體實(shí)施例:
[0032]如圖1、2所示，一種兩自由度洛倫