一種雙永磁體內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁偏置球面徑向磁軸承的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種非接觸磁懸浮軸承，尤其涉及一種雙永磁體內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁偏置球面徑向磁軸承。
【背景技術(shù)】
[0002]純電磁磁軸承利用偏置電流提供偏置磁場，線圈繞組電流較大，導(dǎo)致磁軸承功耗大。永磁偏置混合磁軸承利用永磁體產(chǎn)生的永磁磁場提供偏置磁場，替代純電磁磁軸承中偏置電流產(chǎn)生的偏置磁場，可大大減小磁軸承控制電流，降低功率放大器功耗，縮小磁軸承體積，提高軸承承載力。所以永磁偏置磁軸承在磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)、磁懸浮油氣儲運(yùn)壓縮機(jī)、磁懸浮電機(jī)、磁懸浮儲能飛輪、磁懸浮動量輪、磁懸浮控制力矩陀螺等高速運(yùn)動場合得到廣泛應(yīng)用。
[0003]磁懸浮飛輪消除了機(jī)械軸承的摩擦磨損，無需潤滑，具有高力矩精度、微振動和主動振動抑制的功能等優(yōu)點(diǎn)，是高精度對地觀測衛(wèi)星的理想慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)。磁懸浮飛輪在轉(zhuǎn)速方面的優(yōu)勢，使其既能工作在反作用狀態(tài)用于反作用飛輪，又能工作在偏置狀態(tài)用于偏置動量輪，進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速還可用于姿控儲能兩用飛輪。上述三大類磁懸浮飛輪輸出力矩精度高，但力矩較小，不能滿足衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動的需求，不適合用于敏捷機(jī)動衛(wèi)星平臺的慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)。磁懸浮萬向動量輪通過控制飛輪轉(zhuǎn)子赤道內(nèi)徑向兩自由度扭動磁軸承偏轉(zhuǎn)力矩，改變飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸方向，能夠瞬間輸出瞬間大陀螺力矩，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)的敏捷機(jī)動。陀螺力矩精度和剩磁矩是空間用磁懸浮萬向飛輪的重要指標(biāo)。提高陀螺力矩精度，可實(shí)現(xiàn)敏捷機(jī)動衛(wèi)星在實(shí)現(xiàn)大角度機(jī)動的同時，提高衛(wèi)星對地觀測的分辨率。對于低軌衛(wèi)星，地磁產(chǎn)生的磁場會與整星剩磁矩相互作用產(chǎn)生干擾力矩，影響姿態(tài)控制力矩精度。此外，磁懸浮萬向動量輪自身剩磁矩可能會對星上磁強(qiáng)計的測量精度產(chǎn)生影響。因此，敏捷機(jī)動衛(wèi)星在設(shè)計過程中，對磁懸浮萬向動量輪的力矩精度和剩磁矩大小有嚴(yán)格要求。
[0004]經(jīng)分析表明，提高磁懸浮萬向動量輪輸出的陀螺力矩精度的前提是，飛輪轉(zhuǎn)子平動運(yùn)動時，其平動電磁力不會影響徑向偏轉(zhuǎn)力矩，要求三個平動方向的電磁力與徑向兩個方向的偏轉(zhuǎn)電磁力矩完全解耦。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中，專利ZL200510011271.8所述的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁偏置徑向磁軸承，利用放置于兩導(dǎo)磁環(huán)間的永磁體產(chǎn)生偏置磁場，替代純電磁磁軸承偏置電流產(chǎn)生的偏置磁場，降低了系統(tǒng)功耗，減小了磁軸承體積和重量。但其使用了一個永磁體圓環(huán)，為非對稱永磁體結(jié)構(gòu)，會產(chǎn)生較大的剩磁矩；專利ZL201010256248.6所述的雙永磁體內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁偏置徑向磁軸承，在磁軸承定子和轉(zhuǎn)子對稱放置一永磁體，為對稱永磁體結(jié)構(gòu)，大大減小徑向磁軸承產(chǎn)生的剩磁矩。
[0006]上述現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下缺點(diǎn):
[0007]專利ZL200510011271.8和專利ZL201010256248.6所述外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承磁極面為圓柱面，轉(zhuǎn)子所受電磁吸力始終垂直磁極表面。當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)子慣性軸與磁軸承定子幾何軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，磁軸承8個磁極面內(nèi)的電磁吸力不相等，且都不指向飛輪轉(zhuǎn)子質(zhì)心，從而會對飛輪轉(zhuǎn)子產(chǎn)生徑向扭動干擾力矩，降低磁懸浮萬向動量輪微框架效應(yīng)時產(chǎn)生的陀螺力矩精度。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008]本實(shí)用新型的目的是提供一種精度高的雙永磁體內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁偏置球面徑向磁軸承。
[0009]本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0010]本實(shí)用新型的雙永磁體內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁偏置球面徑向磁軸承，包括定子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)兩部分，定子系統(tǒng)主要包括:定子上球面鐵心、定子下球面鐵心、激磁線圈、定子隔磁環(huán)、定子上導(dǎo)磁環(huán)、定子下導(dǎo)磁環(huán)、定子永磁體、定子套筒和定子鎖環(huán)；轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要包括:轉(zhuǎn)子上球面鐵心、轉(zhuǎn)子下球面鐵心、轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)、轉(zhuǎn)子上導(dǎo)磁環(huán)、轉(zhuǎn)子下導(dǎo)磁環(huán)、轉(zhuǎn)子永磁體、轉(zhuǎn)子套筒和轉(zhuǎn)子鎖環(huán)；定子上球面鐵心組成4個磁極，定子下球面鐵心組成4個磁極，定子上球面鐵心和定子下球面鐵心組成磁軸承上下兩端8個磁極，分別組成X、Y軸正負(fù)方向的球面磁極，每個定子磁極繞制有激磁線圈，定子隔磁環(huán)位于定子上球面鐵心和定子下球面鐵心之間，定子上導(dǎo)磁環(huán)位于定子上球面鐵心徑向外側(cè)，定子下導(dǎo)磁環(huán)位于定子下球面鐵心徑向外側(cè)，定子永磁體位于定子上導(dǎo)磁環(huán)和定子下導(dǎo)磁環(huán)之間，定子上球面鐵心、定子下球面鐵心、定子隔磁環(huán)、定子上導(dǎo)磁環(huán)、定子下導(dǎo)磁環(huán)和定子永磁體位于定子套筒徑向內(nèi)偵牝并通過定子鎖環(huán)固定安裝在定子套筒上，轉(zhuǎn)子上球面鐵心位于定子上球面鐵心徑向內(nèi)偵牝轉(zhuǎn)子上球面鐵心外球面與定子上球面鐵心內(nèi)球面留有一定的間隙，形成空氣氣隙，轉(zhuǎn)子下球面鐵心位于定子下球面鐵心徑向內(nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)子下球面鐵心外球面與定子下球面鐵心內(nèi)球面留有一定的間隙，形成空氣氣隙，轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)位于轉(zhuǎn)子上球面鐵心和轉(zhuǎn)子下球面鐵心之間，轉(zhuǎn)子上導(dǎo)磁環(huán)位于轉(zhuǎn)子上球面鐵心徑向內(nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)子下導(dǎo)磁環(huán)位于轉(zhuǎn)子下球面鐵心徑向內(nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)子永磁體位于轉(zhuǎn)子上導(dǎo)磁環(huán)和轉(zhuǎn)子下導(dǎo)磁環(huán)之間，轉(zhuǎn)子上球面鐵心、轉(zhuǎn)子下球面鐵心、轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)、轉(zhuǎn)子上導(dǎo)磁環(huán)、轉(zhuǎn)子下導(dǎo)磁環(huán)和轉(zhuǎn)子永磁體位于轉(zhuǎn)子套筒徑向外側(cè)，并通過轉(zhuǎn)子鎖環(huán)固定安裝在轉(zhuǎn)子套筒上。
[0011]由上述本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案可以看出，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的雙永磁體內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁偏置球面徑向磁軸承，由于采用徑向平動和徑向扭動解耦控制，避免了徑向平動控制對徑向扭動控制的干擾，減小了其自身剩磁對外界的磁干擾，可作為空間用磁懸浮萬向動量輪等旋轉(zhuǎn)部件的無接觸支承，提高動量輪的控制力矩精度。
【附圖說明】
[0012]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的雙永磁體內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁偏置球面徑向磁軸承的軸向截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的雙永磁體內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁偏置球面徑向磁軸承的軸向端面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖3a為本實(shí)用新型實(shí)施例中的定子上球面鐵心和定子下球面鐵心剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3b為本實(shí)用新型實(shí)施例中的定子上球面鐵心和定子下球面鐵心三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖4a為本實(shí)用新型實(shí)施例中的轉(zhuǎn)子上球面鐵心和轉(zhuǎn)子下球面鐵心剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖4b為本實(shí)用新型實(shí)施例中的轉(zhuǎn)子上球面鐵心和轉(zhuǎn)子下球面鐵心三維結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面將對本實(shí)用新型實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0019]本實(shí)用新型的雙永磁體內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁偏置球面徑向磁軸承，其較佳的【具體實(shí)施方式】是:
[0020]包括定子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)兩部分，定子系統(tǒng)主要包括:定子上球面鐵心、定子下球面鐵心、激磁線圈、定子隔磁環(huán)、定子上導(dǎo)磁環(huán)、定子下導(dǎo)磁環(huán)、定子永磁體、定子套筒和定子鎖環(huán)；轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要包括:轉(zhuǎn)子上球面鐵心、轉(zhuǎn)子下球面鐵心、轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)、轉(zhuǎn)子上導(dǎo)磁環(huán)、轉(zhuǎn)子下導(dǎo)磁環(huán)、轉(zhuǎn)子永磁體、轉(zhuǎn)子套筒和轉(zhuǎn)子鎖環(huán)；定子上球面鐵心組成4個磁極，定子下球面鐵心組成4個磁極，定子上球面鐵心和定子下球面鐵心組成磁軸承上下兩端8個磁極，分別組成X、Y軸正負(fù)方向的球面磁極，每個定子磁極繞制有激磁線圈，定子隔磁環(huán)位于定子上球面鐵心和定子下球面鐵心之間，定子上導(dǎo)磁環(huán)位于定子上球面鐵心徑向外側(cè)，定子下導(dǎo)磁環(huán)位于定子下球面鐵心徑向外側(cè)，定子永磁體位于定子上導(dǎo)磁環(huán)和定子下導(dǎo)磁環(huán)之間，定子上球面鐵心、定子下球面鐵心、定子隔磁環(huán)、定子上導(dǎo)磁環(huán)、定子下導(dǎo)磁環(huán)和定子永磁體位于定子套筒徑向內(nèi)側(cè)，并通過定子鎖環(huán)固定安裝在定子套筒上，轉(zhuǎn)子上球面鐵心位于定子上球面鐵心徑向內(nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)子上球面鐵心外球面與定子上球面鐵心內(nèi)球面留有一定的間隙，形成空氣氣隙，轉(zhuǎn)子下球面鐵心位于定子下球面鐵心徑向內(nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)子下球面鐵心外球面與定子下球面鐵心內(nèi)球面留有一定的間隙，形成空氣氣隙，轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)位于轉(zhuǎn)子上球面鐵心和轉(zhuǎn)子下球面鐵心之間，轉(zhuǎn)子上導(dǎo)磁環(huán)位于轉(zhuǎn)子上球面鐵心徑向內(nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)子下導(dǎo)磁環(huán)位于轉(zhuǎn)子下球面鐵心徑向內(nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)子永磁體位于轉(zhuǎn)子上導(dǎo)磁環(huán)和轉(zhuǎn)子下導(dǎo)磁環(huán)之間，轉(zhuǎn)子上球面鐵心、轉(zhuǎn)子下球面鐵心、轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)、轉(zhuǎn)子上導(dǎo)磁環(huán)、轉(zhuǎn)子下導(dǎo)磁環(huán)和轉(zhuǎn)子永磁體位于轉(zhuǎn)子套筒徑向外側(cè)，并通過轉(zhuǎn)子鎖環(huán)固定安裝在轉(zhuǎn)子套筒上。
[0021]所述的定子上球面鐵心和定子下球面鐵心的磁極均采用極靴形式以減小高轉(zhuǎn)速下的渦流損耗和等效阻力矩。所述的定子上球面鐵心的磁極球面半徑和定子下球面鐵心的磁極球面半徑相等，且兩者的球心完全重合。所述的轉(zhuǎn)子上球面鐵心的磁極球面半徑和轉(zhuǎn)子下球面鐵心的磁極球面半徑相等，且兩者的球心完全重合。所述的定子上導(dǎo)磁環(huán)、定子下導(dǎo)磁環(huán)、轉(zhuǎn)子上導(dǎo)磁環(huán)和轉(zhuǎn)子下導(dǎo)磁環(huán)均為1J85、1J50或電工純鐵導(dǎo)磁材料。所述的定子永磁體和轉(zhuǎn)子永磁體為衫鈷合金或釹鐵硼合金材料。所述的定子永磁體和轉(zhuǎn)子永磁體為軸向圓環(huán)，沿軸向充磁。所述的定子永磁體與轉(zhuǎn)子永磁體的體積相等，且充磁方向相反。
[0022]本實(shí)用新型的克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，采用徑向平動和徑向扭動解耦控制的雙永磁體內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁偏置球面徑向磁軸承，避免了徑向平動控制對徑向扭動控制的干擾，減小了其自身剩磁對外界的磁干擾。
[0023]本實(shí)用新型的原理是:
[0024]永磁體給磁軸承提供永磁偏置磁場，承擔(dān)磁軸承所受的徑向力，激磁線圈所產(chǎn)生的控制磁場與永磁體產(chǎn)生的偏置磁場正向/反向疊加，保持磁軸承定轉(zhuǎn)子氣隙均勻，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的無接觸懸浮支承。如圖1所示，本實(shí)用新型的永磁磁路為:磁通從定子永磁體N極出發(fā)，通過定子上導(dǎo)磁環(huán)、定子上球面鐵心、氣隙、轉(zhuǎn)子上球面鐵心、轉(zhuǎn)子上導(dǎo)磁環(huán)、轉(zhuǎn)子永磁體S極、轉(zhuǎn)子永磁體N極、轉(zhuǎn)子下導(dǎo)磁環(huán)、轉(zhuǎn)子下球面鐵心、氣隙、定子下球面鐵心、定子下導(dǎo)磁環(huán)回到定子永磁體S極，形成磁軸承的主磁路。如圖2所示，以上端Y軸正向激磁線圈電流產(chǎn)生的磁通為例，其路徑為:定子上球面鐵心的Y軸正向磁極、Y軸正向氣隙到轉(zhuǎn)子上球面鐵心、然后到另外三個方向氣隙、定子上球面鐵心形成的另外三個方向磁極、回到定子上球面鐵心形成的Y軸正向磁極，構(gòu)成閉合回路，形成磁軸承的控制磁路。
[0025]當(dāng)磁軸承轉(zhuǎn)子處于平衡位置時，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(zhuǎn)子所受的電磁合力和電磁合力矩為零。當(dāng)磁軸承轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸與其定子幾何軸存在一小角度時，在各定子磁極面處，轉(zhuǎn)子所受的電磁吸力始終沿磁軸承轉(zhuǎn)子球面的徑向方向，且都經(jīng)過球面轉(zhuǎn)子鐵心的球心。當(dāng)動量輪轉(zhuǎn)子質(zhì)心與轉(zhuǎn)子球面鐵心的球心完全重合時，8個磁極面出的電磁吸力對動量輪轉(zhuǎn)子質(zhì)心產(chǎn)生的力矩為0，不會對輸出陀螺力矩時所需的徑向扭動力矩產(chǎn)生干擾，實(shí)現(xiàn)了徑向平動控制對徑向扭動控制的解耦，提高了磁懸浮萬向動量輪微框架效應(yīng)所輸出的陀螺力矩精度。此外，激磁線圈的磁矩為P =IXSd為激磁線圈電流，S為激磁線圈面積)，方向滿足右手螺旋定則。