一種外轉(zhuǎn)子徑向球面純電磁磁軸承的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種非接觸磁懸浮軸承，尤其涉及一種外轉(zhuǎn)子徑向球面純電磁磁軸承。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航天技術(shù)的發(fā)展，航天器平臺(tái)對(duì)姿控精度要求越來(lái)越高，傳動(dòng)機(jī)械動(dòng)量輪逐漸顯現(xiàn)不足。磁懸浮飛輪采用磁軸承技術(shù)，消除了機(jī)械摩擦磨損，克服了高速轉(zhuǎn)子對(duì)姿控系統(tǒng)的振動(dòng)干擾，大幅提高了控制力矩精度和穩(wěn)定度，其力矩精度可達(dá)KT5Nm量級(jí)，高于機(jī)械飛輪兩個(gè)數(shù)量級(jí)。磁懸浮飛輪在轉(zhuǎn)速方面的優(yōu)勢(shì)，使其既能用于反作用飛輪，又能用于偏置動(dòng)量輪，進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速還可用于姿控儲(chǔ)能兩用飛輪。對(duì)于五自由度全主動(dòng)控制磁懸浮飛輪，還能用于陀螺飛輪，能瞬間輸出較大的陀螺控制力矩?，F(xiàn)有磁懸浮飛輪結(jié)構(gòu)中，一般采用單自由度軸向磁軸承+兩個(gè)兩自由度徑向磁軸承，或三自由度軸向磁軸承+ —個(gè)兩自由度徑向磁軸承結(jié)構(gòu)。無(wú)論采用哪種結(jié)構(gòu)方案，在滿(mǎn)足承載力的條件下，軸向磁軸承在徑向方向的跨距和徑向磁軸承在軸向方向的跨距均較大。當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生平動(dòng)時(shí)，磁軸承磁極處的氣隙較均勻不會(huì)相對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生扭動(dòng)力矩。但當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，磁軸承定、轉(zhuǎn)子間的磁氣隙不均勻，導(dǎo)致磁極面內(nèi)的電磁力不均勻，從而產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)子質(zhì)心的扭轉(zhuǎn)力矩，即平動(dòng)控制對(duì)扭動(dòng)控制產(chǎn)生干擾力矩。例如專(zhuān)利200510011270.3所述的外轉(zhuǎn)子永磁偏置徑向磁軸承和專(zhuān)利201010531919.5所述的雙永磁體外轉(zhuǎn)子永磁偏置徑向磁軸承的磁極面為柱面，磁軸承發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，定、轉(zhuǎn)子間存在不均勻氣隙，從而產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)負(fù)力矩，增加了飛輪扭轉(zhuǎn)軸承的負(fù)載。專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01410649592.X和201410648120.2所述的永磁偏置球面磁軸承采用球面磁極，避免了因轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致氣隙不均勻，且轉(zhuǎn)子所受電磁力始終經(jīng)過(guò)球心。當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)子質(zhì)心與球心完全重合時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)子所受電磁力始終經(jīng)過(guò)球心，消除了飛輪轉(zhuǎn)子平動(dòng)控制對(duì)扭動(dòng)控制的干擾。考慮外轉(zhuǎn)子球面磁軸承的裝配關(guān)系，磁軸承轉(zhuǎn)子內(nèi)球面在徑向平面內(nèi)的投影圓半徑必須大于定子球面磁極球面半徑。裝配過(guò)程中，磁軸承定、轉(zhuǎn)子間的最小間隙為平衡位置氣隙的1/20。由于永磁磁場(chǎng)的存在，過(guò)小的氣隙會(huì)導(dǎo)致在磁軸承定、轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生很大的吸力，給裝配帶來(lái)很大的不便。此外，現(xiàn)有永磁偏置球面磁軸承徑向四個(gè)通道之間存在相互耦合，徑向四個(gè)通道內(nèi)電磁力之間存在耦合力，從而降低了飛輪轉(zhuǎn)子的控制精度和控制力矩精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種兩自由度徑向四通道解耦的外轉(zhuǎn)子徑向球面純電磁磁軸承，可作為磁懸浮飛輪等航天器慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)子部件的無(wú)接觸支撐。
[0004]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0005]本發(fā)明的外轉(zhuǎn)子徑向球面純電磁磁軸承，包括定子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)兩部分；
[0006]定子系統(tǒng)主要包括:左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心、后V形球面定子鐵心、激磁線(xiàn)圈、上壓環(huán)、下壓環(huán)、上定子鎖母、下定子鎖母和定子套筒；
[0007]轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要包括:球面轉(zhuǎn)子疊片、轉(zhuǎn)子套筒和轉(zhuǎn)子鎖母；
[0008]左V形球面定子鐵心組成兩個(gè)磁極，右V形球面定子鐵心組成兩個(gè)磁極，前V形球面定子鐵心組成兩個(gè)磁極，后V形球面定子鐵心組成兩個(gè)磁極，共組成磁軸承左右前后8個(gè)磁極，分別組成X、Y軸正負(fù)方向的磁極，每個(gè)定子磁極繞制有激磁線(xiàn)圈；
[0009]左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心、后V形球面定子鐵心、上壓環(huán)、下壓環(huán)、上定子鎖母和下定子鎖母均位于定子套筒徑向外側(cè)，左V形球面定子鐵心位于定子套筒左端徑向外側(cè)，右V形球面定子鐵心位于定子套筒右端徑向外側(cè)，前V形球面定子鐵心位于定子套筒前端徑向外側(cè)，后V形球面定子鐵心位于定子套筒后端徑向外側(cè)，上壓環(huán)和下壓環(huán)分別位于左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心和后V形球面定子鐵心的上端和下端，并通過(guò)上壓環(huán)的環(huán)形槽和下壓環(huán)的環(huán)形槽限制左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心和后V形球面定子鐵心徑向平動(dòng)，上定子鎖母位于上壓環(huán)上端和定子套筒徑向外側(cè)，下定子鎖母位于下壓環(huán)下端和定子套筒徑向外側(cè)，上定子鎖母和下定子鎖母通過(guò)與定子套筒的螺紋配合將左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心、后V形球面定子鐵心、上壓環(huán)和下壓環(huán)固定安裝在定子套筒上，球面轉(zhuǎn)子疊片位于轉(zhuǎn)子套筒徑向內(nèi)側(cè)，并通過(guò)轉(zhuǎn)子鎖母固定安裝在轉(zhuǎn)子套筒上，球面轉(zhuǎn)子疊片內(nèi)球面與左V形球面定子鐵心外球面、右V形球面定子鐵心外球面、前V形球面定子鐵心外球面和后V形球面定子鐵心外球面留有一定的間隙，形成空氣氣隙。
[0010]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)施例提供的外轉(zhuǎn)子徑向球面純電磁磁軸承，由于采用了球面磁極，與現(xiàn)有柱面磁極的磁軸承相比，避免了徑向平動(dòng)控制對(duì)扭動(dòng)控制的干擾，提高了磁懸浮飛輪控制精度和輸出力矩精度，與永磁偏置球面磁軸承相比，斷電狀態(tài)下，磁軸承內(nèi)沒(méi)有磁場(chǎng)，定轉(zhuǎn)子間無(wú)吸力，非常有利于磁軸承裝配。此外，磁軸承徑向四個(gè)通道間的磁路完全解耦，具有很好的控制性能和控制精度。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中外轉(zhuǎn)子徑向球面純電磁磁軸承的軸向局部剖視圖；
[0012]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中外轉(zhuǎn)子徑向球面純電磁磁軸承的徑向剖視圖；
[0013]圖3a為本發(fā)明實(shí)施例中的定子系統(tǒng)的剖視圖；
[0014]圖3b為本發(fā)明實(shí)施例中的定子系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剖視圖；
[0016]圖5a為本發(fā)明實(shí)施例中的左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心和后V形球面定子鐵心的剖視圖；
[0017]圖5b為本發(fā)明實(shí)施例中的左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心和后V形球面定子鐵心的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖6a為本發(fā)明實(shí)施例中的球面轉(zhuǎn)子疊片的剖視圖；
[0019]圖6b為本發(fā)明實(shí)施例中的球面轉(zhuǎn)子疊片的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖7a為本發(fā)明實(shí)施例中的定子套筒的剖視圖；
[0021]圖7b為本發(fā)明實(shí)施例中的定子套筒的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0023]本發(fā)明的外轉(zhuǎn)子徑向球面純電磁磁軸承，其較佳的【具體實(shí)施方式】是:
[0024]包括定子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)兩部分；
[0025]定子系統(tǒng)主要包括:左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心、后V形球面定子鐵心、激磁線(xiàn)圈、上壓環(huán)、下壓環(huán)、上定子鎖母、下定子鎖母和定子套筒；
[0026]轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要包括:球面轉(zhuǎn)子疊片、轉(zhuǎn)子套筒和轉(zhuǎn)子鎖母；
[0027]左V形球面定子鐵心組成兩個(gè)磁極，右V形球面定子鐵心組成兩個(gè)磁極，前V形球面定子鐵心組成兩個(gè)磁極，后V形球面定子鐵心組成兩個(gè)磁極，共組成磁軸承左右前后8個(gè)磁極，分別組成X、Y軸正負(fù)方向的磁極，每個(gè)定子磁極繞制有激磁線(xiàn)圈；
[0028]左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心、后V形球面定子鐵心、上壓環(huán)、下壓環(huán)、上定子鎖母和下定子鎖母均位于定子套筒徑向外側(cè)，左V形球面定子鐵心位于定子套筒左端徑向外側(cè)，右V形球面定子鐵心位于定子套筒右端徑向外側(cè)，前V形球面定子鐵心位于定子套筒前端徑向外側(cè)，后V形球面定子鐵心位于定子套筒后端徑向外側(cè)，上壓環(huán)和下壓環(huán)分別位于左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心和后V形球面定子鐵心的上端和下端，并通過(guò)上壓環(huán)的環(huán)形槽和下壓環(huán)的環(huán)形槽限制左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心和后V形球面定子鐵心徑向平動(dòng)，上定子鎖母位于上壓環(huán)上端和定子套筒徑向外側(cè)，下定子鎖母位于下壓環(huán)下端和定子套筒徑向外側(cè)，上定子鎖母和下定子鎖母通過(guò)與定子套筒的螺紋配合將左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心、后V形球面定子鐵心、上壓環(huán)和下壓環(huán)固定安裝在定子套筒上，球面轉(zhuǎn)子疊片位于轉(zhuǎn)子套筒徑向內(nèi)側(cè)，并通過(guò)轉(zhuǎn)子鎖母固定安裝在轉(zhuǎn)子套筒上，球面轉(zhuǎn)子疊片內(nèi)球面與左V形球面定子鐵心外球面、右V形球面定子鐵心外球面、前V形球面定子鐵心外球面和后V形球面定子鐵心外球面留有一定的間隙，形成空氣氣隙。
[0029]所述的左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心和后V形球面定子鐵心均為1J22導(dǎo)磁塊材材料。所述的左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心和后V形球面定子鐵心球面磁極的外球面半徑相等，且球心完全重合。所述的左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心和后V形球面定子鐵心球面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。所述的球面轉(zhuǎn)子疊片為1J22導(dǎo)磁疊片材料，疊片厚度為0.1_，其疊片方向?yàn)闄M向。所述的左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心和后V形球面定子鐵心球面磁極的外球面半徑小于球面轉(zhuǎn)子疊片內(nèi)球面在徑向截面內(nèi)的最小半徑。
[0030]本發(fā)明的外轉(zhuǎn)子徑向球面純電磁磁軸承，便于裝配、無(wú)扭轉(zhuǎn)負(fù)力矩、徑向四通道完全解親、兩自由度。其原理是:
[0031]激磁線(xiàn)圈內(nèi)的偏置電流提供偏置磁場(chǎng)，激磁線(xiàn)圈內(nèi)的控制電流產(chǎn)生的控制磁場(chǎng)與偏置磁場(chǎng)正向/反向疊加，保持磁軸承各磁極面處氣隙均勻，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的無(wú)接觸懸浮支承。如圖1所示，本發(fā)明的徑向+X通道的電磁磁路為:磁通從左V形球面定子鐵心上磁極面出發(fā)，通過(guò)氣隙、球面轉(zhuǎn)子疊片、氣隙、左V形球面定子鐵心下磁極面回到左V形球面定子鐵心上磁極面；徑向-X通道的電磁磁路為:磁通從右V形球面定子鐵心上磁極面出發(fā)，通過(guò)氣隙、球面轉(zhuǎn)子疊片、氣隙、右V形球面定子鐵心下磁極面回到右V形球面定子鐵心上磁極面；徑向+Y通道的電磁磁路為:磁通從前V形球面定子鐵心右磁極面出發(fā)，通過(guò)氣隙、球面轉(zhuǎn)子疊片、氣隙、前V形球面定子鐵心左磁極面回到前V形球面定子鐵心右磁極面；徑向-Y通道的電磁磁路為:磁通從后V形球面定子鐵心右磁極面出發(fā)，通過(guò)氣隙、球面轉(zhuǎn)子疊片、氣隙、后V形球面定子鐵心左磁極面回到后V形球面定子鐵心右磁極面。
[0032]磁軸承轉(zhuǎn)子處于平衡位置時(shí)，8個(gè)球面磁極處的氣隙完全相等，各球面磁極處的電磁吸力大小相等，轉(zhuǎn)子所受合外力和合力矩為零。當(dāng)磁軸承轉(zhuǎn)子發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，各磁極處氣隙不均勻，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子各磁極面的磁力不相等，但都指向球面轉(zhuǎn)子疊片內(nèi)球面的球心。如果飛輪轉(zhuǎn)子質(zhì)心與球面轉(zhuǎn)子疊片球面的球心重合，各磁極處的電磁力對(duì)飛輪轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的合力矩為零，即轉(zhuǎn)子處于氣隙內(nèi)任何位置，磁軸承都不會(huì)產(chǎn)生徑向扭動(dòng)干擾力矩。此外，徑向四個(gè)通道的磁路完全解耦，即+X、-X、+Y和-Y完全解耦，各通道獨(dú)立控