一種軸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，特別是一種球面純電磁磁軸承，可作為小型航天器中旋轉(zhuǎn)部件的無(wú)接觸支撐，特別適用于磁懸浮飛輪的非接觸支承。
技術(shù)背景
[0002]隨著航天技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星、空間站等航天器對(duì)于姿態(tài)控制的精度要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)機(jī)械動(dòng)量輪已經(jīng)不能滿足要求。磁懸浮飛輪采用磁軸承支承，消除了機(jī)械軸承帶來(lái)的磨損，提高了控制力矩的精度和穩(wěn)定度。
[0003]現(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或三自由度軸向磁軸承。無(wú)論采用何種方案，在滿足承載力的條件下，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。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00510011272.2和200710098749.4所述的永磁偏置軸向磁軸承的磁極面均為柱面，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。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】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種消除了徑向扭動(dòng)干擾的軸向球面純電磁磁軸承。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種軸向球面純電磁磁軸承，主要由定子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)軸兩部分組成，定子系統(tǒng)主要包括:上定子鐵心、下定子鐵心、上軸向上端激磁線圈、上軸向下端激磁線圈、下軸向下端激磁線圈和下軸向上端激磁線圈；上定子鐵心包括球面左磁極、球面中磁極和球面右磁極，上定子鐵心包括球面左磁極、球面中磁極和球面右磁極，且球面中磁極的面積大于球面左磁極和球面右磁極的面積之和，優(yōu)選為球面中磁極的面積為球面左磁極和球面右磁極的面積之和的3倍，上定子鐵心球面左磁極左側(cè)邊緣與上定子鐵心球面右磁極右側(cè)邊緣形成的夾角為85°，上定子鐵心球面左磁極右側(cè)邊緣與上定子鐵心球面中磁極左側(cè)邊緣之間距離為3.8mm，上定子鐵心球面右磁極左側(cè)邊緣與上定子鐵心球面中磁極右側(cè)邊緣之間距離為3.8mm，上定子鐵心球面左磁極左側(cè)邊緣與上定子鐵心球面左磁極左側(cè)圓弧邊緣切線所成夾角為45°，上定子鐵心球面左磁極右側(cè)邊緣與上定子鐵心球面左磁極右側(cè)圓弧邊緣切線所成夾角為110°，上定子鐵心球面中磁極左側(cè)邊緣與上定子鐵心球面中磁極左側(cè)圓弧邊緣切線所成夾角為77°，上定子鐵心球面中磁極右側(cè)邊緣與上定子鐵心球面中磁極右側(cè)圓弧邊緣切線所成夾角為77°，上定子鐵心球面右磁極左側(cè)邊緣與上定子鐵心球面右磁極左側(cè)圓弧邊緣切線所成夾角為110°，上定子鐵心球面右磁極右側(cè)邊緣與上定子鐵心右磁極右側(cè)圓弧邊緣切線所成夾角為45°，下定子鐵心包括球面左磁極、球面中磁極和球面右磁極，下定子鐵心球面左磁極左側(cè)邊緣與下定子鐵心球面右磁極右側(cè)邊緣形成的夾角為85°，下定子鐵心球面左磁極右側(cè)邊緣與下定子鐵心球面中磁極左側(cè)邊緣之間距離為3.8mm,下定子鐵心球面右磁極左側(cè)邊緣與下定子鐵心球面中磁極右側(cè)邊緣之間距離為3.8mm,下定子鐵心球面左磁極左側(cè)邊緣與下定子鐵心球面左磁極左側(cè)圓弧邊緣切線所成夾角為45°，下定子鐵心球面左磁極右側(cè)邊緣與下定子鐵心球面左磁極右側(cè)圓弧邊緣切線所成夾角為110°，下定子鐵心球面中磁極左側(cè)邊緣與下定子鐵心球面中磁極左側(cè)圓弧邊緣切線所成夾角為77°，下定子鐵心球面中磁極右側(cè)邊緣與下定子鐵心球面中磁極右側(cè)圓弧邊緣切線所成夾角為77°，下定子鐵心球面右磁極左側(cè)邊緣與下定子鐵心球面右磁極左側(cè)圓弧邊緣切線所成夾角為110°，下定子鐵心球面右磁極右側(cè)邊緣與下定子鐵心球面右磁極右側(cè)圓弧邊緣切線所成夾角為45°，上定子鐵心球面中磁極的徑向內(nèi)側(cè)從上到下依次繞制上軸向上端激磁線圈和上軸向下端激磁線圈，上軸向上端激磁線圈的線圈匝數(shù)為90?180匝，上軸向下端激磁線圈的線圈匝數(shù)為18?48匝，上定子鐵心、上軸向上端激磁線圈和上軸向下端激磁線圈共同構(gòu)成上球面定子，下定子鐵心中磁極的徑向內(nèi)側(cè)從下到上依次繞制有下軸向下端激磁線圈和下軸向上端激磁線圈，下軸向下端激磁線圈的線圈膽數(shù)為70?150膽，下軸向上端激磁線圈的線圈膽數(shù)為10?30膽，下定子鐵心、下軸向下端激磁線圈和下軸向上端激磁線圈共同構(gòu)成下球面定子，轉(zhuǎn)軸位于上定子鐵心和下定子鐵心之間，轉(zhuǎn)軸上球面與上定子鐵心球面間留有一定的球殼間隙，形成上軸向球殼氣隙，轉(zhuǎn)軸下球面與下定子鐵心球面間留有一定的球殼間隙，形成下軸向球殼氣隙。
[0006]所述的上定子鐵心和下定子鐵心均為1J22導(dǎo)磁塊材材料。
[0007]所述的上定子鐵心和下定子鐵心的球面半徑取18mm?45mm，且上定子鐵心和下定子鐵心的外形尺寸完全相等，安裝后一者球心完全重合。
[0008]所述的上軸向上端激磁線圈和上軸向下端激磁線圈的軸向間隙為0.4mm?
0.7mm，下軸向下端激磁線圈和下軸向上端激磁線圈的軸向間隙為0.4mm?0.7mm，，以減小兩個(gè)線圈在通電流之后產(chǎn)生的匝間漏磁和互感。
[0009]所述的轉(zhuǎn)軸的球面半徑取17mm?44mm，轉(zhuǎn)軸上球面左側(cè)邊緣與轉(zhuǎn)軸上球面右側(cè)邊緣所成夾角為82°，轉(zhuǎn)軸上球面左側(cè)邊緣與轉(zhuǎn)軸上球面左側(cè)圓弧邊緣切線所成夾角為130°，轉(zhuǎn)軸上球面右側(cè)邊緣與轉(zhuǎn)軸上球面右側(cè)圓弧邊緣切線所成夾角為130°，轉(zhuǎn)軸下球面左側(cè)邊緣與轉(zhuǎn)軸下球面右側(cè)邊緣所成夾角為82°，轉(zhuǎn)軸下球面左側(cè)邊緣與轉(zhuǎn)軸下球面左側(cè)圓弧邊緣切線所成夾角為130°，轉(zhuǎn)軸下球面右側(cè)邊緣與轉(zhuǎn)軸下球面右側(cè)圓弧邊緣切線所成夾角為130°。
[0010]所述的上軸向球殼氣隙和下軸向球殼氣隙大小為0.4mm?0.8mm。
[0011]本發(fā)明的原理是:上定子鐵心和下定子鐵心采用球面結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)軸所受電磁力始終經(jīng)過(guò)球心，當(dāng)轉(zhuǎn)軸球心與質(zhì)心重合時(shí)，電磁力相對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的扭矩為零，從而消除了徑向扭動(dòng)對(duì)軸向平動(dòng)的干擾。使磁場(chǎng)沿圓周方向具有較好的均勾度，且中磁極球面的面積大于左磁極和右磁極的球面面積之和，使徑向外側(cè)的磁軸承力干擾力矩減小，進(jìn)一步提高了磁軸承的控制精度。上、下定子鐵心的激磁線圈采用雙線圈結(jié)構(gòu)，且兩線圈匝數(shù)不同，匝數(shù)少的線圈電流可控，產(chǎn)生調(diào)節(jié)磁場(chǎng)，匝數(shù)多的線圈電流不變，產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，與單線圈結(jié)構(gòu)相比提高了電流響應(yīng)速率，可控電流采用差動(dòng)形式，當(dāng)上軸向球殼氣隙減小，下軸向球殼氣隙增大，轉(zhuǎn)軸偏離平衡位置時(shí)，上軸向下端激磁線圈電流減小，下軸向上端激磁線圈電流增大，且上軸向下端激磁線圈電流和下軸向上端激磁線圈電流變化數(shù)值相同，此時(shí)，上球面定子對(duì)轉(zhuǎn)軸的吸力減小，下球面定子對(duì)轉(zhuǎn)軸的吸力增大，使轉(zhuǎn)軸回到其平衡位置，當(dāng)上軸向球殼氣隙增大，下軸向球殼氣隙減小，轉(zhuǎn)軸偏離平衡位置時(shí)，上軸向下端激磁線圈電流增大，下軸向上端激磁線圈電流減小，且上軸向下端激磁線圈電流和下軸向上端激磁線圈電流變化數(shù)值相同，此時(shí)，上球面定子對(duì)轉(zhuǎn)軸的吸力增大，下球面定子對(duì)轉(zhuǎn)軸的吸力減小，使轉(zhuǎn)軸回到其平衡位置。如圖1所示，本發(fā)明的上偏置磁路為:磁通從上定子鐵心右側(cè)上磁極面出發(fā)，經(jīng)過(guò)上軸向球殼右側(cè)氣隙、轉(zhuǎn)軸鐵心、上軸向球殼左側(cè)氣隙、上定子鐵心左側(cè)下磁極面回到上定子鐵心右側(cè)上磁極面，構(gòu)成閉合回路。本發(fā)明的下偏置磁路為:磁通從下定子鐵心右側(cè)上磁極面出發(fā)，經(jīng)過(guò)下軸向球殼右側(cè)氣隙、轉(zhuǎn)軸鐵心、下軸向球殼左側(cè)氣隙、下定子鐵心左側(cè)下磁極面回到下定子鐵心右側(cè)上磁極面，構(gòu)成閉合回路。
[0012]本發(fā)明的方案與現(xiàn)有方案相比，主要優(yōu)點(diǎn)在于:(1)本發(fā)明由于采用了球面磁極，與現(xiàn)有柱面磁極的磁軸承相比，消除了徑向扭動(dòng)對(duì)軸向平動(dòng)的干擾；(2)定子鐵心采用極靴結(jié)構(gòu)，使磁場(chǎng)具有較好的圓周均勻度；(3)激磁線圈采用雙線圈結(jié)構(gòu)，且兩線圈匝數(shù)不同，匝數(shù)少的線圈電流可控，匝數(shù)多的線圈電流不變，與單線圈結(jié)構(gòu)相比提高了電流響應(yīng)速率，可控電流采用差動(dòng)形式，進(jìn)一步提高了磁軸承的控制精度。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明技術(shù)解決方案的一種軸向球面純電磁磁軸承的剖視圖；其中圖1a為軸向球面純電磁磁軸承的徑向+X向剖視圖；圖1b為軸向球面純電磁磁軸承的徑向+Y向剖視圖；
[0014]圖2為本發(fā)明技術(shù)解決方案的上、下球面定子和雙線圈結(jié)構(gòu)圖；其中圖2a為剖視圖；圖2b為三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3為本發(fā)明技術(shù)解決方案的上、下定子鐵心結(jié)構(gòu)圖；其中圖3a為