CN104214216A - 一种四自由度内转子磁轴承 - Google Patents

Abstract

一种四自由度内转子磁轴承，由被动部分内转子导磁环、内转子永磁体、内转子导磁体、内转子铁心、气隙、定子铁心、定子导磁环、定子永磁体、线圈、被动部分定子导磁环和被动部分气隙组成，其中每个定子铁心由4个磁极组成，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，内转子铁心外表面与定子铁心内表面留有一定的间隙，形成气隙，两个被动部分定子导磁环位于两个定子铁心之间，定子铁心与被动部分定子导磁环之间有两个定子永磁体，两个被动部分定子导磁环之间有一个定子永磁体，两个内转子导磁体之间为内转子永磁体，被动部分内转子导磁环的内表面与被动部分定子导磁环的外表面之间形成被动部分气隙，本发明具有体积小、易拆装的特点。

Description

一种四自由度内转子磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种四自由度内转子磁轴承，可作为空间用单框架控制力矩陀螺和双框架控制力矩陀螺等旋转部件的无接触支撑。

背景技术

磁悬浮轴承分纯电磁式和永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，前者使用电流大、功耗大，永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，利用永磁体替代纯电磁磁轴承中的偏置电流产生偏置磁场，永磁体产生的磁场承担主要的承载力，电磁磁场提供辅助的调节承载力，因而这种轴承可大大减小控制电流，具有降低功率放大器的损耗、减少磁轴承安匝数、缩小磁轴承体积、提高轴承承载能力等优点，故永磁偏置磁轴承在磁悬浮电机、高速飞轮***、控制力矩陀螺***等磁悬浮支承的高速运动场合得到了广泛的应用。空间用磁悬浮控制力矩陀螺采用磁轴承支承，由于克服了传统机械轴承控制力矩陀螺的摩擦以及不平衡振动等问题，因此可实现更高的转速、更长的寿命以及更高的输出力矩精度。现有的磁悬浮控制力矩陀螺为了提高输出力矩大小，通常采用五自由度全主动的磁轴承配置，但是这种结构的磁悬浮控制力矩陀螺由于采用电流实现输出力矩的控制，因此功耗大，体积大，线路复杂，而以被动磁轴承输出力矩的两自由度磁悬浮控制力矩陀螺尽管可以体积做的很小，但是由于被动磁轴承不可控，因此存在阻尼低、稳定性差的缺陷，另外，现有四自由度磁轴承主动部分刚度与被动部分刚度之间有相互影响，会增加控制***的控制难度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种四自由度内转子磁轴承，以减小自身体积重量和功耗。

本发明的技术解决方案为：一种四自由度内转子磁轴承，由被动部分内转子导磁环、内转子永磁体、内转子导磁体、内转子铁心、气隙、定子铁心、定子导磁环、定子永磁体、线圈、被动部分定子导磁环和被动部分气隙组成，其中每个定子铁心由4个磁极组成，两个定子铁心组成磁轴承上下两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子铁心的磁极上绕制有线圈，定子铁心内部为内转子铁心，内转子铁心内部为内转子导磁体，内转子铁心外表面与定子铁心内表面留有一定的间隙，形成气隙，定子铁心的径向外部为定子导磁环，两个被动部分定子导磁环位于两个定子铁心之间，定子铁心与被动部分定子导磁环之间有两个定子永磁体，两个被动部分定子导磁环之间有一个定子永磁体，被动部分定子导磁环的径向内部为被动部分内转子导磁环，两个内转子导磁体之间为内转子永磁体，被动部分内转子导磁环的外表面与被动部分定子导磁环的内表面之间留有一定间隙，形成被动部分气隙。

所述的每个定子铁心的磁极绕制有线圈为独立控制。

所述的内转子永磁体和每个定子永磁体为轴向圆环，沿轴向充磁，且体积相等。

所述的定子铁心的磁极采用极靴形式。

所述的被动部分内转子导磁环和被动部分定子导磁环由实心整环导磁材料制成。

所述的被动部分内转子导磁环和被动部分定子导磁环为两个、四个、六个或八个。

所述的被动部分气隙的磁阻为气隙磁阻的2～4倍。

上述方案的原理是：四自由度内转子磁轴承，通过控制上下两组定子铁心磁极的线圈(即独立控制各个线圈中的电流，也就是说，“独立控制”指的是各个线圈中的电流没有直接联系，是通过功放根据位移传感器检测到的探测气隙变化对每个定子磁极线圈进行通电)，实现磁轴承转动部分的径向平动和径向扭动，利用中间的被动部分的定子导磁环和被动部分内转子导磁环通过轴向位移产生的磁偏拉力实现磁轴承转动部分的轴向平动。定子永磁体和内转子永磁体给磁轴承提供永磁偏置磁场，承担磁轴承所受的径向力，线圈所产生的磁场起调节作用，用来改变每极下磁场的强弱，保持磁轴承定转子气隙均匀，并使转子得到无接触支撑。本发明的永磁磁路为三个部分(如图3所示)，一部分为：磁通从上端定子永磁体N极出发，通过定子导磁环、上端定子铁心、上端气隙、上端内转子铁心、上端内转子导磁体、上端被动部分内转子导磁环、上端被动部分气隙、上端被动部分定子导磁环、定子导磁环回到上端定子永磁体的S极；第二部分为：磁通从下端定子永磁体N极出发，通过定子导磁环、下端被动部分定子导磁环、下端被动部分气隙、下端被动部分内转子导磁环、下端内转子导磁体、下端内转子铁心、下端气隙、下端定子铁心、定子导磁环回到下端定子永磁体的S极；第三部分为：磁通从中间的定子永磁体N极出发，通过定子导磁环、下端被动部分定子导磁环、下端被动部分气隙、下端被动部分内转子导磁环、下端内转子导磁体、内转子永磁体S极、内转子永磁体N极、上端内转子导磁体、上端被动部分内转子导磁环、上端被动部分气隙、上端被动部分定子导磁环、定子导磁环，回到中间定子永磁体的S极。如图2所示，以某端Y轴正方向线圈电流产生的磁通为例，其路径为：定子铁心形成的Y轴正方向磁极、Y轴正方向气隙到内转子铁心、然后到另外三个方向气隙、定子铁心形成的另外三个方向磁极、回到定子铁心形成的Y轴正方向磁极，构成闭合回路。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用定子铁心提供四自由度的径向力及陀螺力矩，控制精度高，轴向平动自由度为被动实现，功耗低，体积小；本发明的每个定子永磁体和内转子永磁体体积相同，可以使得磁轴承剩磁矩接近零，满足航天的要求；本发明的内转子永磁体仅用于增加轴向平动的被动刚度，对定子铁心部分无影响，可使得主动部分对被动部分的刚度影响很小；另外，本发明的轴向被动部分为整环结构，磁场波动小，旋转功耗小。

附图说明

图1为本发明的四自由度内转子磁轴承轴向截面图；

图2为本发明的四自由度内转子磁轴承轴向端面图；其中图2a为极靴形式的端面图，图2b为定子磁极夹角为62度时的端面图；

图3为本发明的四自由度内转子磁轴承的永磁磁路图；

图4为本发明的含有四个被动部分内转子导磁环和被动部分定子导磁环的四自由度内转子磁轴承轴向截面图。

具体实施方式

如图1所示，一种四自由度内转子磁轴承，由被动部分内转子导磁环1、内转子永磁体2、内转子导磁体3、内转子铁心4、气隙5、定子铁心6、定子导磁环7、定子永磁体8、线圈9、被动部分定子导磁环10和被动部分气隙11组成，其中每个定子铁心6由4个磁极组成，两个定子铁心6组成磁轴承上下两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子铁心6的磁极上绕制有线圈9，定子铁心6内部为内转子铁心4，内转子铁心4内部为内转子导磁体3，内转子铁心4外表面与定子铁心6内表面留有一定的间隙，形成气隙5，定子铁心6的径向外部为定子导磁环7，两个被动部分定子导磁环10位于两个定子铁心6之间，定子铁心6与被动部分定子导磁环10之间有两个定子永磁体8，两个被动部分定子导磁环10之间有一个定子永磁体8，被动部分定子导磁环10的径向内部为被动部分内转子导磁环1，两个内转子导磁体3之间为内转子永磁体2，被动部分内转子导磁环1的外表面与被动部分定子导磁环7的内表面之间留有一定间隙，形成被动部分气隙11。

所述的每个定子铁心6的磁极绕制有线圈9为独立控制，以实现磁轴承转动部分的径向平动控制和径向扭转控制，即实现磁轴承转动部分沿x和y方向的两个平动自由度控制和绕x及y方向的两个扭转自由度控制(共四个自由度)。

所述的被动部分内转子导磁环1和被动部分定子导磁环10由实心整环导磁材料制成，通过被动部分内转子导磁环1和被动部分定子导磁环10的轴向错位实现磁轴承的轴向稳定(即轴向平动自由度为被动)。

为了增加被动部分的刚度，所述的被动部分内转子导磁环1和被动部分定子导磁环10为两个、四个、六个或八个，其中图4给出了被动部分内转子导磁环和被动部分定子导磁环为四个的内转子四自由度磁轴承截面图。

另外，为了减小被动部分对主动部分带来的附加位移负刚度，所述的被动部分气隙11的磁阻为气隙5磁阻的2～4倍。

上述本发明技术方案所用的被动部分内转子导磁环1、内转子导磁体3、定子导磁环7和被动部分定子导磁环10均为实心结构，采用导磁性能良好的材料制成，如电工纯铁、各种碳钢、铸铁、铸钢、合金钢、1J50和1J79等磁性材料等。定子铁心6和内转子铁心4可用导磁性能良好的材料如电工纯铁、电工硅钢板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79等磁性材料冲压叠制而成。内转子永磁体2和定子永磁体8的材料为磁性能良好的稀土永磁体、钕铁硼永磁体或铁氧体永磁体，内转子永磁体2和定子永磁体8为轴向圆环，沿轴向充磁，且内转子永磁体2和每个定子永磁体8要保证体积相等，每相邻的两个定子永磁体8的充磁方向要相反，被动部分定子导磁环之间的定子永磁体8的充磁方向与被动部分内转子导磁环之间的内转子永磁体2的充磁方向要相反。线圈9采用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。另外，由于永磁体产生的磁场通过定子铁心磁极在内转子铁心中产生的磁场是大小变化的，因此在转子高速旋转时会产生涡流损耗，为减小这部分损耗，定子铁心6的磁极应采用极靴形式(如图2a所示)以减小高速下的涡流损耗，另外，为了减小图2a中定子铁心磁极根部与定子铁心轭部之间的锐角导致的磁密集中过大的问题，可以采用图2b中给出的定子铁心端面图，图中给出的定子铁心磁极两边对应的圆心角为62度，这种结构可以有效减小定子铁心磁极根部与定子铁心轭部之间的锐角所导致的磁密集中。

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)

1.一种四自由度内转子磁轴承，其特征在于：由被动部分内转子导磁环(1)、内转子永磁体(2)、内转子导磁体(3)、内转子铁心(4)、气隙(5)、定子铁心(6)、定子导磁环(7)、定子永磁体(8)、线圈(9)、被动部分定子导磁环(10)和被动部分气隙(11)组成，其中每个定子铁心(6)由4个磁极组成，两个定子铁心(6)组成磁轴承上下两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子铁心(6)的磁极上绕制有线圈(9)，定子铁心(6)内部为内转子铁心(4)，内转子铁心(4)内部为内转子导磁体(3)，内转子铁心(4)外表面与定子铁心(6)内表面留有一定的间隙，形成气隙(5)，定子铁心(6)的径向外部为定子导磁环(7)，两个被动部分定子导磁环(10)位于两个定子铁心(6)之间，定子铁心(6)与被动部分定子导磁环(10)之间有两个定子永磁体(8)，两个被动部分定子导磁环(10)之间还有一个定子永磁体(8)，被动部分定子导磁环(10)的径向内部为被动部分内转子导磁环(1)，两个内转子导磁体(3)之间为内转子永磁体(2)，被动部分内转子导磁环(1)的外表面与被动部分定子导磁环(7)内表面之间留有一定间隙，形成被动部分气隙(11)。

2.根据权利要求1所述的四自由度内转子磁轴承，其特征在于：所述的每个定子铁心(6)的磁极绕制有线圈(9)为独立控制。

3.根据权利要求1所述的四自由度内转子磁轴承，其特征在于：所述的内转子永磁体(2)和每个定子永磁体(8)为轴向圆环，沿轴向充磁，且体积相等。

4.根据权利要求1所述的四自由度内转子磁轴承，其特征在于：所述的定子铁心(6)的磁极采用极靴形式。

5.根据权利要求1所述的四自由度内转子磁轴承，其特征在于：所述的被动部分内转子导磁环(1)和被动部分定子导磁环(10)由实心整环导磁材料制成。

6.根据权利要求1所述的四自由度内转子磁轴承，其特征在于：所述的被动部分内转子导磁环(1)和被动部分定子导磁环(10)为两个、四个、六个或八个。

7.根据权利要求1所述的四自由度内转子磁轴承，其特征在于：所述的被动部分气隙(11)的磁阻为气隙(5)磁阻的2～4倍。