CN106949145B - 一种旋转调制双线圈轴向球面纯电磁磁轴承 - Google Patents

Abstract

一种旋转调制双线圈轴向球面纯电磁磁轴承，包括：上定子铁心、下定子铁心、上轴向上端激磁线圈、上轴向下端激磁线圈、下轴向上端激磁线圈、下轴向下端激磁线圈、转子、上轴向气隙、下轴向气隙、定子安装盘、旋转调制转子轴承套、旋转调制轴承、旋转调制转子锁母、超声波电机转子、超声波电机定子、旋转调制定子轴承套和旋转调制定子锁母。上、下定子铁心采用极靴结构，上、下定子铁心的激磁线圈采用双线圈结构，且两线圈匝数不同，匝数少的线圈电流可控，匝数大的线圈电流不变，电流响应速率高。双线圈轴向球面纯电磁磁轴承的定子通过超声电机进行驱动，具有旋转调制功能，可消除陀螺转子旋转引入的陀螺漂移，提高了其实现角速率检测时的检测精度。

Description

一种旋转调制双线圈轴向球面纯电磁磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非接触轴向磁悬浮轴承，特别是一种具有旋转调制功能的双线圈轴向球面纯电磁磁轴承，可作为小型航天器中旋转部件的无接触支撑，特别适用于磁悬浮敏感陀螺的非接触支承。

技术背景

随着航天技术的发展，卫星、空间站等航天器对于姿态控制的精度要求越来越高，传统机械动量轮已经不能满足要求。磁悬浮飞轮采用磁轴承支承，消除了机械轴承带来的磨损，提高了控制力矩的精度和稳定度。

现有磁悬浮飞轮结构中，一般采用单自由度轴向磁轴承或三自由度轴向磁轴承。无论采用何种方案，在满足承载力的条件下，当转子发生平动时，磁轴承磁极处的气隙较均匀不会相对转轴产生扭动力矩。但当转子发生偏转时，磁轴承定、转子间的磁气隙不均匀，导致磁极面内的电磁力不均匀，从而产生相对转子质心的扭转力矩，即平动控制对扭动控制产生干扰力矩。中国专利申请号200510011272.2和200710098749.4所述的永磁偏置轴向磁轴承的磁极面均为柱面，磁轴承发生偏转时，定、转子间存在不均匀气隙，从而产生较大的扭转负力矩，增加了飞轮扭转轴承的负载，从而降低了飞轮转子的控制精度和控制力矩精度。另外，现有的磁悬浮飞轮或者磁悬浮陀螺，如果要实现其作为敏感部件的检测功能，往往受限于环境干扰力矩导致其检测部件精度的降低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种消除了干扰的、且具有旋转调制功能的双线圈轴向球面纯电磁磁轴承。

本发明的技术解决方案是：一种旋转调制双线圈轴向球面纯电磁磁轴承，主要包括：上定子铁心、下定子铁心、上轴向上端激磁线圈、上轴向下端激磁线圈、下轴向上端激磁线圈、下轴向下端激磁线圈、转子、上轴向气隙、下轴向气隙、定子安装盘、旋转调制转子轴承套、旋转调制轴承、旋转调制转子锁母、超声波电机转子、超声波电机定子、旋转调制定子轴承套和旋转调制定子锁母组成。其中上轴向上端激磁线圈和上轴向下端激磁线圈绕制于上定子铁心的空腔中，下轴向上端激磁线圈和下轴向下端激磁线圈绕制于下定子铁心中，上定子铁心和下定子铁心之间为转子，上定子铁心和转子之间形成上轴向气隙，下定子铁心和转子之间形成下轴向气隙，上定子铁心与定子安装盘通过螺钉固定连接，下定子铁心与旋转调制转子轴承套通过螺钉固定连接，定子安装盘与旋转调制转子轴承套之间为过盈配合连接，旋转调制转子轴承套的径向外侧是旋转调制轴承的内圈，旋转调制轴承的外圈与旋转调制定子轴承套过盈配合连接，定子安装盘与超声波电机转子固连，超声波电机转子与超声波电机定子通过压力固连，超声波电机定子与旋转调制定子轴承套过盈配合连接，旋转调制转子锁母将旋转调制轴承的内圈在轴向方向上固定在旋转调制转子轴承套上，旋转调制定子锁母将旋转调制轴承的外圈在轴向方向上固定在旋转调制定子轴承套上。

所述的上定子铁心球面左磁极左侧边缘与上定子铁心球面右磁极右侧边缘形成的夹角为90°，上定子铁心球面左磁极右侧边缘与上定子铁心球面中磁极左侧边缘之间距离为2mm，上定子铁心球面右磁极左侧边缘与上定子铁心球面中磁极右侧边缘之间距离为2mm，上定子铁心球面中磁极根部左侧圆锥面与上定子铁心球面左磁极和上定子铁心球面中磁极的连接处所成角度为88°，上定子铁心球面中磁极根部右侧圆锥面与上定子铁心球面中磁极和上定子铁心球面右磁极的连接处所成角度为88°；下定子铁心与上定子铁心形状完全相同。

所述的上定子铁心球面左磁极左侧边缘与上定子铁心球面左磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为47°，上定子铁心球面左磁极右侧边缘与上定子铁心球面左磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为115°，上定子铁心球面中磁极左侧边缘与上定子铁心球面中磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为73°，上定子铁心球面中磁极右侧边缘与上定子铁心球面中磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为73°，上定子铁心球面右磁极左侧边缘与上定子铁心球面右磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为115°，上定子铁心球面右磁极右侧边缘与上定子铁心球面右磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为47°。

所述的上定子铁心和下定子铁心均为1J22导磁实心块材。

所述的上轴向上端激磁线圈和上轴向下端激磁线圈的轴向间隙为0.4mm～0.7mm，下轴向上端激磁线圈和下轴向下端激磁线圈的轴向间隙为0.4mm～0.7mm，以减小两个线圈在通电流之后产生的匝间漏磁和互感。

上、下定子铁心的激磁线圈采用双线圈结构，且两线圈匝数不同，匝数少的线圈电流可控，匝数大的线圈电流不变，匝数多的线圈通入恒定电流，以产生偏置磁场，匝数少的线圈通入可控电流，以产生调节磁场，且线圈电感较小，提高了控制的响应速度。

所述的转子的球面半径取25mm～55mm，转子上球面所对应的球心角为87°，转子上球面左侧边缘与转子上球面左侧圆弧边缘切线所成夹角为130°，转子上球面右侧边缘与转子上球面右侧圆弧边缘切线所成夹角为130°，转子下球面所对应的球心角为87°，转子下球面左侧边缘与转子下球面左侧圆弧边缘切线所成夹角为130°，转子下球面右侧边缘与转子下球面右侧圆弧边缘切线所成夹角为130°。

所述的上轴向气隙、下轴向气隙大小为0.4mm～0.8mm。

本发明的原理是：本发明依据的重要机理是磁轴承的定子旋转调制的机理，也就是说，通过周期性旋转磁轴承定子，使其敏感轴周期性变化，将被测信号(转子的角速率信号)调制到旋转周期载波上，由于陀螺漂移误差不随旋转载波周期变化，因此将该轴向磁轴承用于敏感转子的角速率信息的时候，就可以通过解调和滤波来消除陀螺漂移引入导致的转子角速率信息的误差，故本发明的创新点在于磁轴承的定子旋转，本发明采用超声电机实现这一功能，其中实现定子旋转的机构主要包括：定子安装盘、旋转调制转子轴承套、旋转调制轴承、旋转调制转子锁母、超声波电机转子、超声波电机定子、旋转调制定子轴承套和旋转调制定子锁母，其中定子安装盘与上定子铁心通过螺钉固定连接，旋转调制转子轴承套与下定子铁心通过螺钉固定连接，定子安装盘与旋转调制转子轴承套之间为过盈配合连接，旋转调制转子轴承套的径向外侧是旋转调制轴承的内圈，旋转调制轴承的外圈与旋转调制定子轴承套过盈配合连接，定子安装盘与超声波电机转子固连，超声波电机转子与超声波电机定子通过压力固连，超声波电机定子与旋转调制定子轴承套过盈配合连接，旋转调制转子锁母将旋转调制轴承的内圈在轴向方向上固定在旋转调制转子轴承套上，旋转调制定子锁母将旋转调制轴承的外圈在轴向方向上固定在旋转调制定子轴承套上。另外，如果将该轴向磁轴承安装于利用两个径向磁轴承提供x和y方向偏转力矩的磁悬浮飞轮***中，将轴向磁轴承定子与径向磁轴承定子固连，通过超声电机使其旋转，同样可以实现消除x和y方向两自由度角速率的陀螺漂移，从而提高角速率的检测精度。

此外，上定子铁心和下定子铁心的磁极面结构采用球面结构，使转轴所受电磁力始终经过球心，当转轴球心与质心重合，电磁力相对转轴产生的扭矩为零，从而消除了径向扭动对轴向平动的干扰。上定子铁心和下定子铁心采用极靴结构，使磁场沿圆周方向具有较好的均匀度，且中磁极球面的面积大于左磁极和右磁极的球面面积之和，使径向外侧的磁轴承力干扰力矩减小，进一步提高了磁轴承的控制精度。上、下定子铁心的激磁线圈采用双线圈结构，且两线圈匝数不同，匝数少的线圈电流可控，产生调节磁场，匝数多的线圈电流不变，产生偏置磁场，与单线圈结构相比，由于可控线圈的匝数少，因此电感小，可大大提高电流响应速率，可控电流采用差动形式，当上轴向球壳气隙减小，下轴向球壳气隙增大，转轴偏离平衡位置时，上轴向下端激磁线圈电流减小，下轴向上端激磁线圈电流增大，且上轴向下端激磁线圈电流和下轴向上端激磁线圈电流变化数值相同，此时，上球面定子对转轴的吸力减小，下球面定子对转轴的吸力增大，使转轴回到其平衡位置，当上轴向球壳气隙增大，下轴向球壳气隙减小，转轴偏离平衡位置时，上轴向下端激磁线圈电流增大，下轴向上端激磁线圈电流减小，且上轴向下端激磁线圈电流和下轴向上端激磁线圈电流变化数值相同，此时，上球面定子对转轴的吸力增大，下球面定子对转轴的吸力减小，使转轴回到其平衡位置。如图1所示，本发明的上偏置磁路为：磁通从上定子铁心右侧上磁极面出发，经过上轴向球壳右侧气隙、转轴铁心、上轴向球壳左侧气隙、上定子铁心左侧下磁极面回到上定子铁心右侧上磁极面，构成闭合回路。本发明的下偏置磁路为：磁通从下定子铁心右侧上磁极面出发，经过下轴向球壳右侧气隙、转轴铁心、下轴向球壳左侧气隙、下定子铁心左侧下磁极面回到下定子铁心右侧上磁极面，构成闭合回路。

本发明的方案与现有方案相比，主要优点在于：(1)本发明由于采用了球面磁极，与现有柱面磁极的磁轴承相比，消除了径向扭动对轴向平动的干扰；(2)定子铁心采用极靴结构，使磁场具有较好的圆周均匀度；(3)激磁线圈采用双线圈结构，且两线圈匝数不同，匝数少的线圈电流可控，匝数多的线圈电流不变，与单线圈结构相比提高了电流响应速率，可控电流采用差动形式，进一步提高了磁轴承的控制精度。(4)由于其定子铁心通过超声电机进行驱动，实现了定子的旋转，因此具有旋转调制功能，故可以消除陀螺转子旋转引入的陀螺漂移，大大提高了检测精度。

附图说明

图1为本发明技术解决方案的一种旋转调制双线圈轴向球面纯电磁磁轴承的剖视图；

图2为本发明技术解决方案的上、下球面定子结构图；

图3为本发明技术解决方案的上、下定子铁心结构图；

图4为本发明技术解决方案的转子结构图。

具体实施方案

如图1所示，一种旋转调制双线圈轴向球面纯电磁磁轴承，主要包括：上定子铁心1-1、下定子铁心1-2、上轴向上端激磁线圈2-1、上轴向下端激磁线圈2-2、下轴向上端激磁线圈2-3、下轴向下端激磁线圈2-4、转子3、上轴向气隙4、下轴向气隙5、定子安装盘6、旋转调制转子轴承套7、旋转调制轴承8、旋转调制转子锁母9、超声波电机转子10、超声波电机定子11、旋转调制定子轴承套12和旋转调制定子锁母13组成。其中上轴向上端激磁线圈2-1和上轴向下端激磁线圈2-2绕制于上定子铁心1-1的空腔中，下轴向上端激磁线圈2-3和下轴向下端激磁线圈2-4绕制于下定子铁心1-2中，上定子铁心1-1和下定子铁心1-2之间为转子3，上定子铁心1-1和转子3之间形成上轴向气隙4，下定子铁心1-2和转子3之间形成下轴向气隙5，上定子铁心1-1与定子安装盘6通过螺钉固定连接，下定子铁心1-2与旋转调制转子轴承套7通过螺钉固定连接，定子安装盘6与旋转调制转子轴承套7之间为过盈配合连接，旋转调制转子轴承套7的径向外侧是旋转调制轴承8的内圈，旋转调制轴承8的外圈与旋转调制定子轴承套12过盈配合连接，定子安装盘6与超声波电机转子10固连，超声波电机转子10与超声波电机定子11通过压力固连，超声波电机定子11与旋转调制定子轴承套12过盈配合连接，旋转调制转子锁母9将旋转调制轴承8的内圈在轴向方向上固定在旋转调制转子轴承套7上，旋转调制定子锁母13将旋转调制轴承8的外圈在轴向方向上固定在旋转调制定子轴承套12上。其中定子铁心的中磁极球面的面积大于左磁极和右磁极的球面面积之和，优选是中磁极球面的面积为左磁极和右磁极的球面面积之和的4倍。

图2为上、下球面定子结构图，上定子铁心1-1球面左磁极左侧边缘与上定子铁心1-1球面右磁极右侧边缘形成的夹角为90°，上定子铁心1-1球面左磁极右侧边缘与上定子铁心1-1球面中磁极左侧边缘之间距离为2mm，上定子铁心1-1球面右磁极左侧边缘与上定子铁心1-1球面中磁极右侧边缘之间距离为2mm，上定子铁心1-1球面中磁极根部左侧圆锥面与上定子铁心1-1球面左磁极和上定子铁心1-1球面中磁极的连接处所成角度为88°，上定子铁心1-1球面中磁极根部右侧圆锥面与上定子铁心1-1球面中磁极和上定子铁心1-1球面右磁极的连接处所成角度为88°；下定子铁心1-2与上定子铁心1-1形状完全相同。上定子铁心1-1球面中磁极的径向内侧从上到下依次绕制上轴向上端激磁线圈2-1和上轴向下端激磁线圈2-2，上轴向上端激磁线圈2-1的线圈匝数为80～160匝，上轴向下端激磁线圈2-2的线圈匝数为30～60匝，在本实施例中上轴向上端激磁线圈2-1的线圈匝数优选为130匝，上轴向下端激磁线圈2-2的线圈匝数优选为45匝，上定子铁心1-1、上轴向上端激磁线圈2-1和上轴向下端激磁线圈2-2共同构成上球面定子，下定子铁心1-2球面中磁极的径向内侧从下到上依次绕制有下轴向下端激磁线圈2-4和下轴向上端激磁线圈2-3，下轴向上端激磁线圈2-3的线圈匝数为30～60匝，下轴向下端激磁线圈2-4的线圈匝数为80～160匝，在本实施例中的下轴向上端激磁线圈2-3线圈匝数优选为45匝，下轴向下端激磁线圈2-4的线圈匝数优选为130匝，下定子铁心1-2、下轴向上端激磁线圈2-3和下轴向下端激磁线圈2-4共同构成下球面定子

图3为本发明技术解决方案的上、下定子铁心结构图，上定子铁心1-1球面左磁极左侧边缘与上定子铁心1-1球面左磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为47°，上定子铁心1-1球面左磁极右侧边缘与上定子铁心1-1球面左磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为115°，上定子铁心1-1球面中磁极左侧边缘与上定子铁心1-1球面中磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为73°，上定子铁心1-1球面中磁极右侧边缘与上定子铁心1-1球面中磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为73°，上定子铁心1-1球面右磁极左侧边缘与上定子铁心1-1球面右磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为115°，上定子铁心1-1球面右磁极右侧边缘与上定子铁心1-1球面右磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为47°。上述各个角度的确定是通过大量的仿真和实验得到的最优角度值，可以使得气隙磁场在圆周方向上的波动最小，峰峰值可在20mT以下，上定子铁心1-1和下定子铁心1-2均为1J22导磁块材材料，上定子铁心1-1和下定子铁心1-2的球面半径取20mm～60mm，在本发明中上定子铁心1-1和下定子铁心1-2的球面半径取30mm，且上定子铁心1-1和下定子铁心1-2的外形尺寸完全相等，安装后二者球心完全重合。

图4为本发明技术解决方案的转子结构图，转子3的球面半径取25mm～55mm，在本实施例中转子3的球面半径取29mm，转子3上球面所对应的球心角为87°，转子3上球面左侧边缘与转子3上球面左侧圆弧边缘切线所成夹角为130°，转子3上球面右侧边缘与转子3上球面右侧圆弧边缘切线所成夹角为130°，转子3下球面所对应的球心角为87°，转子3下球面左侧边缘与转子3下球面左侧圆弧边缘切线所成夹角为130°，转子3下球面右侧边缘与转子3下球面右侧圆弧边缘切线所成夹角为130°。

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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种旋转调制双线圈轴向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：包括：上定子铁心(1-1)、下定子铁心(1-2)、上轴向上端激磁线圈(2-1)、上轴向下端激磁线圈(2-2)、下轴向上端激磁线圈(2-3)、下轴向下端激磁线圈(2-4)、转子(3)、上轴向气隙(4)、下轴向气隙(5)、定子安装盘(6)、旋转调制转子轴承套(7)、旋转调制轴承(8)、旋转调制转子锁母(9)、超声波电机转子(10)、超声波电机定子(11)、旋转调制定子轴承套(12)和旋转调制定子锁母(13)；其中上轴向上端激磁线圈(2-1)和上轴向下端激磁线圈(2-2)绕制于上定子铁心(1-1)的空腔中，下轴向上端激磁线圈(2-3)和下轴向下端激磁线圈(2-4)绕制于下定子铁心(1-2)中，上定子铁心(1-1)和下定子铁心(1-2)之间为转子(3)，上定子铁心(1-1)和转子(3)之间形成上轴向气隙(4)，下定子铁心(1-2)和转子(3)之间形成下轴向气隙(5)，上定子铁心(1-1)与定子安装盘(6)通过螺钉固定连接，下定子铁心(1-2)与旋转调制转子轴承套(7)通过螺钉固定连接，定子安装盘(6)与旋转调制转子轴承套(7)之间为过盈配合连接，旋转调制转子轴承套(7)的径向外侧是旋转调制轴承(8)的内圈，旋转调制轴承(8)的外圈与旋转调制定子轴承套(12)过盈配合连接，定子安装盘(6)与超声波电机转子(10)固连，超声波电机转子(10)与超声波电机定子(11)通过压力固连，超声波电机定子(11)与旋转调制定子轴承套(12)过盈配合连接，旋转调制转子锁母(9)将旋转调制轴承(8)的内圈在轴向方向上固定在旋转调制转子轴承套(7)上，旋转调制定子锁母(13)将旋转调制轴承(8)的外圈在轴向方向上固定在旋转调制定子轴承套(12)上。

2.根据权利要求1所述的旋转调制双线圈轴向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：所述的上定子铁心(1-1)球面左磁极左侧边缘与上定子铁心(1-1)球面右磁极右侧边缘形成的夹角为90°，上定子铁心(1-1)球面左磁极右侧边缘与上定子铁心(1-1)球面中磁极左侧边缘之间距离为2mm，上定子铁心(1-1)球面右磁极左侧边缘与上定子铁心(1-1)球面中磁极右侧边缘之间距离为2mm，上定子铁心(1-1)球面中磁极根部左侧圆锥面与上定子铁心(1-1)球面左磁极和上定子铁心(1-1)球面中磁极的连接处所成角度为88°，上定子铁心(1-1)球面中磁极根部右侧圆锥面与上定子铁心(1-1)球面中磁极和上定子铁心(1-1)球面右磁极的连接处所成角度为88°；下定子铁心(1-2)与上定子铁心(1-1)形状完全相同。

3.根据权利要求1所述的旋转调制双线圈轴向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：所述的上定子铁心(1-1)球面左磁极左侧边缘与上定子铁心(1-1)球面左磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为47°，上定子铁心(1-1)球面左磁极右侧边缘与上定子铁心(1-1)球面左磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为115°，上定子铁心(1-1)球面中磁极左侧边缘与上定子铁心(1-1)球面中磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为73°，上定子铁心(1-1)球面中磁极右侧边缘与上定子铁心(1-1)球面中磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为73°，上定子铁心(1-1)球面右磁极左侧边缘与上定子铁心(1-1)球面右磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为115°，上定子铁心(1-1)球面右磁极右侧边缘与上定子铁心(1-1)球面右磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为47°。

4.根据权利要求1所述的旋转调制双线圈轴向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：所述的上定子铁心(1-1)和下定子铁心(1-2)均为1J22导磁实心块材。

5.根据权利要求1所述的旋转调制双线圈轴向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：所述的转子(3)的球面半径取25mm～55mm，转子(3)上球面所对应的球心角为87°，转子(3)上球面左侧边缘与转子(3)上球面左侧圆弧边缘切线所成夹角为130°，转子(3)上球面右侧边缘与转子(3)上球面右侧圆弧边缘切线所成夹角为130°，转子(3)下球面所对应的球心角为87°，转子(3)下球面左侧边缘与转子(3)下球面左侧圆弧边缘切线所成夹角为130°，转子(3)下球面右侧边缘与转子(3)下球面右侧圆弧边缘切线所成夹角为130°。

6.根据权利要求1所述的旋转调制双线圈轴向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：所述的上轴向气隙(4)、下轴向气隙(5)大小为0.4mm～0.8mm。