一種外轉(zhuǎn)子磁軸承的制作方法
【專利摘要】一種外轉(zhuǎn)子磁軸承，由U型被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)、外轉(zhuǎn)子永磁體、外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體、外轉(zhuǎn)子鐵心、氣隙、定子鐵心、定子導(dǎo)磁環(huán)、定子永磁體、線圈、U型被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)和被動(dòng)部分氣隙組成，其中每個(gè)定子鐵心由四個(gè)磁極組成，分別組成X、Y軸正負(fù)方向的磁極，外轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)表面與定子鐵心外表面留有一定的間隙，形成氣隙，U型被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)位于兩個(gè)定子鐵心之間，定子鐵心與U型被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)之間有兩個(gè)定子永磁體，外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體之間為兩個(gè)外轉(zhuǎn)子永磁體，U型被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)的內(nèi)表面與U型被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)的外表面之間形成被動(dòng)部分氣隙，本發(fā)明具有體積小、易拆裝的特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種外轉(zhuǎn)子磁軸承

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種非接觸磁懸浮軸承，特別是一種外轉(zhuǎn)子磁軸承，用于提供四自由 度的支承，可作為空間用單框架控制力矩陀螺和雙框架控制力矩陀螺等旋轉(zhuǎn)部件的無(wú)接觸 支撐。

【背景技術(shù)】
[0002] 磁懸浮軸承分純電磁式和永磁偏置加電磁控制的混合式磁懸浮軸承，前者使用電 流大、功耗大，永磁偏置加電磁控制的混合式磁懸浮軸承，利用永磁體替代純電磁磁軸承中 的偏置電流產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)承擔(dān)主要的承載力，電磁磁場(chǎng)提供輔助的調(diào) 節(jié)承載力，因而這種軸承可大大減小控制電流，具有降低功率放大器的損耗、減少磁軸承安 匝數(shù)、縮小磁軸承體積、提高軸承承載能力等優(yōu)點(diǎn)，故永磁偏置磁軸承在磁懸浮電機(jī)、高速 飛輪系統(tǒng)、控制力矩陀螺系統(tǒng)等磁懸浮支承的高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。空間用磁 懸浮控制力矩陀螺采用磁軸承支承，由于克服了傳統(tǒng)機(jī)械軸承控制力矩陀螺的摩擦以及不 平衡振動(dòng)等問(wèn)題，因此可實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速、更長(zhǎng)的壽命以及更高的輸出力矩精度?，F(xiàn)有的磁 懸浮控制力矩陀螺為了提高輸出力矩大小，通常采用五自由度全主動(dòng)的磁軸承配置，但是 這種結(jié)構(gòu)的磁懸浮控制力矩陀螺由于采用電流實(shí)現(xiàn)輸出力矩的控制，因此功耗大，體積大， 線路復(fù)雜，而以被動(dòng)磁軸承輸出力矩的兩自由度磁懸浮控制力矩陀螺盡管可以體積做的很 小，但是由于被動(dòng)磁軸承不可控，因此存在阻尼低、穩(wěn)定性差的缺陷，另外，現(xiàn)有被動(dòng)磁軸承 如果提高其被動(dòng)支承剛度的同時(shí)，會(huì)對(duì)徑向主動(dòng)磁軸承帶來(lái)附加的位移負(fù)剛度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 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，提供一種外轉(zhuǎn)子磁軸承，以減小 自身體積重量和功耗。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：一種外轉(zhuǎn)子磁軸承，由U形被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)、夕卜 轉(zhuǎn)子永磁體、外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體、外轉(zhuǎn)子鐵心、氣隙、定子鐵心、定子導(dǎo)磁環(huán)、定子永磁體、線圈、 U形被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)和被動(dòng)部分氣隙組成，其中每個(gè)定子鐵心由4個(gè)磁極組成，兩個(gè)定 子鐵心組成磁軸承上下兩端8個(gè)磁極，分別組成X、Y軸正負(fù)方向的磁極，每個(gè)定子鐵心的磁 極上繞制有線圈，定子鐵心外部為外轉(zhuǎn)子鐵心，外轉(zhuǎn)子鐵心外部為外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體，外轉(zhuǎn)子鐵 心內(nèi)表面與定子鐵心外表面留有一定的間隙，形成氣隙，定子鐵心的徑向內(nèi)部為定子導(dǎo)磁 環(huán)，一個(gè)U形被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)位于兩個(gè)定子鐵心之間，定子鐵心與U形被動(dòng)部分定子導(dǎo) 磁環(huán)之間有兩個(gè)定子永磁體，U形被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)的徑向外部為U形被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子 導(dǎo)磁環(huán)，外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體與U形被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)之間為兩個(gè)外轉(zhuǎn)子永磁體，U形被動(dòng)部 分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)的內(nèi)表面與U形被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)的外表面之間留有一定間隙，形成被 動(dòng)部分氣隙。
[0005] 所述的每個(gè)定子鐵心的磁極繞制有線圈為單獨(dú)控制。
[0006] 所述的每個(gè)外轉(zhuǎn)子永磁體和每個(gè)定子永磁體為軸向圓環(huán)，沿軸向充磁，且體積相 等。
[0007] 所述的定子鐵心的磁極采用極靴形式。
[0008] 所述的U形被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)和U形被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)為兩個(gè)、三個(gè)或四 個(gè)。
[0009] 上述方案的原理是：外轉(zhuǎn)子磁軸承，通過(guò)單獨(dú)控制各個(gè)線圈中的電流，也就是說(shuō)， "單獨(dú)控制"指的是各個(gè)線圈中的電流沒(méi)有直接聯(lián)系，是通過(guò)功放根據(jù)位移傳感器檢測(cè)到 的探測(cè)氣隙變化對(duì)每個(gè)定子磁極線圈進(jìn)行通電，實(shí)現(xiàn)磁軸承轉(zhuǎn)動(dòng)部分的徑向平動(dòng)和徑向扭 動(dòng)，利用中間的U形被動(dòng)部分的定子導(dǎo)磁環(huán)和U形被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)通過(guò)軸向位移產(chǎn) 生的磁偏拉力實(shí)現(xiàn)磁軸承轉(zhuǎn)動(dòng)部分的軸向平動(dòng)。定子永磁體和外轉(zhuǎn)子永磁體給磁軸承提供 永磁偏置磁場(chǎng)，承擔(dān)磁軸承所受的徑向力，線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)起調(diào)節(jié)作用，用來(lái)改變每極下 磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，保持磁軸承定轉(zhuǎn)子氣隙均勻，并使轉(zhuǎn)子得到無(wú)接觸支撐。本發(fā)明的永磁磁路為 兩個(gè)部分（如圖3所示），一部分為：磁通從上端定子永磁體N極出發(fā)，通過(guò)定子導(dǎo)磁環(huán)、上 端定子鐵心、上端氣隙、上端外轉(zhuǎn)子鐵心、上端外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體、上端外轉(zhuǎn)子永磁體、上端U形 被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)的齒、上端被動(dòng)部分氣隙、上端U形被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)的齒、定子 導(dǎo)磁環(huán)回到上端定子永磁體的S極；第二部分為：磁通從下端定子永磁體N極出發(fā)，通過(guò)定 子導(dǎo)磁環(huán)、下端定子鐵心、下端氣隙、下端外轉(zhuǎn)子鐵心、下端外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體、下端外轉(zhuǎn)子永磁 體、下端U形被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)的齒、下端被動(dòng)部分氣隙、下端U形被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁 環(huán)的齒、定子導(dǎo)磁環(huán)回到下端定子永磁體的S極；如圖2所示，以某端Y軸正方向線圈電流 產(chǎn)生的磁通為例，其路徑為：定子鐵心形成的Y軸正方向磁極、Y軸正方向氣隙到外轉(zhuǎn)子鐵 心、然后到另外三個(gè)方向氣隙、定子鐵心形成的另外三個(gè)方向磁極、回到定子鐵心形成的Y 軸正方向磁極，構(gòu)成閉合回路。
[0010] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明利用定子鐵心提供四自由度的徑向力 及力矩，控制精度高，軸向平動(dòng)自由度為被動(dòng)實(shí)現(xiàn)，功耗低，體積小；本發(fā)明的每個(gè)定子永磁 體和外轉(zhuǎn)子永磁體體積相同，可以使得磁軸承剩磁矩接近零，滿足航天的要求；另外，本發(fā) 明的軸向被動(dòng)部分為整環(huán)結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)波動(dòng)小，旋轉(zhuǎn)功耗小。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1為本發(fā)明的外轉(zhuǎn)子磁軸承軸向截面圖；
[0012] 圖2為本發(fā)明的外轉(zhuǎn)子磁軸承軸向端面圖；
[0013] 圖3為本發(fā)明的外轉(zhuǎn)子磁軸承的永磁磁路圖；
[0014] 圖4為本發(fā)明的U形被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)和被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)均為三個(gè)齒的 外轉(zhuǎn)子磁軸承軸向截面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015] 如圖1所示，一種外轉(zhuǎn)子磁軸承，由U形被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)1、外轉(zhuǎn)子永磁體 2、外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體3、外轉(zhuǎn)子鐵心4、氣隙5、定子鐵心6、定子導(dǎo)磁環(huán)7、定子永磁體8、線圈9、 U形被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)10和被動(dòng)部分氣隙11組成，其中每個(gè)定子鐵心6由4個(gè)磁極組 成，兩個(gè)定子鐵心6組成磁軸承上下兩端8個(gè)磁極，分別組成X、Y軸正負(fù)方向的磁極，每個(gè) 定子鐵心6的磁極上繞制有線圈9,定子鐵心6外部為外轉(zhuǎn)子鐵心4,外轉(zhuǎn)子鐵心4外部為 外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體3,外轉(zhuǎn)子鐵心4內(nèi)表面與定子鐵心6外表面留有一定的間隙，形成氣隙5,定 子鐵心6的徑向內(nèi)部為定子導(dǎo)磁環(huán)7, 一個(gè)U形被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)10位于兩個(gè)定子鐵心 6之間，定子鐵心6與U形被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)10之間有兩個(gè)定子永磁體8, U形被動(dòng)部分 定子導(dǎo)磁環(huán)10的徑向外部為U形被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)1，外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體3與U形被動(dòng)部 分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)之間為兩個(gè)外轉(zhuǎn)子永磁體2, U形被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)1的內(nèi)表面與U形 被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)7的外表面之間留有一定間隙，形成被動(dòng)部分氣隙11。
[0016] 所述的每個(gè)定子鐵心6的磁極繞制有線圈9為單獨(dú)控制，以實(shí)現(xiàn)磁軸承轉(zhuǎn)動(dòng)部分 的徑向平動(dòng)控制和徑向扭轉(zhuǎn)控制，即實(shí)現(xiàn)磁軸承轉(zhuǎn)動(dòng)部分沿X和y方向的兩個(gè)平動(dòng)自由度 控制和繞X及y方向的兩個(gè)扭轉(zhuǎn)自由度控制（共四個(gè)自由度）。
[0017] 所述的U形被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)1和U形被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)10由實(shí)心整環(huán) 導(dǎo)磁材料制成，通過(guò)U形被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)1和U形被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)10的軸向錯(cuò) 位實(shí)現(xiàn)磁軸承的軸向穩(wěn)定（即軸向平動(dòng)自由度為被動(dòng)）。
[0018] 為了增加被動(dòng)部分的剛度，所述的U形被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)1和U形被動(dòng)部分 定子導(dǎo)磁環(huán)10的齒為兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)，其中圖4給出了 U形被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)和U 形被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)的齒均為三個(gè)的外轉(zhuǎn)子磁軸承截面圖。
[0019] 另外，為了減小被動(dòng)部分對(duì)主動(dòng)部分帶來(lái)的附加位移負(fù)剛度，所述的被動(dòng)部分氣 隙11的磁阻為氣隙5磁阻的2?4倍。
[0020] 需要說(shuō)明的是，本發(fā)明如果利用中間部分的被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)和被動(dòng)部分外轉(zhuǎn) 子導(dǎo)磁環(huán)提供被動(dòng)的軸向平動(dòng)力和X向及y向的徑向扭轉(zhuǎn)力，主動(dòng)部分的定子鐵心僅提供 徑向X方向和y方向的平動(dòng)力，則本發(fā)明所述磁軸承便變?yōu)閮勺杂啥却泡S承。
[0021] 上述本發(fā)明技術(shù)方案所用的U形被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)1、外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體3、定子 導(dǎo)磁環(huán)7和U形被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)10均為實(shí)心結(jié)構(gòu)，采用導(dǎo)磁性能良好的材料制成，如 電工純鐵、各種碳鋼、鑄鐵、鑄鋼、合金鋼、1J50和1J79等磁性材料等。定子鐵心6和外轉(zhuǎn) 子鐵心4可用導(dǎo)磁性能良好的材料如電工純鐵、電工硅鋼板DR510、DR470、DW350UJ50和 1J79等磁性材料沖壓疊制而成。外轉(zhuǎn)子永磁體2和定子永磁體8的材料為磁性能良好的 稀土永磁體、釹鐵硼永磁體或鐵氧體永磁體，外轉(zhuǎn)子永磁體2和定子永磁體8為軸向圓環(huán)， 沿軸向充磁，且每個(gè)外轉(zhuǎn)子永磁體2和每個(gè)定子永磁體8要保證體積相等，相鄰兩個(gè)定子永 磁體8的充磁方向相反，相鄰兩個(gè)外轉(zhuǎn)子永磁體2的充磁方向相反，磁軸承上半部分的定子 永磁體8和外轉(zhuǎn)子永磁體2充磁方向相反，磁軸承下半部分的定子永磁體8和外轉(zhuǎn)子永磁 體2充磁方向相反。線圈9采用導(dǎo)電良好的電磁線繞制后浸漆烘干而成。另外，由于永磁 體產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)定子鐵心磁極在轉(zhuǎn)子鐵心中產(chǎn)生的磁場(chǎng)是大小變化的，因此在轉(zhuǎn)子高速 旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生渦流損耗，為減小這部分損耗，定子鐵心6的磁極應(yīng)在圖2所示的基礎(chǔ)上，在 定子磁極處采用極靴形式，以減小高速下的渦流損耗。
[0022] 另外，作為優(yōu)選方案，減小被動(dòng)部分定轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)之間的漏磁，U形被動(dòng)部分外轉(zhuǎn) 子導(dǎo)磁環(huán)1和U形被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)10中U形槽的軸向長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)1或 定子導(dǎo)磁環(huán)10軸向長(zhǎng)度的4倍；同時(shí)為了減小定轉(zhuǎn)子永磁體的漏磁，U形被動(dòng)部分定子導(dǎo) 磁環(huán)10與定子鐵心6之間的軸向距離為定子鐵心6軸向長(zhǎng)度的3倍。
[0023] 本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1. 一種外轉(zhuǎn)子磁軸承，其特征在于：由U形被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)（1)、外轉(zhuǎn)子永磁體 (2)、外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體（3)、外轉(zhuǎn)子鐵心（4)、氣隙（5)、定子鐵心￠)、定子導(dǎo)磁環(huán)（7)、定子永磁 體（8)、線圈（9)、U形被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)（10)和被動(dòng)部分氣隙（11)組成，其中每個(gè)定子 鐵心￠)由4個(gè)磁極組成，兩個(gè)定子鐵心（6)組成磁軸承上下兩端8個(gè)磁極，分別組成X、Y 軸正負(fù)方向的磁極，每個(gè)定子鐵心（6)的磁極上繞制有線圈（9)，定子鐵心（6)外部為外轉(zhuǎn) 子鐵心（4)，外轉(zhuǎn)子鐵心（4)外部為外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體（3)，外轉(zhuǎn)子鐵心（4)內(nèi)表面與定子鐵心 (6)外表面留有一定的間隙，形成氣隙（5)，定子鐵心（6)的徑向內(nèi)部為定子導(dǎo)磁環(huán)（7)，一 個(gè)U形被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)（10)位于兩個(gè)定子鐵心（6)之間，定子鐵心（6)與U形被動(dòng)部 分定子導(dǎo)磁環(huán)（10)之間有兩個(gè)定子永磁體（8)，U形被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)（10)的徑向外部 為U形被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)（1)，外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體（3)與U形被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)之間為 兩個(gè)外轉(zhuǎn)子永磁體（2)，U形被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)（1)的內(nèi)表面與U形被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁 環(huán)（7)的外表面之間留有一定間隙，形成被動(dòng)部分氣隙（11)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的外轉(zhuǎn)子磁軸承，其特征在于：所述的每個(gè)定子鐵心￠)的磁 極繞制有線圈（9)為單獨(dú)控制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的外轉(zhuǎn)子磁軸承，其特征在于：所述的每個(gè)外轉(zhuǎn)子永磁體（2) 和每個(gè)定子永磁體（8)為軸向圓環(huán)，沿軸向充磁，且體積相等。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的外轉(zhuǎn)子磁軸承，其特征在于：所述的U形被動(dòng)部分外轉(zhuǎn)子導(dǎo) 磁環(huán)（1)和U形被動(dòng)部分定子導(dǎo)磁環(huán)（10)為兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)。
【文檔編號(hào)】F16C32/04GK104121289SQ201410382275
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】賈新濤 申請(qǐng)人:賈新濤