一種兩自由度外轉(zhuǎn)子永磁偏置球形徑向磁軸承的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種非接觸磁懸浮軸承，尤其涉及一種兩自由度外轉(zhuǎn)子永磁偏置球形徑向磁軸承。
【背景技術(shù)】
[0002]磁懸浮軸承分為純電磁磁軸承和永磁偏置混合磁軸承，前者利用偏置電流提供偏置磁場，其電流較大、功耗大，后者利用永磁體替代純電磁磁軸承中的偏置電流產(chǎn)生的偏置磁場，且永磁體產(chǎn)生的偏置磁場承擔(dān)主要的承載力，電磁控制磁場提供輔助的調(diào)節(jié)力，可大大減小磁軸承控制電流，降低功放損耗，從而減小線圈匝數(shù)，縮小磁軸承體積，降低重量。所以永磁偏置磁軸承在磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)、磁懸浮電機(jī)、磁懸浮儲能飛輪、磁懸浮偏置動量輪、磁懸浮控制力矩陀螺等高速運(yùn)動場合得到廣泛應(yīng)用。
[0003]磁懸浮陀螺儀利用磁懸浮軸承支承高速旋轉(zhuǎn)的陀螺轉(zhuǎn)子，消除了機(jī)械摩擦力矩帶來的干擾，使陀螺轉(zhuǎn)子工作在較高的轉(zhuǎn)速狀態(tài)，從而為陀螺轉(zhuǎn)子提供較大的動量矩，使其具有很好的定軸性。指向精度是衡量陀螺儀的最重要指標(biāo)，所有導(dǎo)致陀螺轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)的干擾力矩，都會引起陀螺漂移。所以，必須考慮磁軸承支承部件對陀螺漂移的影響。
[0004]經(jīng)分析表明，提高磁懸浮陀螺轉(zhuǎn)子指向精度的前提是，陀螺轉(zhuǎn)子的軸向平動控制和徑向平動控制都對徑向扭動控制沒有干擾，即在X、Y和Z三個方向的平動必須與徑向X和Y方向扭動完全解耦，這就要求磁軸承產(chǎn)生徑向和軸向電磁力時，不會對陀螺轉(zhuǎn)子產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中，專利ZL200510011270.3提出了一種外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，其磁極面為圓柱面。磁軸承工作時，轉(zhuǎn)子所受的電磁吸力始終垂直于磁極面。當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子慣性軸與磁軸承幾何軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，磁軸承8個磁極面產(chǎn)生的電磁吸力大小不相等，且都不指向陀螺轉(zhuǎn)子質(zhì)心，即會對陀螺轉(zhuǎn)子產(chǎn)生徑向扭動的干擾力矩，驅(qū)使陀螺轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸偏離初始位置而產(chǎn)生陀螺漂移，降低了陀螺指向精度。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]本實(shí)用新型的目的是提供一種精度高的兩自由度外轉(zhuǎn)子永磁偏置球形徑向磁軸承。
[0007]本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]本實(shí)用新型的兩自由度外轉(zhuǎn)子永磁偏置球形徑向磁軸承，包括定子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)兩部分，定子系統(tǒng)主要包括:上球面定子鐵心、下球面定子鐵心、激磁線圈、隔磁環(huán)、上導(dǎo)磁環(huán)、下導(dǎo)磁環(huán)、永磁體、定子套筒和定子鎖環(huán)；轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要包括:球面轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子套筒和轉(zhuǎn)子鎖環(huán)；上球面定子鐵心組成4個磁極，下球面定子鐵心組成4個磁極，共組成磁軸承上下兩端8個磁極，分別組成X、Y軸正負(fù)方向的磁極，每個定子磁極繞制有激磁線圈，隔磁環(huán)位于上球面定子鐵心和下球面定子鐵心之間，上導(dǎo)磁環(huán)位于上球面定子鐵心徑向內(nèi)偵牝下導(dǎo)磁環(huán)位于下球面定子鐵心徑向內(nèi)側(cè)，永磁體位于上導(dǎo)磁環(huán)和下導(dǎo)磁環(huán)之間，上導(dǎo)磁環(huán)、下導(dǎo)磁環(huán)和永磁體位于定子套筒徑向外側(cè)，并通過定子鎖環(huán)固定安裝在定子套筒上，球面轉(zhuǎn)子鐵心位于轉(zhuǎn)子套筒徑向內(nèi)側(cè)，并通過轉(zhuǎn)子鎖環(huán)固定安裝在轉(zhuǎn)子套筒上，球面轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)球面與上球面定子鐵心外球面和下球面定子鐵心外球面留有一定的間隙，形成空氣氣隙。
[0009]由上述本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案可以看出，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的兩自由度外轉(zhuǎn)子永磁偏置球形徑向磁軸承，由于采用徑向平動與徑向扭動解耦控制的兩自由度外轉(zhuǎn)子永磁偏置球形徑向磁軸承，可作為磁懸浮陀螺儀轉(zhuǎn)子的無接觸支承，使轉(zhuǎn)子的徑向平動與徑向扭動控制完全解親，提尚磁懸浮陀螺儀的指向精度。
【附圖說明】
[0010]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的兩自由度外轉(zhuǎn)子永磁偏置球形徑向磁軸承的軸向截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的兩自由度外轉(zhuǎn)子永磁偏置球形徑向磁軸承的軸向端面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖3a為本實(shí)用新型實(shí)施例中的上球面定子鐵心和下球面定子鐵心剖視圖；
[0013]圖3b為本實(shí)用新型實(shí)施例中的上球面定子鐵心和下球面定子鐵心三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖4a為本實(shí)用新型實(shí)施例中的球面轉(zhuǎn)子鐵心剖視圖；
[0015]圖4b為本實(shí)用新型實(shí)施例中的球面轉(zhuǎn)子鐵心三維結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面將對本實(shí)用新型實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0017]本實(shí)用新型的兩自由度外轉(zhuǎn)子永磁偏置球形徑向磁軸承，其較佳的【具體實(shí)施方式】是:
[0018]包括定子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)兩部分，定子系統(tǒng)主要包括:上球面定子鐵心、下球面定子鐵心、激磁線圈、隔磁環(huán)、上導(dǎo)磁環(huán)、下導(dǎo)磁環(huán)、永磁體、定子套筒和定子鎖環(huán)；轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要包括:球面轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子套筒和轉(zhuǎn)子鎖環(huán)；上球面定子鐵心組成4個磁極，下球面定子鐵心組成4個磁極，上球面定子鐵心和下球面定子鐵心組成磁軸承上下兩端8個磁極，分別組成X、Y軸正負(fù)方向的磁極，每個定子磁極繞制有激磁線圈，隔磁環(huán)位于上球面定子鐵心和下球面定子鐵心之間，上導(dǎo)磁環(huán)位于上球面定子鐵心徑向內(nèi)側(cè)，下導(dǎo)磁環(huán)位于下球面定子鐵心徑向內(nèi)側(cè)，永磁體位于上導(dǎo)磁環(huán)和下導(dǎo)磁環(huán)之間，上導(dǎo)磁環(huán)、下導(dǎo)磁環(huán)和永磁體位于定子套筒徑向外側(cè)，并通過定子鎖環(huán)固定安裝在定子套筒上，球面轉(zhuǎn)子鐵心位于轉(zhuǎn)子套筒徑向內(nèi)側(cè)，并通過轉(zhuǎn)子鎖環(huán)固定安裝在轉(zhuǎn)子套筒上，球面轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)球面與上球面定子鐵心外球面和下球面定子鐵心外球面留有一定的間隙，形成空氣氣隙。
[0019]所述的上球面定子鐵心和下球面定子鐵心的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。所述的上導(dǎo)磁環(huán)和下導(dǎo)磁環(huán)均為1J85導(dǎo)磁材料。所述的永磁體為衫鈷合金或釹鐵硼合金材料。所述的永磁體為軸向圓環(huán)，沿軸向充磁。所述的上球面定子鐵心的球面半徑和下球面定子鐵心的球面半徑相等，且兩者的球心完全重合。
[0020]本實(shí)用新型的兩自由度外轉(zhuǎn)子永磁偏置球形徑向磁軸承，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，采用徑向平動和徑向扭動解耦控制的外轉(zhuǎn)子永磁偏置球形徑向磁軸承，避免了徑向平動控制對徑向扭動控制的干擾。
[0021]本實(shí)用新型的方案的原理是:
[0022]永磁體給磁軸承提供永磁偏置磁場，承擔(dān)磁軸承所受的徑向力，激磁線圈所產(chǎn)生的控制磁場與永磁體產(chǎn)生的偏置磁場正向/反向疊加，保持磁軸承定轉(zhuǎn)子氣隙均勻，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的無接觸懸浮支承。如圖1所示，本實(shí)用新型的永磁磁路為:磁通從永磁體N極出發(fā)，通過上導(dǎo)磁環(huán)、上球面定子鐵心、氣隙、球面轉(zhuǎn)子鐵心、氣隙、下球面定子鐵心、下導(dǎo)磁環(huán)回到永磁體S極，形成磁懸浮軸承的主磁路。如圖2所示，以上端Y軸正向激磁線圈電流產(chǎn)生的磁通為例，其路徑為:上球面定子鐵心的Y軸正向磁極、Y軸正向氣隙到球面轉(zhuǎn)子鐵心、然后到另外三個方向氣隙、上球面定子鐵心形成的另外三個方向磁極、回到上球面定子鐵心形成的Y軸正向磁極，構(gòu)成閉合回路。
[0023]當(dāng)磁軸承轉(zhuǎn)子處于平衡位置時，8個磁極面處的氣隙完全相等，各磁極面處的電磁吸力大小相等，磁軸承轉(zhuǎn)子所受的合力和合力矩為零。當(dāng)磁軸承轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸與其定子幾何軸存在一小角度時，在各定子磁極面處，轉(zhuǎn)子所受的電磁吸力始終沿磁軸承轉(zhuǎn)子球面的徑向方向，且都經(jīng)過球