專利名稱：一種五自由度磁軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非接觸磁懸浮軸承，特別是一種五自由度永磁偏置徑向磁軸承， 可作為磁懸浮飛輪等航天器慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)子部件的無接觸支撐。
背景技術(shù)：
隨著衛(wèi)星任務(wù)多樣化的發(fā)展，衛(wèi)星對姿態(tài)控制系統(tǒng)的要求越來越高，磁懸浮飛輪作為一種航天器姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對其要求為控制精度高、功耗低、體積小。在現(xiàn)有磁懸浮飛輪結(jié)構(gòu)中，一般采用兩個(gè)單自由度軸向磁軸承+兩個(gè)兩自由度徑向磁軸承結(jié)構(gòu)，或兩個(gè)三自由度軸向磁軸承+ —個(gè)兩自由度徑向磁軸承結(jié)構(gòu)。而現(xiàn)有的徑向磁軸承一般定子部分分為四個(gè)磁極，且永磁磁路及電磁磁路在各個(gè)磁極之間互相耦合，如專利 200510011690. 1所述的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承及專利200710063272. 6中的具有冗余結(jié)構(gòu)的永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向混合磁軸承均包含有四個(gè)相互耦合的徑向磁極組成，若應(yīng)用到大角度扭轉(zhuǎn)的磁懸浮反作用飛輪中，當(dāng)飛輪扭轉(zhuǎn)時(shí)，徑向四個(gè)磁極下的氣隙大小不再相等， 若徑向某一通道承重施加電流時(shí)，受通道耦合影響，電流在另一通道會產(chǎn)生一個(gè)額外附加力，而本身通道的勵(lì)磁減少，使承重通道的承載力降低。由于存在上述缺陷，現(xiàn)有磁軸承在飛輪應(yīng)用中存在徑向通道耦合嚴(yán)重、體積大的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種徑向通道耦合小、控制精度高、體積小的低功耗五自由度磁軸承。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種五自由度磁軸承，由定子部分和轉(zhuǎn)子部分組成，其中定子部分包括下軸向定子、上軸向定子、定子隔磁環(huán)、永磁體、徑向定子、徑向定子隔磁環(huán)和徑向線圈，轉(zhuǎn)子部分包括上軸向轉(zhuǎn)子、下軸向轉(zhuǎn)子、徑向轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)，其中永磁體的外側(cè)為徑向定子，徑向定子共有兩個(gè)，沿圓周方向正交放置，兩個(gè)徑向定子之間有徑向定子隔磁環(huán)，徑向定子由定子齒和定子導(dǎo)磁軛組成，徑向定子齒上繞有徑向線圈，永磁體的軸向上下兩側(cè)均為定子隔磁環(huán)，永磁體與定子隔磁環(huán)的徑向內(nèi)側(cè)為下軸向定子，下軸向定子的上側(cè)為上軸向定子，徑向定子的外側(cè)為徑向轉(zhuǎn)子鐵心，徑向定子和徑向轉(zhuǎn)子鐵心之間為徑向磁氣隙，徑向轉(zhuǎn)子鐵心上下兩側(cè)為轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)，下軸向轉(zhuǎn)子安裝在徑向轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)的徑向外側(cè)，并與上軸向轉(zhuǎn)子相連，上軸向定子的外側(cè)為上軸向轉(zhuǎn)子，上軸向定子和上軸向轉(zhuǎn)子以及下軸向定子和下軸向轉(zhuǎn)子之間為軸向磁氣隙，上軸向定子和上軸向轉(zhuǎn)子以及下軸向定子和下軸向轉(zhuǎn)子均為同等軸向長度的整環(huán)結(jié)構(gòu)。所述徑向定子隔磁環(huán)的厚度為2mm 4mm。永磁體沿周向方向分為互不相連的四塊，各永磁體塊均為沿徑向充磁，分別位于徑向定子的四個(gè)定子齒的徑向內(nèi)側(cè)，且各永磁體的周向跨距與徑向定子的定子齒的周向跨距相同，均為60° 80°圓心角。所述徑向磁氣隙大小為0. 3mm 0. 8mm，軸向磁氣隙的大小為0. 4mm 0. 85mm。所述徑向轉(zhuǎn)子鐵心采用1J50或非晶中的任意一種疊壓制成，上軸向定子、下軸向定子、上軸向轉(zhuǎn)子和下軸向轉(zhuǎn)子均采用1J22棒材或電工純鐵中的任意一種制成。所述徑向轉(zhuǎn)子鐵心軸向長度比徑向定子齒軸向長度大3 6mm。本發(fā)明的原理是本發(fā)明的五自由度磁軸承，利用軸向定子和軸向轉(zhuǎn)子之間的相互作用力(磁偏拉力)來控制軸向平動及繞X軸、y軸的扭動，利用徑向定子和徑向轉(zhuǎn)子之間的相互作用力來控制徑向兩個(gè)方向的平動，永磁體同時(shí)為軸向磁氣隙和徑向磁氣隙提供偏置磁通，如圖1中實(shí)線箭頭方向所示，永磁體產(chǎn)生的永磁磁通路徑為磁通從永磁體N極出發(fā)，分別經(jīng)過χ方向及y方向徑向定子、χ及y方向徑向氣隙到轉(zhuǎn)子鐵心，然后經(jīng)由上、下軸向轉(zhuǎn)子、軸向氣隙，到達(dá)上下軸向定子，再回到永磁體S極。徑向χ方向電磁磁路路徑如圖2中虛線箭頭方向所示電磁磁通從+χ方向上的徑向定子齒出發(fā)，經(jīng)+χ方向磁氣隙、徑向轉(zhuǎn)子鐵心、-χ方向磁氣隙、-χ方向徑向定子齒，然后經(jīng)χ方向定子導(dǎo)磁軛，回到+χ方向上的定子齒形成回路。徑向ι方向電磁磁路與χ方向相似，由+y方向上的徑向定子齒出發(fā)， 經(jīng)+y方向磁氣隙、徑向轉(zhuǎn)子鐵心、-y方向磁氣隙、-y方向徑向定子齒，然后經(jīng)y方向定子導(dǎo)磁軛，回到+y方向上的定子齒形成回路。由于定子隔磁環(huán)的存在，徑向χ方向與y方向的永磁磁路互不耦合，電磁磁路也互不耦合，因此當(dāng)χ方向氣隙發(fā)生顯著變化，或χ通道施加控制電流時(shí)，y方向的永磁及電磁磁密均不會發(fā)生變化，且χ方向電流產(chǎn)生的磁壓降僅降落在+χ和-χ方向磁氣隙上，因此該電流可以在χ方向產(chǎn)生更大的電磁磁密，從而可增大χ方向的出力。在軸向平動控制以及繞χ、y方向的扭轉(zhuǎn)控制時(shí)，由于上下軸向定子和上下軸向轉(zhuǎn)子均為在軸向氣隙處同等軸向長度的整環(huán)結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)轉(zhuǎn)子部分發(fā)生軸向平動或繞X、y方向的扭轉(zhuǎn)時(shí)，軸向定子與軸向轉(zhuǎn)子之間會產(chǎn)生磁偏拉力(磁阻力)，所以依靠磁阻力可以使得轉(zhuǎn)子回復(fù)到初始的平衡位置。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明一種五自由度磁軸承，徑向結(jié)構(gòu)采用 x、y方向通道解耦的形式，使永磁磁路及電磁磁路在χ方向的通道和y方向的通道之間均互不影響，當(dāng)轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)使某一方向的通道氣隙大小發(fā)生變化時(shí)，另一方向通道的永磁偏置磁密不會發(fā)生變化，因此在扭轉(zhuǎn)情況下仍可保持較大的最大承載力，而電磁磁路互不耦合，可使各通道電流產(chǎn)生的磁壓降僅降落在其所在通道的磁氣隙上，從而產(chǎn)生更大的電磁磁密， 增大本通道的出力。同時(shí)，采用上下軸向定子和上下軸向轉(zhuǎn)子均為同等軸向長度的整環(huán)結(jié)構(gòu)，使得在軸向磁氣隙處產(chǎn)生磁阻力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的軸向平動以及徑向扭轉(zhuǎn)的被動控制。因此， 與現(xiàn)有磁軸承結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明具有χ、y通道解耦、體積小的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明沿χ及y方向切開的軸向截面圖。圖2為本發(fā)明的徑向χ方向通道的徑向截面圖。圖3為本發(fā)明的徑向定子組件立體圖。圖4為本發(fā)明徑向定子組件爆炸視圖。圖5為本發(fā)明單個(gè)徑向通道定子組件的爆炸視圖。
具體實(shí)施例方式如圖1、圖2所示，五自由度磁軸承由定子部分和轉(zhuǎn)子部分組成，其中定子部分包括下軸向定子1、上軸向定子2、定子隔磁環(huán)3、永磁體4、徑向定子5、徑向定子隔磁環(huán)6和徑向線圈7，轉(zhuǎn)子部分包括上軸向轉(zhuǎn)子8、下軸向轉(zhuǎn)子9、徑向轉(zhuǎn)子鐵心10和轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)11， 其中永磁體4的外側(cè)為徑向定子5，徑向定子5共有兩個(gè)，沿圓周方向正交放置，兩個(gè)徑向定子5之間有徑向定子隔磁環(huán)6，徑向定子5由定子齒51和定子導(dǎo)磁軛52組成，徑向定子齒上繞有徑向線圈7，永磁體4的軸向上下兩側(cè)均為定子隔磁環(huán)3，永磁體4與定子隔磁環(huán)3 的徑向內(nèi)側(cè)為下軸向定子1，下軸向定子1的上側(cè)為上軸向定子2，徑向定子5的外側(cè)為徑向轉(zhuǎn)子鐵心10，徑向定子5和徑向轉(zhuǎn)子鐵心10之間為徑向磁氣隙12，徑向轉(zhuǎn)子鐵心10上下兩側(cè)為轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)11，下軸向轉(zhuǎn)子9安裝在徑向轉(zhuǎn)子鐵心10和轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)11的徑向外側(cè)，并與上軸向轉(zhuǎn)子8相連，上軸向定子2的外側(cè)為上軸向轉(zhuǎn)子8，上軸向定子2和上軸向轉(zhuǎn)子8以及下軸向定子1和下軸向轉(zhuǎn)子9之間為軸向磁氣隙13，上軸向定子2和上軸向轉(zhuǎn)子 8以及下軸向定子1和下軸向轉(zhuǎn)子9均為同等軸向長度的整環(huán)結(jié)構(gòu)，換句話說，就是在軸向磁氣隙13處的軸向定子和軸向轉(zhuǎn)子具有同樣的軸向長度。本發(fā)明的徑向定子5在x、y方向各有一個(gè)，兩個(gè)徑向定子及相鄰的定子隔磁環(huán)3、 永磁體4、徑向定子隔磁環(huán)6共同組成了徑向定子組件如圖3所示，在安裝時(shí)x、y方向的兩個(gè)徑向定子正交放置，徑向定子隔磁環(huán)6位于兩個(gè)通道定子之間，用于隔離兩個(gè)通道的永磁磁路和電磁磁路，徑向定子組件的爆炸視圖如圖4所示。單個(gè)通道的徑向定子組件包括徑向定子5 (圖中為極靴形式)、永磁體4、徑向定子隔磁環(huán)6，其爆炸視圖如圖5所示，每個(gè)徑向定子5均由定子齒51和定子導(dǎo)磁軛52組成，兩個(gè)徑向定子形成的定子組件沿圓周均勻分布有四個(gè)定子齒51，各定子齒沿圓周方向跨距β為60° 80°圓心角，徑向定子隔磁環(huán)6的厚度為2mm 4mm，以保證χ通道和y通道磁路互不耦合。如圖3所示，永磁體4沿周向方向分為互不相連的四塊(如圖4所示)，各永磁體塊均為沿徑向充磁，分別位于徑向定子5的四個(gè)定子齒的徑向內(nèi)側(cè)，且各永磁體4的周向跨距與徑向定子5的定子齒的周向跨距β相同，均為60° 80°圓心角，如圖5所示。為保證飛輪轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)一定角度后各定子與轉(zhuǎn)子不發(fā)生相互碰撞，徑向磁氣隙12 大小為0. 3mm 0. 8mm，軸向磁氣隙13的大小為0. 4mm 0. 85mm。徑向轉(zhuǎn)子鐵心10采用1J50或非晶中的任意一種疊壓制成，下軸向定子1、上軸向定子2、上軸向轉(zhuǎn)子8和下軸向轉(zhuǎn)子9均采用1J22棒材或電工純鐵中的任意一種制成。飛輪轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)時(shí)，軸承轉(zhuǎn)子鐵心會沿平行于氣隙方向發(fā)生偏移，為保證偏移后定子跨距范圍仍在轉(zhuǎn)子跨距范圍之內(nèi)，徑向轉(zhuǎn)子鐵心10軸向長度比徑向定子齒51軸向長度大3 6mm，使徑向漏磁系數(shù)在1. 3 1. 9之間。本發(fā)明說明書中未作詳細(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
1.一種五自由度磁軸承，其特征在于由定子部分和轉(zhuǎn)子部分組成，其中定子部分包括下軸向定子(1)、上軸向定子O)、定子隔磁環(huán)(3)、永磁體0)、徑向定子(5)、徑向定子隔磁環(huán)(6)和徑向線圈(7)，轉(zhuǎn)子部分包括上軸向轉(zhuǎn)子(8)、下軸向轉(zhuǎn)子(9)、徑向轉(zhuǎn)子鐵心 (10)和轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)(11)，其中永磁體(4)的外側(cè)為徑向定子(5)，徑向定子(5)共有兩個(gè)， 沿圓周方向正交放置，兩個(gè)徑向定子( 之間有徑向定子隔磁環(huán)(6)，徑向定子(5)由定子齒(51)和定子導(dǎo)磁軛(5 組成，徑向定子齒上繞有徑向線圈(7)，永磁體的軸向上下兩側(cè)均為定子隔磁環(huán)(3)，永磁體(4)與定子隔磁環(huán)(3)的徑向內(nèi)側(cè)為下軸向定子(1)，下軸向定子⑴的上側(cè)為上軸向定子O)，徑向定子(5)的外側(cè)為徑向轉(zhuǎn)子鐵心(10)，徑向定子(5)和徑向轉(zhuǎn)子鐵心(10)之間為徑向磁氣隙(12)，徑向轉(zhuǎn)子鐵心(10)上下兩側(cè)為轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)(11)，下軸向轉(zhuǎn)子(9)安裝在徑向轉(zhuǎn)子鐵心(10)和轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)(11)的徑向外側(cè)， 并與上軸向轉(zhuǎn)子(8)相連，上軸向定子O)的外側(cè)為上軸向轉(zhuǎn)子(8)，上軸向定子( 和上軸向轉(zhuǎn)子⑶以及下軸向定子⑴和下軸向轉(zhuǎn)子(9)之間為軸向磁氣隙(13)，上軸向定子 (2)和上軸向轉(zhuǎn)子(8)以及下軸向定子(1)和下軸向轉(zhuǎn)子(9)均為同等軸向長度的整環(huán)結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度磁軸承，其特征在于所述徑向定子隔磁環(huán)(6)的厚度為2mm 4mmο
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度磁軸承，其特征在于所述永磁體(4)沿周向方向分為互不相連的四塊，各永磁體塊均為沿徑向充磁，分別位于徑向定子(5)的四個(gè)定子齒 (51)的徑向內(nèi)側(cè)，且各永磁體⑷的周向跨距與徑向定子(5)的定子齒(51)的周向跨距相同，均為60° 80°圓心角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度磁軸承，其特征在于所述的徑向磁氣隙(1 大小為0. 3mm 0. 8mm，軸向磁氣隙(13)的大小為0. 4謹(jǐn) 0. 85謹(jǐn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度磁軸承，其特征在于所述的徑向轉(zhuǎn)子鐵心(10) 采用1J50或非晶中的任意一種疊壓制成，上軸向定子O)、下軸向定子(1)和上軸向轉(zhuǎn)子 (8)、下軸向轉(zhuǎn)子(9)均采用1J22棒材或電工純鐵中的任意一種制成。
全文摘要
一種五自由度磁軸承，主要由上下層軸向定子、上下層軸向轉(zhuǎn)子、徑向定子、徑向轉(zhuǎn)子鐵心、激磁線圈和永磁體組成，其中軸向定子和軸向轉(zhuǎn)子均為同等軸向長度的整環(huán)結(jié)構(gòu)，軸向定轉(zhuǎn)子之間的磁阻力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子z方向的平動及繞x、y軸的轉(zhuǎn)動，兩個(gè)徑向定子均由定子齒和定子導(dǎo)磁軛組成，安裝時(shí)兩個(gè)徑向定子正交放置，且兩個(gè)定子之間安裝有徑向定子隔磁環(huán)用以隔磁。本發(fā)明采用的徑向磁軸承采用x、y通道解耦的形式，主動控制徑向的平動，軸向及扭轉(zhuǎn)依靠軸向定轉(zhuǎn)子之間的磁阻力被動實(shí)現(xiàn)，可提高磁軸承的徑向控制精度，減小整個(gè)磁軸承的體積。
文檔編號F16C32/04GK102338160SQ20111025433
公開日2012年2月1日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者孫津濟(jì), 房建成, 湯繼強(qiáng), 王春娥 申請人:北京航空航天大學(xué)