一種旋轉(zhuǎn)調(diào)制徑向球面純電磁磁軸承的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種非接觸徑向磁懸浮軸承，特別是一種具有旋轉(zhuǎn)調(diào)制功能的球面純電磁磁軸承，可作為小型航天器中旋轉(zhuǎn)部件的無接觸支撐，特別適用于磁懸浮敏感陀螺的非接觸支承。
技術(shù)背景
[0002]隨著航天技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星、空間站等航天器對(duì)于姿態(tài)控制的精度要求越來越高，傳統(tǒng)機(jī)械動(dòng)量輪已經(jīng)不能滿足要求。磁懸浮飛輪采用磁軸承支承，消除了機(jī)械軸承帶來的磨損，提高了控制力矩的精度和穩(wěn)定度。
[0003]現(xiàn)有磁懸浮飛輪或磁懸浮控制力矩陀螺結(jié)構(gòu)中，一般采用兩自由度徑向磁軸承。在滿足承載力的條件下，當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生平動(dòng)時(shí)，磁軸承磁極處的氣隙較均勻不會(huì)相對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生扭動(dòng)力矩。但當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，磁軸承定、轉(zhuǎn)子間的磁氣隙不均勻，導(dǎo)致磁極面內(nèi)的電磁力不均勻，從而產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)子質(zhì)心的扭轉(zhuǎn)力矩，即平動(dòng)控制對(duì)扭動(dòng)控制產(chǎn)生干擾力矩。中國(guó)專利號(hào)201010256248.6和200710065049.5所述的永磁偏置徑向磁軸承以及201010226322.X所述的帶極靴的徑向磁軸承磁極面均為柱面，磁軸承發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，定、轉(zhuǎn)子間存在不均勻氣隙，從而產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)負(fù)力矩，增加了飛輪扭轉(zhuǎn)軸承的負(fù)載，從而降低了飛輪轉(zhuǎn)子的控制精度和控制力矩精度，且極靴角度非常小，容易產(chǎn)生磁密飽和現(xiàn)象，且會(huì)影響磁密沿圓周分布的均勻性，進(jìn)而間接導(dǎo)致控制精度的降低。另外，現(xiàn)有的磁懸浮飛輪或者磁懸浮陀螺，如果要實(shí)現(xiàn)其作為敏感部件的檢測(cè)功能，往往受限于環(huán)境干擾力矩導(dǎo)致其檢測(cè)部件精度的降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種消除了干擾的、且具有旋轉(zhuǎn)調(diào)制功能的徑向球面純電磁磁軸承。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種旋轉(zhuǎn)調(diào)制徑向球面純電磁磁軸承，主要包括??沿±X方向和土Y方向放置的四個(gè)定子鐵心(1)、線圈(2)、套筒(3)、氣隙(4)、轉(zhuǎn)子(5)、定子安裝盤(6)、旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子軸承套(7)、旋轉(zhuǎn)調(diào)制軸承(8)、旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子鎖母(9)、超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)子(10)、超聲波電機(jī)定子(11)、旋轉(zhuǎn)調(diào)制定子軸承套(12)和旋轉(zhuǎn)調(diào)制定子鎖母(13)組成。其中徑向軸承線圈(2)繞制于每個(gè)定子鐵心(I)的兩個(gè)磁極上，四個(gè)定子鐵心(I)的徑向內(nèi)側(cè)為轉(zhuǎn)子(5)，定子鐵心⑴和轉(zhuǎn)子(5)之間形成徑向磁氣隙(4)，定子鐵心(I)的徑向外側(cè)為套筒(3)，套筒(3)與定子安裝盤(6)通過螺釘固定連接，定子安裝盤￠)的軸向外側(cè)為旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子軸承套(7)，定子安裝盤(6)與旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子軸承套(7)之間為過盈配合連接，旋轉(zhuǎn)調(diào)制軸承⑶的內(nèi)圈固定在旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子軸承套(7)上，旋轉(zhuǎn)調(diào)制軸承(8)的外圈與旋轉(zhuǎn)調(diào)制定子軸承套(12)過盈配合連接，定子安裝盤(6)與超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)子(10)固連，超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)子(10)與超聲波電機(jī)定子(11)通過壓力固連，超聲波電機(jī)定子(11)與旋轉(zhuǎn)調(diào)制定子軸承套(12)過盈配合連接，旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子鎖母(9)將旋轉(zhuǎn)調(diào)制軸承(8)的內(nèi)圈在軸向方向上固定在旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子軸承套(7)上，旋轉(zhuǎn)調(diào)制定子鎖母(13)將旋轉(zhuǎn)調(diào)制軸承(8)的外圈在軸向方向上固定在旋轉(zhuǎn)調(diào)制定子軸承套(12)上。
[0006]所述的每個(gè)定子鐵心(I)磁極分為前部、中部和根部，其前部左側(cè)邊緣與右側(cè)邊緣形成的夾角為83°，沿圓周上相鄰的兩個(gè)定子鐵心(I)磁極之間的距離為2mm，每個(gè)定子鐵心(I)磁極前部的左側(cè)邊緣與中部連接處夾角為152°，中部的兩個(gè)直線段之間的夾角為91°，中部與根部圓弧的切線方向的夾角為123° ;同理，每個(gè)定子鐵心(I)磁極前部的右側(cè)邊緣與中部連接處夾角為152°，中部的兩個(gè)直線段之間的夾角為91°，中部與根部圓弧的切線方向的夾角為123°。
[0007]所述的定子鐵心⑴和轉(zhuǎn)子(5)均為1J50導(dǎo)磁實(shí)心塊材。
[0008]所述的轉(zhuǎn)子(5)的球面半徑取19mm?49mm，轉(zhuǎn)子(5)左球面所對(duì)應(yīng)的球心角為84°，轉(zhuǎn)子(5)左球面左側(cè)邊緣與轉(zhuǎn)子(5)左球面左側(cè)圓弧邊緣切線所成夾角為132°，轉(zhuǎn)子(5)左球面右側(cè)邊緣與轉(zhuǎn)子(5)左球面右側(cè)圓弧邊緣切線所成夾角為132°，轉(zhuǎn)子(5)右球面所對(duì)應(yīng)的球心角為84°，轉(zhuǎn)子(5)右球面左側(cè)邊緣與轉(zhuǎn)子(5)右球面左側(cè)圓弧邊緣切線所成夾角為132°，轉(zhuǎn)子(5)右球面右側(cè)邊緣與轉(zhuǎn)子(5)右球面右側(cè)圓弧邊緣切線所成夾角為132°。
[0009]所述的徑向氣隙⑷大小為0.5mm?0.7mm。
[0010]所述的每個(gè)定子鐵心⑴的磁極上所纏繞的線圈(2)包括第一激磁線圈(2-1)和第二激磁線圈(2-2)，其中第一激磁線圈(2-1)靠近氣隙(4)側(cè)，第二激磁線圈(2-2)靠近磁極根部，第一激磁線圈(2-1)匝數(shù)為20?50匝，其控制電流可調(diào)，第二激磁線圈(2-2)匝數(shù)為100?200匝，其控制電流不變，第一激磁線圈(2-1)和第二激磁線圈(2-2)之間的徑向間隙為0.5mm?0.8mm。
[0011]本發(fā)明的原理是:本發(fā)明依據(jù)的重要機(jī)理是磁軸承的定子旋轉(zhuǎn)調(diào)制的機(jī)理，也就是說，通過周期性旋轉(zhuǎn)徑向磁軸承定子，使其敏感軸周期性變化，將被測(cè)信號(hào)(轉(zhuǎn)子的角速率信號(hào))調(diào)制到旋轉(zhuǎn)周期載波上，由于陀螺漂移誤差不隨旋轉(zhuǎn)載波周期變化，因此將該徑向磁軸承用于敏感轉(zhuǎn)子的角速率信息的時(shí)候，就可以通過解調(diào)和濾波來消除陀螺漂移引入導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子角速率信息的誤差，故本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)就在于徑向磁軸承的定子旋轉(zhuǎn)，本發(fā)明采用超聲電機(jī)實(shí)現(xiàn)這一功能，其中實(shí)現(xiàn)定子旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)主要包括:定子安裝盤￠)、旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子軸承套(7)、旋轉(zhuǎn)調(diào)制軸承(8)、旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子鎖母(9)、超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)子(10)、超聲波電機(jī)定子(11)、旋轉(zhuǎn)調(diào)制定子軸承套(12)和旋轉(zhuǎn)調(diào)制定子鎖母(13)，其中定子安裝盤(6)與套筒(3)通過螺釘固定連接，定子安裝盤￠)的軸向外側(cè)為旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子軸承套
(7)，定子安裝盤(6)與旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子軸承套(7)之間為過盈配合連接，旋轉(zhuǎn)調(diào)制軸承(8)的內(nèi)圈固定在旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子軸承套(7)上，旋轉(zhuǎn)調(diào)制軸承(8)的外圈與旋轉(zhuǎn)調(diào)制定子軸承套(12)過盈配合連接，定子安裝盤(6)與超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)子(10)固連，超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)子(10)與超聲波電機(jī)定子(11)通過壓力固連，超聲波電機(jī)定子(11)與旋轉(zhuǎn)調(diào)制定子軸承套(12)過盈配合連接，旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子鎖母(9)將旋轉(zhuǎn)調(diào)制軸承(8)的內(nèi)圈在軸向方向上固定在旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子軸承套(7)上，旋轉(zhuǎn)調(diào)制定子鎖母(13)將旋轉(zhuǎn)調(diào)制軸承(8)的外圈在軸向方向上固定在旋轉(zhuǎn)調(diào)制定子軸承套(12)上。另外，如果將兩個(gè)徑向磁軸承應(yīng)用于提供X和y方向偏轉(zhuǎn)力矩的磁懸浮飛輪系統(tǒng)中，將徑向磁軸承定子與軸向磁軸承定子固連，通過超聲電機(jī)使其旋轉(zhuǎn)，同樣可以實(shí)現(xiàn)消除X和y方向兩自由度角速率的陀螺漂移，從而提高角速率的檢測(cè)精度。
[0012]另外，整個(gè)裝置的定子鐵心的激磁線圈還可以采用雙線圈結(jié)構(gòu)，且兩線圈匝數(shù)不同，匝數(shù)少的線圈電流可控，產(chǎn)生調(diào)節(jié)磁場(chǎng)，匝數(shù)多的線圈電流不變，產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，與單線圈結(jié)構(gòu)相比，由于可控線圈的匝數(shù)少，因此電感小，可大大提高電流響應(yīng)速率，可控電流采用差動(dòng)形式。
[0013]此外，本發(fā)明的定子鐵心的磁極面采用球面結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)軸所受電磁力始終經(jīng)過球心，當(dāng)轉(zhuǎn)軸球心與質(zhì)心重合，電磁力相對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的扭矩為零，從而消除了徑向扭動(dòng)對(duì)軸向平動(dòng)的干擾。
[0014]本發(fā)明的方案與現(xiàn)有方案相比，主要優(yōu)點(diǎn)在于:(1)本發(fā)明由于采用了球面磁極，與現(xiàn)有柱面磁極的磁軸承相比，消除了徑向扭動(dòng)對(duì)徑向平動(dòng)的干擾；(2)定子鐵心采用極靴結(jié)構(gòu)，使磁場(chǎng)具有較好的圓周均勻度，并且磁極部分的各個(gè)部分角度不同，可以使得磁極中磁密更加均勻，不會(huì)導(dǎo)致局部磁密飽和的現(xiàn)象；(3)由于其定子鐵心通過超聲電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了定子的旋轉(zhuǎn)，因此具有旋轉(zhuǎn)調(diào)制功能，故可以消除陀螺轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引入的陀螺漂移，大大提尚了檢測(cè)精度。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明技術(shù)解決方案的一種旋轉(zhuǎn)調(diào)制徑向球面純電磁磁軸承的剖視圖；
[0016]圖2為本發(fā)明技術(shù)解決方案的定子鐵心結(jié)構(gòu)圖；
[0017]圖3為本發(fā)明技術(shù)解決方案的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖4為本發(fā)明技術(shù)解決方案的定子鐵心磁極具有雙線圈時(shí)的整體結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖5為本發(fā)明技術(shù)解決方案的定子鐵心磁極具有雙線圈時(shí)的整體三維結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方案
[0020]如圖1和圖2所示，一種旋轉(zhuǎn)調(diào)制徑向球面純電磁磁軸承，主要包括??沿±X方向和土Y方向