一种五自由度外转子永磁偏置球形磁轴承制造技术

本发明专利技术公开一种五自由度外转子永磁偏置球形磁轴承，包括球形的转子，转子内部中央有两个定子和一个永磁体，上部定子和下部定子以镜面对称的方式位于永磁体的上下两侧，上部定子和下部定子为结构相同的半球状，永磁体是圆柱体状；在上部定子外表面上，沿着圆周方向每隔90度开有一个上部轴向槽，在上部定子的轴向中部的外表面上沿着圆周方向开一个上部环形径向槽，该上部环形径向槽和四个上部轴向槽贯通且交叉形成上、下两层各四个定子磁极；下部定子上也设有四个下部轴向槽和一个下部环形径向槽，形成下部定子的上、下两层各四个定子磁极，磁极上绕有控制线圈；可减小磁轴承的控制电流，降低功放损耗，缩小磁轴承的体积。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种非机械接触的球形磁轴承，尤其涉及一种五自由度外转子永磁偏置球形磁轴承，可作为磁悬浮陀螺仪、磁悬浮分子泵、磁悬浮动量轮等要求高速、高精度控制、洁净无污染、长寿命的机械设备的无接触悬浮支撑。
技术介绍
磁悬浮轴承分为纯电磁轴承和永磁偏置混合磁轴承，前者利用偏置电流产生偏置磁场，利用控制电流产生的控制磁场调节电磁力的大小，具有两个可控磁场。后者利用永磁体提供偏置磁场，电磁磁场提供辅助调节力。与纯电磁轴承相比，永磁偏置轴承可减小磁轴承的控制电流，降低功放损耗，缩小磁轴承的体积，在磁悬浮鼓风机、磁悬浮电机、磁悬浮储能飞轮、磁悬浮动量轮、磁悬浮反应轮、磁悬浮控制力矩陀螺等高速运动场合得到广泛应用。磁悬浮轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间，实现转子与定子之间无机械接触的机电一体化产品，由于定子、转子之间不存在机械上的接触，所以磁悬浮转子可达到很高的运转转速，并且具有机械磨损小、能耗低、寿命长、无污染等优点。并且，为使转子能够实现稳定的悬浮，需要在五自由度上都要进行约束。永磁偏置球形磁轴承在一些应用场合，具有明显的优势。比如在磁悬浮陀螺仪中，如果采用永磁偏置球形磁轴承，则不仅使功耗减小，而且当转子质心与球面磁极球心完全重合时，避免了径向平动控制对扭动控制的干扰，提高了陀螺仪的指向精度。在卫星姿态控制中，动量轮和反应轮的轴承作用很重要，传统的轴承会因为倾角过大快速失去向心稳定性，而如果采用永磁偏置球形磁轴承，则可使其允许至少5度甚至15以上的倾角，增强了其向心稳定性。中国专利申请号为201510029481.3的文献中提出了一种外转子球形径向纯电磁磁轴承，其利用偏置电流产生偏置磁场，功耗大，控制复杂，且自由度数目不足，而没有考虑到对轴向进行控制，因此其难以满足一些特殊的应用场合。已有的永磁偏置磁轴承为柱面，工作时，转子所受到电磁力始终垂直于磁极表面。当转子惯性轴偏离几何轴时，各个磁极面内的电磁力大小不想等，且都不过质心，即会对转子产生径向扭动的干扰力矩，迫使转子产生漂移，降低了转子的控制精度。为了更好地确保永磁偏置磁轴承的控制精度。为了满足球形磁轴承在一些特殊场合发挥其更明显的优势，从结构和控制上减小球形磁轴承的体积，降低功耗和生产成本，简化控制方案，提高磁轴承的工作性能，需采用一些新的机械结构和磁路结构，不仅保证轴承结构及尺寸精度，也要确保其具有较大的倾斜恢复能力；不仅要保证轴承的控制精度，也要确保其功耗尽可能地低。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服现有技术中缺少功耗低的球形磁轴承，且主动控制球形磁轴承的自由度数目较少的不足，提出一种五自由度外转子永磁偏置球形磁轴承，从结构上实现球形磁轴承的低功耗，实现径向和轴向完全解耦，提高倾斜恢复能力。本专利技术采用的技术方案是：包括球形的转子，转子上部和下部各有一个开口，转子内部中央有两个定子和一个永磁体，转轴由转子的下部开口伸入转子内部，两个定子和一个永磁体空套在转轴上；两个定子分别为上部定子和下部定子，上部定子和下部定子以镜面对称的方式位于永磁体的上下两侧，永磁体镶嵌在上部定子和下部定子之间；上部定子和下部定子为结构相同的半球状，永磁体是圆柱体状；在上部定子外表面上，沿着圆周方向每隔90度开有一个上部轴向槽，上部轴向槽上端与转轴的上端开口贯通、下端与永磁体侧面贯通；在上部定子的轴向中部的外表面上沿着圆周方向开一个上部环形径向槽，该上部环形径向槽和四个上部轴向槽贯通且交叉形成上、下两层各四个定子磁极；下部定子上也设有四个下部轴向槽和一个下部环形径向槽，形成下部定子的上、下两层各四个定子磁极；上部定子的上层磁极上绕有上部轴向控制线圈，上部定子的下层磁极上绕有上部径向控制线圈，下部定子的上层磁极上绕有下部径向控制线圈，下部定子的下层磁极上绕有下部轴向控制线圈。本专利技术与现有的技术相比的有益效果在于：1、本专利技术针对传统球形磁轴承纯电磁控制所导致的功耗大、体积大、控制复杂这一现象，设计一种永磁偏置混合球形磁轴承，即永磁体产生永磁磁场提供偏置磁场，电磁磁场提供辅助调节力，可减小磁轴承的控制电流，降低功放损耗，缩小磁轴承的体积。2、本专利技术针对传统球形磁轴承难以完全解耦控制的局限，即磁轴承径向平动对扭动控制的干扰的局限，设计的集径向、轴向于一体的完全解耦的五自由度球形磁轴承，使得球形磁轴承在一些特殊的应用场合更好地发挥其优势。3、本专利技术的轴向单自由度控制与径向四自由度控制是采用分离的两套线圈，因此该球型磁轴承还可以根据应用场合的不同实时调整该磁轴承的应用范围，通过减少径向或轴向控制线圈的数目调整五自由度球型磁轴承为四自由度、或者单自由度球型磁轴承，扩大了其应用范围。4、本专利技术能实现轴承径向和轴向的完全解耦控制，同时增加磁轴承实现主动控制与被动控制的自由度数目，结构简单、体积小、功耗低、控制简单。5、本文采用球面结构，同时采用主动控制的自由度越多越好，但是为了降低其功耗，采用被动控制的自由度数目越多越好，并且在两者权衡的基础上，还能确保球形结构尺寸人满足其应用场合的空间限制要求。附图说明图1为本专利技术一种五自由度外转子永磁偏置球形磁轴承的结构图；图2为图1上半部分的局部立体结构示意图；图3为图1的坐标标示以及尺寸标注图；图4为本专利技术静态被动悬浮磁通分布简化图；图5为本专利技术径向二自由度悬浮磁通分布简化图；图6为本专利技术径向扭转二自由度悬浮磁通分布简化图；图7为本专利技术轴向悬浮磁通分布简化图。图中：1.转轴；2.上部定子；21.上部定子的上层磁极；22.上部定子的下层磁极； 31.上部轴向控制线圈；41.上部径向控制线圈；51.上部轴向槽；6.上部环形径向槽；7.永磁体；8.下部定子；81.下部定子的上层磁极；82.下部定子的下层磁极；91.下部径向控制线圈；101.下部轴向控制线圈；111.下部轴向槽；12.下部环形径向槽；13.气隙；14-1、14-2.静态偏磁磁通；151.轴向控制磁通；152.径向控制磁通；16.转子。具体实施方式如图1所示，本专利技术由一个转轴1、两个定子、一个永磁体7、一个转子16以及控制线圈组成。转子16是球形，一个永磁体7和两个定子位于转子16内部中央，转子16上部和下部各有一个开口，纵向的转轴1由转子16的下部开口伸入转子16内部，穿过一个永磁体7和两个定子中间的纵向通孔，一个永磁体7和两个定子均空套在转轴1上。转子16上的上下两个开口的中心轴、一个永磁体7和两个定子的中心轴和转轴1的中心轴重合，均经过转子16的球心o。两个定子分别为上部定子2和下部定子8，上部定子2和下部定子8均为半球状，结构完全相同。永磁体7是圆柱体状，位于转子16内部正中央，永磁体7的正上方是上部定子2、正下方是下部定子8。永磁体7的中心与转子16的球心o重合，上部定子2和下部定子8相对于永磁体7的中心上下对称布置，以镜面对称的方式位于永磁体7的上下两侧。永磁体7的上下端分别与上部定子2、下部定子8的半球底面无缝固定连接，使永磁体7镶嵌在上部定子2和下部定子8之间，上部定子2、永磁体7与下部定子8在构成一个整体。永磁体7的外径小于上部定子2和下部定子8的外径。如图2所示，再结合图1，在上部定子2外表面上，沿着圆周方向每隔90度进行开纵向槽，纵向槽上端与纵向转轴1的上端开口贯通，下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种五自由度外转子永磁偏置球形磁轴承，包括球形的转子（16），其特征是：转子（16）上部和下部各有一个开口，转子（16）内部中央有两个定子和一个永磁体（7），转轴（1）由转子（16）的下部开口伸入转子（16）内部，两个定子和一个永磁体（7）空套在转轴（1）上；两个定子分别为上部定子（2）和下部定子（8），上部定子（2）和下部定子（8）以镜面对称的方式位于永磁体（7）的上下两侧，永磁体（7）镶嵌在上部定子（2）和下部定子（8）之间；上部定子（2）和下部定子（8）为结构相同的半球状，永磁体（7）是圆柱体状；在上部定子（2）外表面上，沿着圆周方向每隔90度开有一个上部轴向槽（51），上部轴向槽（51）上端与转轴（1）的上端开口贯通、下端与永磁体（7）侧面贯通；在上部定子（2）的轴向中部的外表面上沿着圆周方向开一个上部环形径向槽（6），该上部环形径向槽（6）和四个上部轴向槽（51）贯通且交叉形成上、下两层各四个定子磁极；下部定子（8）上也设有四个下部轴向槽（111）和一个下部环形径向槽（12），形成下部定子（10）的上、下两层各四个定子磁极；上部定子的上层磁极（21）上绕有上部轴向控制线圈（31），上部定子的下层磁极（22）上绕有上部径向控制线圈（41），下部定子的上层磁极（81）上绕有下部径向控制线圈（91），下部定子的下层磁极（102）上绕有下部轴向控制线圈（101）。...

【技术特征摘要】
1.一种五自由度外转子永磁偏置球形磁轴承，包括球形的转子（16），其特征是：转子（16）上部和下部各有一个开口，转子（16）内部中央有两个定子和一个永磁体（7），转轴（1）由转子（16）的下部开口伸入转子（16）内部，两个定子和一个永磁体（7）空套在转轴（1）上；两个定子分别为上部定子（2）和下部定子（8），上部定子（2）和下部定子（8）以镜面对称的方式位于永磁体（7）的上下两侧，永磁体（7）镶嵌在上部定子（2）和下部定子（8）之间；上部定子（2）和下部定子（8）为结构相同的半球状，永磁体（7）是圆柱体状；在上部定子（2）外表面上，沿着圆周方向每隔90度开有一个上部轴向槽（51），上部轴向槽（51）上端与转轴（1）的上端开口贯通、下端与永磁体（7）侧面贯通；在上部定子（2）的轴向中部的外表面上沿着圆周方向开一个上部环形径向槽（6），该上部环形径向槽（6）和四个上部轴向槽（51）贯通且交叉形成上、下两层各四个定子磁极；下部定子（8）上也设有四个下部轴向槽（111）和一个下部环形径向槽（12），形成下部定子（10）的上、下两层各四个定子磁极；上部定子的上层磁极（21）上绕有上部轴向控制线圈（31），上部定子的下层磁极（22）上绕有上部径向控制线圈（41），下部定子的上层磁极（81）上绕有下部径向控制线圈（91），下部定子的下层磁极（102）上绕有下...

【专利技术属性】
技术研发人员：张维煜，陈涛，朱熀秋，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32