專利名稱：一種雙永磁體外轉(zhuǎn)子永磁偏置徑向磁軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非接觸磁懸浮軸承，特別是一種補(bǔ)償剩磁矩的雙永磁體外轉(zhuǎn)子永 磁偏置徑向磁軸承，可作為空間用磁懸浮飛輪等旋轉(zhuǎn)部件的無(wú)接觸支撐，降低其自身剩磁 對(duì)外界部件的磁干擾。
背景技術(shù)：
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)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?？臻g用磁懸浮飛輪采用磁軸承 支承，由于克服了傳統(tǒng)機(jī)械軸承飛輪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，剩磁矩是衡量衛(wèi)星及其部件磁性大小的指標(biāo)之 一，也是衛(wèi)星姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)一磁懸浮飛輪磁性大小的重要指標(biāo)之一，特別是對(duì)于近地 軌道衛(wèi)星，由于地磁場(chǎng)的影響，如果衛(wèi)星及其部件因?yàn)槟承┰蚨鴼埩糨^大的剩磁矩，則一 方面使得整星剩磁矩會(huì)與地磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生干擾力矩，影響衛(wèi)星的姿態(tài)控制精度；另一 方面星體某一部件的剩磁矩可能會(huì)對(duì)衛(wèi)星的其他部件產(chǎn)生干擾，如影響磁強(qiáng)計(jì)的測(cè)量精度 等。因此在衛(wèi)星的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中，為減小衛(wèi)星內(nèi)部各磁部件之間的干擾，應(yīng)對(duì)衛(wèi)星的每個(gè) 磁部件都有剩磁矩的要求。經(jīng)過(guò)分析表明，磁懸浮飛輪中產(chǎn)生剩磁矩的磁源主要有永磁體、軟磁材料和通 電線圈，且永磁體產(chǎn)生的磁矩是整個(gè)磁懸浮飛輪剩磁矩的主要磁源，現(xiàn)有的授權(quán)專利 ZL200710098750. 7提出的磁懸浮飛輪結(jié)構(gòu)，給出了一種軸向長(zhǎng)度短的外轉(zhuǎn)子磁懸浮飛輪， 其采用的是ZL200510011270. 3的外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承結(jié)構(gòu)，由于飛輪系統(tǒng)中的電機(jī)永磁體 是徑向交替對(duì)稱充磁，軸向磁軸承是成對(duì)使用而可以使得永磁體對(duì)稱使用，因此兩者的永 磁剩磁矩可近似至0，唯有徑向磁軸承由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用一個(gè)永磁體圓環(huán)產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，為 非對(duì)稱永磁體結(jié)構(gòu)，因此會(huì)產(chǎn)生較大的剩磁矩，從而會(huì)對(duì)其他部件產(chǎn)生磁干擾。現(xiàn)有的剩磁 矩補(bǔ)償方法很少，主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)出剩磁矩，通過(guò)飛輪中的磁力矩器根據(jù)在軌道 中的磁性狀況進(jìn)行磁補(bǔ)償?shù)姆椒?，這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)十分復(fù)雜，另有一種方法是通過(guò)外加 永磁體的方式進(jìn)行補(bǔ)償，這種方法依然是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行外加永磁體 的補(bǔ)償，這種方法所加永磁體的大小沒有規(guī)律可循，而且外加永磁體增加了飛輪等裝置的 體積，并且外加永磁體對(duì)飛輪等裝置的導(dǎo)磁轉(zhuǎn)動(dòng)部分在高速下帶來(lái)了不可預(yù)知的損耗，影 響整機(jī)磁性能的穩(wěn)定性。鑒于上述原因，現(xiàn)有的徑向磁軸承存在軸向方向剩磁矩大且現(xiàn)有 補(bǔ)償方法十分復(fù)雜并會(huì)增加裝置體積等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
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，提供一種低剩磁矩的的永磁偏 置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，以減小期自身對(duì)外界的磁干擾。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種雙永磁體外轉(zhuǎn)子永磁偏置徑向磁軸承，由外導(dǎo)磁 環(huán)、外永磁體、定子鐵心、激磁線圈、內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)、內(nèi)永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心組成，每個(gè)定子鐵心組 成4個(gè)磁極，2個(gè)定子鐵心組成磁軸承左右兩端8個(gè)磁極，分別組成X、Y軸正負(fù)方向的磁極， 每個(gè)定子磁極繞制有激磁線圈，定子鐵心外部為轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)子鐵心外部為外導(dǎo)磁環(huán)，外永 磁體位于兩個(gè)外導(dǎo)磁環(huán)之間，轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)表面與定子鐵心外表面留有一定的間隙，形成空 氣隙，定子鐵心的徑向內(nèi)部為內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)，內(nèi)永磁體位于兩個(gè)內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)之間，其中外永磁體為 補(bǔ)償剩磁矩的永磁體，內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)、內(nèi)永磁體、定子鐵心以及激磁線圈構(gòu)成了補(bǔ)償剩磁矩雙永 磁體外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的靜止部分，轉(zhuǎn)子鐵心、外導(dǎo)磁環(huán)以及外永磁體構(gòu)成了補(bǔ)償剩磁矩 雙永磁體外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)部分。所述的外永磁體的體積與內(nèi)永磁體的體積相等，且其充磁方向與內(nèi)永磁體的充磁 方向相反；內(nèi)永磁體和外永磁體采用稀土永磁材料或鐵氧體永磁材料制成；內(nèi)永磁體和外 永磁體為軸向圓環(huán)，沿軸向充磁。所述的定子鐵心的磁極可采用極靴形式以減小高速下的渦流損耗。所述的外導(dǎo)磁環(huán)和內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)均采用導(dǎo)磁性能良好的材料制成，如電工純鐵、1J50 或硅鋼等任意一種制成。上述方案的原理是內(nèi)永磁體和外永磁體反向串聯(lián)，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，激磁線圈所產(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)明的永磁磁路為磁通從 內(nèi)永磁體N極出發(fā)，通過(guò)一端內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)、定子鐵心、氣隙、轉(zhuǎn)子鐵心、外導(dǎo)磁環(huán)、外永磁體的S 極到外永磁體的N極、另一端的外導(dǎo)磁環(huán)、轉(zhuǎn)子鐵心、氣隙、定子鐵心、另一端的內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)回 到內(nèi)永磁體S極，形成磁懸浮軸承的主磁路，如圖1所示。以某端Y軸正方向激磁線圈電流 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，如圖2所示。永磁體、軟磁材料和通電線圈會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與空間磁場(chǎng)相互作用，會(huì)產(chǎn)生對(duì) 航天器的干擾力矩。此干擾力矩可表示為M = \m\ = \Px b\ = pb sin β其中戶即為剩磁矩，云為航天器所在高度處的環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度，β為環(huán)境磁場(chǎng)與磁矩 的夾角。通電線圈的磁矩為戶二/χ及(/:線圈中的電流，左線圈面積)，方向滿足右手螺旋定 則。由于磁軸承線圈的通電往往都是相反方向的，經(jīng)過(guò)分析可得，每對(duì)控制線圈中的2個(gè)線 圈磁矩大小相等，方向相反，所以對(duì)外表現(xiàn)的合成磁矩為0。對(duì)于軟磁材料來(lái)說(shuō)，磁矩為永磁 磁場(chǎng)所激勵(lì)的磁環(huán)分子電流磁矩的矢量合，由于軟磁材料中的磁路為周向均勻分布，所以
理論上對(duì)外表現(xiàn)的磁矩矢量為零。對(duì)于永磁體而言，其磁矩表達(dá)式為|^| =凡*廠(He為永
磁體的矯頑力，V為永磁體的體積)，方向?yàn)橛来朋w的充磁方向。對(duì)于磁懸浮飛輪系統(tǒng)用磁軸承結(jié)構(gòu)，由于電機(jī)的永磁體是徑向交替對(duì)稱充磁，軸向磁軸承是成對(duì)使用而可以使得永 磁體對(duì)稱使用，因此兩者的永磁剩磁矩可近似至0，唯有徑向磁軸承由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用一個(gè) 永磁體圓環(huán)產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，因此其剩磁矩方向沿永磁體的充磁方向，對(duì)外表現(xiàn)一個(gè)較大的 軸向磁矩分量，大小與永磁體體積有關(guān)，所以為了補(bǔ)償徑向磁軸承產(chǎn)生的軸向磁矩分量，本 發(fā)明采用的是在轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)中加入與徑向磁軸承定子永磁體體積相等、充磁方向相反的永 磁體，利用其充磁方向相反、永磁體磁矩大小相等的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)剩磁矩補(bǔ)償?shù)哪康?。綜上所述，磁軸承磁矩大小與永磁體體積成正比，方向與永磁體充磁方向一致，因 此內(nèi)永磁體的充磁方向與外永磁體的充磁方向一定要相反，同時(shí)要保證內(nèi)永磁體的體積與 外永磁體體積相等。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明利用現(xiàn)有外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的外導(dǎo)磁 環(huán)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)有外永磁體，使其充磁方向與內(nèi)永磁體方向相反，同時(shí)體積與內(nèi)永磁體體 積相等實(shí)現(xiàn)了降低徑向磁軸承剩磁矩的目的，整體體積沒有增加，安裝簡(jiǎn)單可靠，克服了現(xiàn) 有飛輪中的磁力矩器根據(jù)在軌道中的磁性狀況進(jìn)行磁補(bǔ)償?shù)姆椒◤?fù)雜的缺陷以及剩磁矩 補(bǔ)償通過(guò)外加永磁體增加體積的缺陷。


圖1為本發(fā)明技術(shù)解決方案的補(bǔ)償剩磁矩的雙永磁體外轉(zhuǎn)子永磁偏置徑向磁軸 承軸向截面圖；圖2為本發(fā)明技術(shù)解決方案的補(bǔ)償剩磁矩的雙永磁體外轉(zhuǎn)子永磁偏置徑向磁軸 承軸向端面圖。
具體實(shí)施例方式如圖1、2所示，一種雙永磁體外轉(zhuǎn)子永磁偏置徑向磁軸承，由外導(dǎo)磁環(huán)1、外永磁 體8、定子鐵心3、激磁線圈4、內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)5、內(nèi)永磁體2和轉(zhuǎn)子鐵心6組成，每個(gè)定子鐵心3組 成4個(gè)磁極，2個(gè)定子鐵心3組成磁軸承左右兩端8個(gè)磁極，分別組成X、Y軸正負(fù)方向的磁 極，每個(gè)定子磁極繞制有激磁線圈4，定子鐵心3外部為轉(zhuǎn)子鐵心6，轉(zhuǎn)子鐵心6外部為外導(dǎo) 磁環(huán)1，外永磁體8位于兩個(gè)外導(dǎo)磁環(huán)1之間，轉(zhuǎn)子鐵心6內(nèi)表面與定子鐵心3外表面留有 一定的間隙，形成空氣隙7，定子鐵心3的徑向內(nèi)部為內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)5，內(nèi)永磁體2位于兩個(gè)內(nèi)導(dǎo) 磁環(huán)5之間。在某衛(wèi)星試驗(yàn)中心的大型零磁場(chǎng)環(huán)境磁實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了補(bǔ)償剩磁矩的 效果，如果采用一個(gè)永磁體(稱為單永磁體徑向磁軸承結(jié)構(gòu))，測(cè)試得到的徑向磁軸承剩磁 矩的軸向分量大小為1.4，整個(gè)徑向磁軸承剩磁矩為1.41 ；采用本發(fā)明所述的雙磁體徑向 磁軸承結(jié)構(gòu)，剩磁矩的軸向分量減小至0. 27，整個(gè)徑向磁軸承的剩磁矩為0. 27。由此可見， 采用雙永磁體結(jié)構(gòu)的外轉(zhuǎn)子永磁偏置磁軸承結(jié)構(gòu)可大大降低其剩磁矩，從而減小了對(duì)其他 部件的磁干擾。上述本發(fā)明技術(shù)方案所用的外導(dǎo)磁環(huán)1、內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)5均用導(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3、轉(zhuǎn) 子鐵心6可用導(dǎo)磁性能良好的電工薄鋼板如電工純鐵、電工硅鋼板DR510、DR470、DW350、 1J50和1J79等磁性材料沖壓迭制而成。內(nèi)永磁體2和外永磁體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，內(nèi)永磁體2和外永磁體8為軸向圓環(huán)，沿軸向充磁，且內(nèi)永磁體2與外永磁體8的充磁方向相反，并且保證體積相等。激磁線圈4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3的磁極應(yīng)采用極靴形式以減小高速下的渦流損耗。
本發(fā)明說(shuō)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
一種雙永磁體外轉(zhuǎn)子永磁偏置徑向磁軸承，其特征在于由外導(dǎo)磁環(huán)(1)、外永磁體(8)、定子鐵心(3)、激磁線圈(4)、內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)(5)、內(nèi)永磁體(2)和轉(zhuǎn)子鐵心(6)組成，每個(gè)定子鐵心(3)組成4個(gè)磁極，2個(gè)定子鐵心(3)組成磁軸承左右兩端8個(gè)磁極，分別組成X、Y軸正負(fù)方向的磁極，每個(gè)定子磁極繞制有激磁線圈(4)，定子鐵心(3)外部為轉(zhuǎn)子鐵心(6)，轉(zhuǎn)子鐵心(6)外部為外導(dǎo)磁環(huán)(1)，外永磁體(8)位于兩個(gè)外導(dǎo)磁環(huán)(1)之間，轉(zhuǎn)子鐵心(6)內(nèi)表面與定子鐵心(3)外表面留有一定的間隙，形成空氣隙(7)，定子鐵心(3)的徑向內(nèi)部為內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)(5)，內(nèi)永磁體(2)位于兩個(gè)內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)(5)之間，外永磁體(8)為補(bǔ)償永磁體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙永磁體外轉(zhuǎn)子永磁偏置徑向磁軸承，其特征在于所述的 外永磁體⑶的體積與內(nèi)永磁體⑵的體積相等，且其充磁方向與內(nèi)永磁體⑵的充磁方 向相反。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙永磁體外轉(zhuǎn)子永磁偏置徑向磁軸承，其特征在于所述的 內(nèi)永磁體(2)和外永磁體(8)采用稀土永磁材料或鐵氧體永磁材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙永磁體內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁偏置徑向磁軸承，其特征在于所述的 定子鐵心(3)的磁極可采用極靴形式以減小高速下的渦流損耗。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙永磁體外轉(zhuǎn)子永磁偏置徑向磁軸承，其特征在于所述的 外導(dǎo)磁環(huán)(1)和內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)(5)均采用導(dǎo)磁性能良好的材料制成，如電工純鐵、1J50或硅鋼的 任意一種制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙永磁體外轉(zhuǎn)子永磁偏置徑向磁軸承，其特征在于所述的 內(nèi)永磁體(2)和外永磁體(8)為軸向圓環(huán)，沿軸向充磁。
全文摘要
一種雙永磁體外轉(zhuǎn)子永磁偏置徑向磁軸承，由外導(dǎo)磁環(huán)、外永磁體、定子鐵心、激磁線圈、內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)、內(nèi)永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心組成，每個(gè)定子鐵心組成4個(gè)磁極，2個(gè)定子鐵心組成磁軸承左右兩端8個(gè)磁極，分別組成X、Y軸正負(fù)方向的磁極，每個(gè)定子磁極繞制有激磁線圈，定子鐵心外部是轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)子鐵心外面是外導(dǎo)磁環(huán)，外永磁體位于外導(dǎo)磁環(huán)之間，外導(dǎo)磁環(huán)與轉(zhuǎn)子鐵心相連，轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)表面與定子鐵心外表面留有一定的間隙，形成空氣隙，內(nèi)永磁體位于內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)之間，本發(fā)明解決了現(xiàn)有空間用永磁偏置外轉(zhuǎn)子徑向磁軸承剩磁矩大的問(wèn)題。
文檔編號(hào)F16C32/04GK101994761SQ201010531919
公開日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2010年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月17日
發(fā)明者樂(lè)韻, 劉剛, 孫津濟(jì), 房建成, 湯繼強(qiáng), 王曦 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)