一種外轉子徑向球面純電磁磁軸承的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種非接觸磁懸浮軸承，尤其涉及一種外轉子徑向球面純電磁磁軸承。
【背景技術】
[0002]隨著航天技術的發(fā)展，航天器平臺對姿控精度要求越來越高，傳動機械動量輪逐漸顯現(xiàn)不足。磁懸浮飛輪采用磁軸承技術，消除了機械摩擦磨損，克服了高速轉子對姿控系統(tǒng)的振動干擾，大幅提高了控制力矩精度和穩(wěn)定度，其力矩精度可達KT5Nm量級，高于機械飛輪兩個數(shù)量級。磁懸浮飛輪在轉速方面的優(yōu)勢，使其既能用于反作用飛輪，又能用于偏置動量輪，進一步提高轉速還可用于姿控儲能兩用飛輪。對于五自由度全主動控制磁懸浮飛輪，還能用于陀螺飛輪，能瞬間輸出較大的陀螺控制力矩。現(xiàn)有磁懸浮飛輪結構中，一般采用單自由度軸向磁軸承+兩個兩自由度徑向磁軸承，或三自由度軸向磁軸承+ —個兩自由度徑向磁軸承結構。無論采用哪種結構方案，在滿足承載力的條件下，軸向磁軸承在徑向方向的跨距和徑向磁軸承在軸向方向的跨距均較大。當轉子發(fā)生平動時，磁軸承磁極處的氣隙較均勻不會相對轉軸產(chǎn)生扭動力矩。但當轉子發(fā)生偏轉時，磁軸承定、轉子間的磁氣隙不均勻，導致磁極面內的電磁力不均勻，從而產(chǎn)生相對轉子質心的扭轉力矩，即平動控制對扭動控制產(chǎn)生干擾力矩。例如專利200510011270.3所述的外轉子永磁偏置徑向磁軸承和專利201010531919.5所述的雙永磁體外轉子永磁偏置徑向磁軸承的磁極面為柱面，磁軸承發(fā)生偏轉時，定、轉子間存在不均勻氣隙，從而產(chǎn)生較大的扭轉負力矩，增加了飛輪扭轉軸承的負載。專利申請?zhí)?01410649592.X和201410648120.2所述的永磁偏置球面磁軸承采用球面磁極，避免了因轉子偏轉導致氣隙不均勻，且轉子所受電磁力始終經(jīng)過球心。當飛輪轉子質心與球心完全重合時，飛輪轉子所受電磁力始終經(jīng)過球心，消除了飛輪轉子平動控制對扭動控制的干擾?？紤]外轉子球面磁軸承的裝配關系，磁軸承轉子內球面在徑向平面內的投影圓半徑必須大于定子球面磁極球面半徑。裝配過程中，磁軸承定、轉子間的最小間隙為平衡位置氣隙的1/20。由于永磁磁場的存在，過小的氣隙會導致在磁軸承定、轉子間產(chǎn)生很大的吸力，給裝配帶來很大的不便。此外，現(xiàn)有永磁偏置球面磁軸承徑向四個通道之間存在相互耦合，徑向四個通道內電磁力之間存在耦合力，從而降低了飛輪轉子的控制精度和控制力矩精度。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種兩自由度徑向四通道解耦的外轉子徑向球面純電磁磁軸承，可作為磁懸浮飛輪等航天器慣性執(zhí)行機構中轉子部件的無接觸支撐。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
[0005]本發(fā)明的外轉子徑向球面純電磁磁軸承，包括定子系統(tǒng)和轉子系統(tǒng)兩部分；
[0006]定子系統(tǒng)主要包括:左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心、后V形球面定子鐵心、激磁線圈、上壓環(huán)、下壓環(huán)、上定子鎖母、下定子鎖母和定子套筒；
[0007]轉子系統(tǒng)主要包括:球面轉子疊片、轉子套筒和轉子鎖母；
[0008]左V形球面定子鐵心組成兩個磁極，右V形球面定子鐵心組成兩個磁極，前V形球面定子鐵心組成兩個磁極，后V形球面定子鐵心組成兩個磁極，共組成磁軸承左右前后8個磁極，分別組成X、Y軸正負方向的磁極，每個定子磁極繞制有激磁線圈；
[0009]左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心、后V形球面定子鐵心、上壓環(huán)、下壓環(huán)、上定子鎖母和下定子鎖母均位于定子套筒徑向外側，左V形球面定子鐵心位于定子套筒左端徑向外側，右V形球面定子鐵心位于定子套筒右端徑向外側，前V形球面定子鐵心位于定子套筒前端徑向外側，后V形球面定子鐵心位于定子套筒后端徑向外側，上壓環(huán)和下壓環(huán)分別位于左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心和后V形球面定子鐵心的上端和下端，并通過上壓環(huán)的環(huán)形槽和下壓環(huán)的環(huán)形槽限制左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心和后V形球面定子鐵心徑向平動，上定子鎖母位于上壓環(huán)上端和定子套筒徑向外側，下定子鎖母位于下壓環(huán)下端和定子套筒徑向外側，上定子鎖母和下定子鎖母通過與定子套筒的螺紋配合將左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心、后V形球面定子鐵心、上壓環(huán)和下壓環(huán)固定安裝在定子套筒上，球面轉子疊片位于轉子套筒徑向內側，并通過轉子鎖母固定安裝在轉子套筒上，球面轉子疊片內球面與左V形球面定子鐵心外球面、右V形球面定子鐵心外球面、前V形球面定子鐵心外球面和后V形球面定子鐵心外球面留有一定的間隙，形成空氣氣隙。
[0010]由上述本發(fā)明提供的技術方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的外轉子徑向球面純電磁磁軸承，由于采用了球面磁極，與現(xiàn)有柱面磁極的磁軸承相比，避免了徑向平動控制對扭動控制的干擾，提高了磁懸浮飛輪控制精度和輸出力矩精度，與永磁偏置球面磁軸承相比，斷電狀態(tài)下，磁軸承內沒有磁場，定轉子間無吸力，非常有利于磁軸承裝配。此外，磁軸承徑向四個通道間的磁路完全解耦，具有很好的控制性能和控制精度。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明實施例中外轉子徑向球面純電磁磁軸承的軸向局部剖視圖；
[0012]圖2為本發(fā)明實施例中外轉子徑向球面純電磁磁軸承的徑向剖視圖；
[0013]圖3a為本發(fā)明實施例中的定子系統(tǒng)的剖視圖；
[0014]圖3b為本發(fā)明實施例中的定子系統(tǒng)的三維結構示意圖；
[0015]圖4為本發(fā)明實施例中的轉子系統(tǒng)的剖視圖；
[0016]圖5a為本發(fā)明實施例中的左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心和后V形球面定子鐵心的剖視圖；
[0017]圖5b為本發(fā)明實施例中的左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心和后V形球面定子鐵心的三維結構示意圖；
[0018]圖6a為本發(fā)明實施例中的球面轉子疊片的剖視圖；
[0019]圖6b為本發(fā)明實施例中的球面轉子疊片的三維結構示意圖；
[0020]圖7a為本發(fā)明實施例中的定子套筒的剖視圖；
[0021]圖7b為本發(fā)明實施例中的定子套筒的三維結構示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面將對本發(fā)明實施例作進一步地詳細描述。
[0023]本發(fā)明的外轉子徑向球面純電磁磁軸承，其較佳的【具體實施方式】是:
[0024]包括定子系統(tǒng)和轉子系統(tǒng)兩部分；
[0025]定子系統(tǒng)主要包括:左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心、后V形球面定子鐵心、激磁線圈、上壓環(huán)、下壓環(huán)、上定子鎖母、下定子鎖母和定子套筒；
[0026]轉子系統(tǒng)主要包括:球面轉子疊片、轉子套筒和轉子鎖母；
[0027]左V形球面定子鐵心組成兩個磁極，右V形球面定子鐵心組成兩個磁極，前V形球面定子鐵心組成兩個磁極，后V形球面定子鐵心組成兩個磁極，共組成磁軸承左右前后8個磁極，分別組成X、Y軸正負方向的磁極，每個定子磁極繞制有激磁線圈；
[0028]左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心、后V形球面定子鐵心、上壓環(huán)、下壓環(huán)、上定子鎖母和下定子鎖母均位于定子套筒徑向外側，左V形球面定子鐵心位于定子套筒左端徑向外側，右V形球面定子鐵心位于定子套筒右端徑向外側，前V形球面定子鐵心位于定子套筒前端徑向外側，后V形球面定子鐵心位于定子套筒后端徑向外側，上壓環(huán)和下壓環(huán)分別位于左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心和后V形球面定子鐵心的上端和下端，并通過上壓環(huán)的環(huán)形槽和下壓環(huán)的環(huán)形槽限制左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心和后V形球面定子鐵心徑向平動，上定子鎖母位于上壓環(huán)上端和定子套筒徑向外側，下定子鎖母位于下壓環(huán)下端和定子套筒徑向外側，上定子鎖母和下定子鎖母通過與定子套筒的螺紋配合將左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心、后V形球面定子鐵心、上壓環(huán)和下壓環(huán)固定安裝在定子套筒上，球面轉子疊片位于轉子套筒徑向內側，并通過轉子鎖母固定安裝在轉子套筒上，球面轉子疊片內球面與左V形球面定子鐵心外球面、右V形球面定子鐵心外球面、前V形球面定子鐵心外球面和后V形球面定子鐵心外球面留有一定的間隙，形成空氣氣隙。
[0029]所述的左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心和后V形球面定子鐵心均為1J22導磁塊材材料。所述的左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心和后V形球面定子鐵心球面磁極的外球面半徑相等，且球心完全重合。所述的左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心和后V形球面定子鐵心球面磁極均采用極靴形式以減小高轉速下的渦流損耗和等效阻力矩。所述的球面轉子疊片為1J22導磁疊片材料，疊片厚度為0.1_，其疊片方向為橫向。所述的左V形球面定子鐵心、右V形球面定子鐵心、前V形球面定子鐵心和后V形球面定子鐵心球面磁極的外球面半徑小于球面轉子疊片內球面在徑向截面內的最小半徑。
[0030]本發(fā)明的外轉子徑向球面純電磁磁軸承，便于裝配、無扭轉負力矩、徑向四通道完全解親、兩自由度。其原理是:
[0031]激磁線圈內的偏置電流提供偏置磁場，激磁線圈內的控制電流產(chǎn)生的控制磁場與偏置磁場正向/反向疊加，保持磁軸承各磁極面處氣隙均勻，實現(xiàn)轉子的無接觸懸浮支承。如圖1所示，本發(fā)明的徑向+X通道的電磁磁路為:磁通從左V形球面定子鐵心上磁極面出發(fā)，通過氣隙、球面轉子疊片、氣隙、左V形球面定子鐵心下磁極面回到左V形球面定子鐵心上磁極面；徑向-X通道的電磁磁路為:磁通從右V形球面定子鐵心上磁極面出發(fā)，通過氣隙、球面轉子疊片、氣隙、右V形球面定子鐵心下磁極面回到右V形球面定子鐵心上磁極面；徑向+Y通道的電磁磁路為:磁通從前V形球面定子鐵心右磁極面出發(fā)，通過氣隙、球面轉子疊片、氣隙、前V形球面定子鐵心左磁極面回到前V形球面定子鐵心右磁極面；徑向-Y通道的電磁磁路為:磁通從后V形球面定子鐵心右磁極面出發(fā)，通過氣隙、球面轉子疊片、氣隙、后V形球面定子鐵心左磁極面回到后V形球面定子鐵心右磁極面。
[0032]磁軸承轉子處于平衡位置時，8個球面磁極處的氣隙完全相等，各球面磁極處的電磁吸力大小相等，轉子所受合外力和合力矩為零。當磁軸承轉子發(fā)生偏轉時，各磁極處氣隙不均勻，導致轉子各磁極面的磁力不相等，但都指向球面轉子疊片內球面的球心。如果飛輪轉子質心與球面轉子疊片球面的球心重合，各磁極處的電磁力對飛輪轉子產(chǎn)生的合力矩為零，即轉子處于氣隙內任何位置，磁軸承都不會產(chǎn)生徑向扭動干擾力矩。此外，徑向四個通道的磁路完全解耦，即+X、-X、+Y和-Y完全解耦，各通道獨立控