[發明專利]一種垂直線圈徑向均勻磁極低損耗外轉子混合磁軸承

有效

• 申請號: 200910043957.3
• 申請日: 2009-07-24
• 公開（公告）號: CN101608670A
• 公開（公告）日: 2009-12-23
• 發明（設計）人: 劉昆;張育林;肖凱;單小強;程謀森;吳剛
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: F16C32/04
• 分類號: F16C32/04
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司
• 代理人: 陳立武

所屬技術領域

本發明涉及一種非接觸磁懸浮軸承，特別是一種垂直線圈徑向均勻磁極低損耗外轉子混合磁軸承，可以作為旋轉部件的無接觸支撐，特別是衛星姿態控制磁懸浮飛輪、儲能飛輪的無接觸支撐。

背景技術

主動磁軸承的損耗是一個重要的綜合指標，直接影響到磁軸承的應用。主動磁軸承可分為電磁軸承和永磁偏置加電磁控制的混合磁軸承，前者必須在電磁線圈中設定偏置電流來給磁軸承提供工作點，因此控制電流大，功耗大；永磁偏置加電磁控制的混合磁軸承，永磁體提供了磁路的主要磁通和偏置工作點磁場，電磁線圈提供磁路的調節磁通，按一定控制律使轉子處于平衡位置，因而可以顯著減小控制電流，降低功耗，因而特別適合于對功耗要求高的空間用飛輪等應用場合。但目前的永磁偏置徑向混合磁軸承采用的磁極結構，線圈鐵心與工作磁極采用一體結構，磁極在圓周方向是彼此分割開的，因此，其徑向磁場沿圓周方向是交替變化的，導致轉子在高速旋轉時，通過轉子鐵心圓周面的磁通按轉速的N倍頻(N等于磁極數)周期性變化，由此帶來的渦流損耗不可忽略，而轉子鐵心的疊片結構只能在一定程度上減小渦流損耗。盡管進一步減小轉子鐵心的疊片厚度可以顯著降低渦流損耗，但會帶來磁軸承的支撐強度問題。因此，對高速飛輪轉子，目前的混合磁軸承還存在明顯的技術缺點：一方面，轉子鐵心的渦流將產生明顯的阻滯力矩，在姿態控制用磁懸浮飛輪等航天應用場合，將會顯著增加驅動電機的功耗，并影響衛星姿態控制的穩定度和精度；另一方面，為降低風阻損耗，高速轉子要封閉在高真空的殼體內，這時的渦流損耗還將帶來轉子散熱設計的困難。此外，目前的混合磁軸承線圈鐵心與工作磁極采用一體結構，還存在結構復雜，不能充分利用磁極的圓周面積等缺點。

發明內容

本發明要解決的技術問題是，克服現有技術的不足，提供一種采用垂直線圈徑向均勻磁極低損耗永磁偏置外轉子混合磁軸承，將磁軸承通常相互分割開的磁極在外邊緣相連為一整體圓環，當轉子處于平衡位置時，工作氣隙的徑向永磁偏置磁場在整個圓周面上是均勻的，從源頭上將轉子運行時的渦流損耗和阻滯力矩降低到最低程度；線圈鐵心與工作磁極采用分體結構，加工和裝配更方便，并使磁極可以充分利用圓周面積，增大其最大承載力。

本發明的技術解決方案是，參見圖1～3所示，一種垂直線圈徑向均勻磁極低損耗外轉子混合磁軸承，其技術特點在于，它由轉子導磁環1和定子2組成。所述轉子導磁環1套在定子2上構成外轉子。該轉子導磁環1由外導磁環12和轉子鐵心11構成，其中轉子鐵心11同軸線套裝在外導磁環12的內腔。所述定子2由定子盤24、上導磁蓋板23、下導磁蓋板27、八個電磁線圈21和定子安裝軸26組成。其中所述上導磁蓋板23、定子盤24、下導磁蓋板27通過四個連接桿25依次連接并套裝在定子安裝軸26上。所述電磁線圈21垂直放置并分別置于定子盤24的上、下兩側。上述定子2的定子盤24由上導磁極板241、磁柱安裝盤242、下導磁極板243和永磁體244組成。其中上導磁極板241、磁柱安裝盤242、下導磁極板243依次層疊，永磁體244嵌入磁柱安裝盤242內；上述定子2的定子盤24的外環面與上述轉子導磁環1的轉子鐵心11的內環面之間具有間隙即工作氣隙3；上述永磁體244、上導磁極板241、下導磁極板243與上述轉子導磁環1和氣隙3構成永磁磁路7；上述線圈鐵心22、上導磁蓋板23、上導磁極板241、氣隙3、轉子導磁環1、下導磁極板243和下導磁蓋板27構成電磁磁路6。該永磁磁路7除了為本發明的磁軸承提供工作點外，還提供轉子軸向運動的被動穩定控制以及轉子繞X軸和Y軸轉動的被動穩定。

如上述本發明的磁軸承的定子盤24的中間部分是磁柱安裝盤242以及一組按磁極位置均勻分布的圓形或扇形柱狀永磁體。該永磁體沿軸向同向充磁。永磁體上下兩端是結構對稱的導磁極板即上導磁極板241與下導磁極板243。每塊導磁極板均勻分割成對稱的四磁極結構。每個磁極與一個電磁控制線圈相連，磁極板平面與線圈鐵心軸線垂直。在磁極板外緣，相鄰磁極之間通過小截面積的導磁體連成一體，四個磁極在外緣處連接成一個整體的圓環。因此，當轉子處于平衡位置時，工作氣隙的徑向永磁偏置磁場在整個圓周面上是均勻的，徑向永磁磁通在轉子鐵心上產生的渦流損耗降低到最低程度。本發明采用疊片結構轉子鐵心，用來進一步降低轉子偏離平衡位置時永磁磁通擾動和線圈控制磁通變化帶來的磁軸承轉子鐵心的渦流損耗。

本發明可以設計為徑向兩軸主動控制混合磁軸承，也可以設計為徑向四軸主動控制混合磁軸承，參見圖4，就是說，可以設計為多個本發明產品的組合形式以供應不同的需求。