[發(fā)明專利]一種永磁偏置低功耗球形磁懸浮軸承裝置

有效

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• 申請日: 2017-04-20
• 公開（公告）號: CN106931035B
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓邦成;鄭世強(qiáng);李海濤;王坤;樂韻
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: F16C32/04
• 分類號: F16C32/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明;顧煒

本發(fā)明公開了一種永磁偏置低功耗球形磁懸浮軸承裝置，可作為動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)、萬向動(dòng)量輪等系統(tǒng)的多自由度無接觸支承裝置，主要由上永磁偏置低功耗磁軸承、下永磁偏置低功耗磁軸承、位置傳感器、輔助軸承、軸承座、磁懸浮轉(zhuǎn)子及軸座等部件組成。由永磁偏置低功耗磁軸承裝置中心向外依次為軸座、上永磁偏置低功耗磁軸承、下永磁偏置低功耗磁軸承、位置傳感器和輔助軸承，在輔助軸承外側(cè)為軸承座，磁懸浮轉(zhuǎn)子處于整個(gè)裝置的外側(cè)。磁懸浮轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面與上、下磁軸承外表面為同心球面，通過控制系統(tǒng)保持磁懸浮轉(zhuǎn)子的中心位置不變，并保證磁懸浮轉(zhuǎn)子具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。本發(fā)明通過永磁體提高偏置磁場。本發(fā)明具有功耗低、可靠性高和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及磁懸浮軸承的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種永磁偏置低功耗球形磁懸浮軸承裝置，可作為空間動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)、三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)、機(jī)器人關(guān)節(jié)、萬向動(dòng)量輪等系統(tǒng)的多自由度無接觸支承裝置。

背景技術(shù)

空間動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)、機(jī)器人關(guān)節(jié)、三軸轉(zhuǎn)臺(tái)、萬向動(dòng)量輪等裝置都要求具有多自由度運(yùn)動(dòng)能力，為減小這些裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、體積和重量，并提高其使用壽命和可靠性(特別是工作在空間環(huán)境下的裝置)，所以迫切需求多自由度支承系統(tǒng)，尤其是球形支承機(jī)構(gòu)。另外，球形電機(jī)技術(shù)的進(jìn)步及其應(yīng)用也受到了球形支承技術(shù)的限制。通過機(jī)械接觸方式實(shí)現(xiàn)球形支承機(jī)構(gòu)存在的主要缺點(diǎn)有機(jī)械零件加工制造困難，機(jī)械安裝復(fù)雜，存在運(yùn)動(dòng)干涉，體積大，需要潤滑，由于存在摩擦和磨損而壽命短，可靠性較差。而球形氣浮軸承存在氣浮軸承的間隙大、剛度不可控、占用空間大(需要?dú)庠矗绫梅炕驓馄?和噪聲大等缺點(diǎn)，且主要應(yīng)用于三自由度航天器仿真裝置。而球形磁懸浮裝置與其相比，實(shí)現(xiàn)了無接觸支承，無需潤滑和密封，軸承間隙小，其剛度主動(dòng)可控，無振動(dòng)、噪聲小。另外，還不需氣源等附加裝置，并可應(yīng)用于空間環(huán)境，對各種惡劣環(huán)境有很好的適應(yīng)性。目前有的大型航天器姿態(tài)機(jī)動(dòng)裝置中應(yīng)用于球形磁懸浮軸承裝置，美國專利號：No.4785212,1988結(jié)構(gòu)的大角度磁懸浮裝置，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造和加工難度大等缺點(diǎn)，而且只應(yīng)用于大型航天器的姿態(tài)控制；美國專利號：No.6351049,2002結(jié)構(gòu)的球連形磁軸承，存在耦合問題的將導(dǎo)致控制難度大和穩(wěn)定差，定子鐵心采用實(shí)心鐵磁性材料，將導(dǎo)致?lián)p耗大，且沒有保護(hù)軸承和非接觸位移傳感器等裝置；由于存在上述缺陷，故現(xiàn)有的球形磁懸浮軸承裝置存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗大、成本高和控制難度大等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種功耗低、質(zhì)量輕、運(yùn)動(dòng)范圍大，而且可靠性高、使用壽命長和不存在化學(xué)污染的球形磁懸浮軸承裝置。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：一種永磁偏置低功耗球形磁懸浮軸承裝置，由靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分組成，靜止部分包括上永磁偏置低功耗磁軸承的靜止部分、下永磁偏置低功耗磁軸承的靜止部分、輔助軸承、位置傳感器、軸承座、軸座和鎖緊螺母；轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括磁懸浮轉(zhuǎn)子。軸座外于永磁偏置低功耗球形磁懸浮軸承裝置的中部，由軸座中部向外分別為上永磁偏置低功耗磁軸承的靜止部分、下永磁偏置低功耗磁軸承的靜止部分、位置傳感器、輔助軸承和鎖緊螺母，在輔助軸承外側(cè)為軸承座。上永磁偏置低功耗磁軸承的靜止部分和下永磁偏置低功耗磁軸承的靜止部分和位置傳感器分別與軸座相連接，輔助軸承通過鎖緊螺母固定在軸座上，軸承座與輔助軸承連接，磁懸浮轉(zhuǎn)子處于整個(gè)裝置外側(cè)，軸承座與磁懸浮轉(zhuǎn)子之間形成保護(hù)間隙。磁懸浮轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面與上永磁偏置低功耗磁軸承定子磁極外表面、下永磁偏置低功耗磁軸承定子磁極外表面和位置傳感器探頭表面為同心球面。位置傳感器輸出的電信號與外加控制器的輸入端相連，該控制器的輸出端分別與上永磁偏置低功耗磁軸承和下永磁偏置低功耗磁軸承的激磁線圈相連接，形成電的閉環(huán)回路，通過控制器保持磁懸浮轉(zhuǎn)子的中心位置不變，并保證磁懸浮轉(zhuǎn)子具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。

其中，所述的上永磁偏置低功耗磁軸承和下永磁偏置低功耗磁軸承均為非機(jī)械接觸的磁懸浮軸承，同時(shí)為磁懸浮轉(zhuǎn)子提供徑向支承和軸向支承作用，省去了普通的軸向磁軸承。

其中，所述的非機(jī)械接觸的磁懸浮軸承為永磁偏置、電磁控制的主動(dòng)式磁懸浮軸承。