[發明專利]一種球形磁懸浮軸承裝置

有效

• 申請號: 201710259999.5
• 申請日: 2017-04-20
• 公開（公告）號: CN107061492B
• 公開（公告）日: 2018-09-04
• 發明（設計）人: 韓邦成;李海濤;鄭世強;周新秀;樂韻
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 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任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

本發明公開了一種球形磁懸浮軸承裝置，可作為動力學仿真平臺、三自由度轉臺、萬向動量輪等系統的三自由度無接觸支承裝置，主要由上磁軸承、下磁軸承、位置傳感器、輔助軸承、輔助軸承座、磁懸浮轉子、軸座及鎖緊螺母等部件組成。由球形磁懸浮軸承裝置中心向外依次為軸座、上磁軸承、下磁軸承、位置傳感器、輔助軸承和鎖緊螺母，在輔助軸承外側為輔助軸承座，磁懸浮轉子處于整個裝置的外側，磁懸浮轉子的內表面與上、下磁軸承外表面和位置傳感器探頭表面為同心球面，通過控制系統保持磁懸浮轉子的中心位置不變，并保證磁懸浮轉子具有三個旋轉自由度。本發明具有運動角度范圍大、結構簡單、成體低、可靠性高和使用壽命長等優點。

技術領域

本發明涉及磁懸浮軸承的技術領域，具體涉及一種球形磁懸浮軸承裝置，可作為空間動力學仿真平臺、三自由度轉臺、機器人關節、萬向動量輪等系統的多自由度無接觸支承裝置。

背景技術

空間動力學仿真平臺、機器人關節、三軸轉臺、萬向動量輪等裝置都要求具有多自由度運動能力，為減小這些裝置的結構復雜性、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境下的裝置)，所以迫切需求多自由度支承系統，尤其是球形支承機構。另外，球形電機技術的進步及其應用也受到了球形支承技術的限制。通過機械接觸方式實現球形支承機構存在的主要缺點有機械零件加工制造困難，機械安裝復雜，存在運動干涉，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(需要氣源，如泵房或氣瓶)和噪聲大等缺點，且主要應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，實現了無接觸支承，無需潤滑和密封，軸承間隙小，其剛度主動可控，無振動、噪聲小。另外，還不需氣源等附加裝置，并可應用于空間環境，對各種惡劣環境有很好的適應性。目前有的大型航天器姿態機動裝置中應用于球形磁懸浮軸承裝置，美國專利號：No.4785212,1988結構的大角度磁懸浮裝置，存在結構復雜、制造和加工難度大等缺點，而且只應用于大型航天器的姿態控制；美國專利號：No.6351049,2002結構的球連形磁軸承，存在耦合問題的將導致控制難度大和穩定差，定子鐵心采用實心鐵磁性材料，將導致損耗大，且沒有保護軸承和非接觸位移傳感器等裝置；由于存在上述缺陷，故現有的球形磁懸浮軸承裝置存在結構復雜、功耗大、成本高和控制難度大等缺點。

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，提供一種結構簡單、運動范圍大，而且可靠性高、使用壽命長和不存在化學污染的球形磁懸浮軸承裝置。

本發明解決上述技術問題采用的技術方案是：一種球形磁懸浮軸承裝置，由靜止和轉動兩部分組成，靜止部分包括上磁軸承的靜止部分、下磁軸承的靜止部分、輔助軸承、位置傳感器、輔助軸承座、軸座和鎖緊螺母；轉動部分包括磁懸浮轉子。軸座外于球形磁懸浮軸承裝置的中部，由軸座中部向外分別為上磁軸承的靜止部分、下磁軸承的靜止部分、位置傳感器、輔助軸承和鎖緊螺母，在輔助軸承外側為輔助軸承座。上磁軸承的靜止部分和下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，輔助軸承座與輔助軸承連接，磁懸浮轉子處于整個裝置外側，輔助軸承座與磁懸浮轉子之間形成保護間隙，磁懸浮轉子的內表面與上磁軸承定子磁極外表面、下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磁軸承和下磁軸承的激磁線圈相連接，形成電的閉環回路，通過控制系統保持磁懸浮轉子的中心位置不變，并保證磁懸浮轉子具有三個旋轉自由度。

其中，所述的上磁軸承和下磁軸承均為非機械接觸的電磁偏置磁懸浮軸承，而且上磁軸承的定子磁極表面和下磁軸承定子磁極表面均為球面四邊形，上磁軸承的定子和下磁軸承定子均由4個磁極對組成，相對球心對稱放置，上磁軸承的定子和下磁軸承定子的鐵心采用導磁性能良好的軟磁材料沖壓迭制而成。

其中，所述的上磁軸承和下磁軸承同時為磁懸浮轉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。