專利名稱：一種水平線圈徑向均勻磁極低損耗外轉子混合磁軸承的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種非接觸磁懸浮軸承，特別是一種水平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，提供一種采用水平線 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 4所示， 一種水平線圈徑向均勻磁極 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山定子盤23、上導磁蓋板21、下導磁蓋板24、八個電磁線圈22和定子安 裝軸25組成。其中所述上導磁蓋板21、定子盤23、下導磁蓋板24通過四個連 接桿26依次連接并套裝在定子安裝軸25上。所述電磁線圈22水平放置并分別 以上導磁蓋板21和下導磁蓋板24為線圈鐵心置于定子盤23的上、下兩側。上 述定子2的定子盤23由上導磁極板231、下導磁極板232、永磁體233和磁柱 安裝盤234組成。其中上導磁極板231、磁柱安裝盤234、下導磁極板232依次 層疊，永磁體233嵌入磁柱安裝盤234內；上述定子2的定子盤23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233、上導磁極板231、下導磁極板232與上述轉子導磁環l和氣隙3構成 永磁磁路7;上述電磁線圈22、上導磁蓋板21、上導磁極板231、氣隙3、轉子 導磁環l、下導磁極板232和下導磁蓋板24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23的中間部分是磁柱安裝盤234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231與下導磁極板232。每塊 導磁極板均勻分割成對稱的四磁極結構。上述導磁蓋板即上導磁蓋板21與下導 磁蓋板24如圖2所示呈十字形，與上述導磁極板對應的十字形導磁蓋板通過連 接桿層疊連接。十字型導磁蓋板的四個分支對應四個磁極，矩形電磁線圈22呈 水平狀態放置，并套裝在上述十字形導磁蓋板的對應分支上，且以此作為線圈 鐵心，其磁極板平面與導磁蓋板平面平行。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。因此，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5，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。
本發明的工作原理是永磁體為外轉子和內定子之間的徑向工作氣隙提供 偏置磁通，產生磁軸承靜態懸浮所需的徑向力。當左右兩側氣隙相等時，相對 的兩磁極產生的徑向力相互抵消，轉子處于平衡位置，當轉子向左有徑向位移 時，左側氣隙減小，因而左側永磁磁通增加而吸力變大，同時右側氣隙變大， 右側永磁磁通減少而吸力變小，結果會使轉子繼續朝左側方向移動。為了克服 這種不平衡，電磁線圈產生電磁磁通與永磁偏置磁通疊加，起到削弱左側氣隙 磁通、加強右側氣隙磁通的作用，從而產生控制力把轉子拉回平衡位置。
當轉子在軸向有位移時，由于轉子和定子之間的磁力線扭曲而產生使軸向
穩定的恢復力，使轉子在軸向獲得被動懸浮。當轉子繞X/Y軸轉動時，在X/Y 軸兩邊的轉子鐵心相對定子磁極在軸向產生相反方向的位移，其軸向力形成一 個恢復力矩，使轉子繞X/Y軸轉動方向獲得被動穩定。
本發明的線圈鐵心與工作磁極采用分體結構，將磁軸承通常相互分割開的 磁極在外邊緣處相連成一整體圓環，由于永磁體在軸向同向充磁，永磁體產生 的磁通在磁極外緣按徑向方向經工作氣間隙進出轉子鐵心。因此，當轉子處于 平衡位置時，工作氣隙的徑向永磁磁通在整個圓周面上是均勻的，因而將轉子 運行時的渦流損耗和阻滯力矩降低到最低程度。電磁線圈產生的磁通在磁極外 緣按徑向方向經工作氣間隙進出轉子鐵心的同時，還有一小部分電磁磁通沿周 向經導磁極板邊緣連接部分進入相鄰磁極，由于連接處截面積較小，因此即便 較小的磁通也產生大的磁通密度，使磁極邊緣連接部分的周向磁路飽和，這樣， 可以保證各磁極的電磁控制磁路耦合效應很小，不會對控制特性產生影響。
本發明的有益效果是，與現有技術相比，其優點在于采用水平線圈徑向
均勻磁極結構，將傳統的相互分割開的磁軸承的磁極在外邊緣連成一個整體的 圓環。當轉子處于平衡位置時，工作氣隙的徑向永磁磁通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了最低程度；本發 明將電磁線圈水平放置，以導磁蓋板為線圈鐵心，與磁極在結構上分開，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。此外， 水平線圈徑向均勻磁極結構更為緊湊，可以有效降低磁軸承的軸向高度，達到 減少磁軸承質量的目的。
圖1為本發明 一個具體實施例的結構示意圖; 圖2為上AF導磁極板的結構示意圖； 圖3為上廠F導磁蓋板的結構示意圖； 圖4為本發明的磁路圖5為多個本發明產品的組合使用參考圖。
以上圖1 5中的標示為
1——轉子導磁環，
11——轉子鐵心，
12——外導磁環，
2——定子，
21——上導磁蓋板，
22——電磁線圈，
23——定子盤，
231——上導磁極板，
232——下導磁極板，
233——永磁體，
234——磁柱安裝盤，
24——下導磁蓋板，
25——定子安裝軸，
26——連接桿，
3——工作氣隙，
4—通道，
5——磁極，
6——電磁磁路，
7——永磁磁路，
8——隔板，
9——隔圈。
具體實施例方式
實施例參見圖1，本發明的該實施例如上述方案由轉子導磁環1和定子2兩大部分 組成。轉子導磁環1套在定子2的外部構成外轉子。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的內腔內。 轉子導磁環1的轉子鐵心11采用一種導磁性能良好的薄板型軟磁材料電工硅鋼 板沖壓疊制而成；定子2由定子盤23、上導磁蓋板21、下導磁蓋板24、八個電 磁線圈22、四個連接桿26和定子安裝軸25組成，四個連接桿26將上導磁蓋板 21、定子盤23、下導磁蓋板24依次連接成一個整體并套裝在定子安裝軸25上。 其中定子盤23由上導磁極板231、磁柱安裝盤234、下導磁極板232依次層疊 而成，永磁體233嵌入安裝在磁柱安裝盤234內。定子2的電磁線圈22采用導 電良好的漆包線繞制后浸漆烘干而成。定子2的上導磁蓋板21、上導磁極板231、 下導磁極板232、下導磁蓋板24及轉子導磁環1的轉子外導磁環12均采用導磁 性能良好的軟磁材料加工而成。定子2之定子盤23的永磁體233取材磁性良好 的稀土永磁體制作并軸向同向充磁。定子2之定子盤23的磁柱安裝盤234取材 非導磁合金材料鋁合金或鈦合金制作。定子2的定子盤23外環面與轉子導磁環 1的轉子鐵心11內環面之間留有間隙即工作氣隙3。水平放置的電磁線圈22分 別以上導磁蓋板21和下導磁蓋板24的線圈鐵心置于定子盤23的上、下兩側。 每塊導磁極板如圖2所示分別呈輻射狀均勻分布有對稱的四個磁極5，相鄰磁極 5之間有通道4溝通，由導磁材料將四個磁極相互連接構成一個整體。使轉子處 于平衡位置時，工作氣隙的徑向永磁磁通在整個圓周面上是均勻的。
十字形結構的上導磁蓋板21如圖3所示為四個水平放置的矩形電磁線圈22 的鐵心。下導磁蓋板24采用同樣結構，起到降低磁軸承軸向高度和減小磁軸承 定子質量的作用。
如圖4所示，由永磁體233、上導磁極板231、下導磁極板232、轉子導磁 環l、氣隙3構成磁軸承的永磁磁路7。由四個電磁線圈22、上導磁蓋板21、 上導磁極板231、四個氣隙3、轉子導磁環l、下導磁極板232、下導磁蓋板24 構成磁軸承的電磁磁路6。
永磁磁路7除了為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軸轉動運動的被動穩定。因此，圖l所示的水平線 圈徑向均勻磁極低損耗外轉子混合磁軸承結構可以成為一種徑向兩軸主動控制 混合磁軸承。
實施例2如圖5所示，沿軸向采用兩套圖1所示的基本型結構，則可以構成徑向四 軸主動控制、軸向被動控制磁軸承，即本發明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。這種組合形式的磁軸承，在上下兩個磁軸承定子之 間可設一塊非導磁隔板8，轉子上下導磁環之間設一塊非導磁隔圈9。隔板8和 隔圈9均取材不導磁的鋁合金或無磁不銹鋼制作。本實施例中，就本發明的單 個產品而言，除上下兩個磁軸承定子內的永磁體充磁方向相反外，其它同實施
權利要求
1、一種水平線圈徑向均勻磁極低損耗外轉子混合磁軸承，其特征在于，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，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(23)、上導磁蓋板(21)、下導磁蓋板(24)、八個電磁線圈(22)和定子安裝軸(25)組成，其中所述上導磁蓋板(21)、定子盤(23)、下導磁蓋板(24)通過四個連接桿(26)依次連接并套裝在定子安裝軸(25)上，所述電磁線圈(22)水平放置并分別以上導磁蓋板(21)和下導磁蓋板(24)為線圈鐵心置于定子盤(23)的上、下兩側，上述定子(2)的定子盤(23)由上導磁極板(231)、下導磁極板(232)、永磁體(233)和磁柱安裝盤(234)組成，其中上導磁極板(231)、磁柱安裝盤(234)、下導磁極板(232)依次層疊，永磁體(233)嵌入磁柱安裝盤(234)內；上述定子(2)的定子盤(23)的外環面與上述轉子導磁環(1)的轉子鐵心(11)的內環面之間具有工作氣隙(3)；上述永磁體(233)、上導磁極板(231)、下導磁極板(232)與上述轉子導磁環(1)和氣隙(3)構成永磁磁路(7)；上述電磁線圈(22)、上導磁蓋板(21)、上導磁極板(231)、氣隙(3)、轉子導磁環(1)、下導磁極板(232)和下導磁蓋板(24)構成電磁磁路(6)。
2、 根據權利要求1所述的一種水平線圈徑向均勻磁極低損耗外轉子混合磁 軸承，其特征在于，所述上導磁極板(231)與下導磁極板(232)上分別呈輻 射狀均勻分布有對稱的四個磁極(5)，相鄰磁極(5)之間有通道(4)溝通。
全文摘要
本發明介紹了一種水平線圈徑向均勻磁極低損耗外轉子混合磁軸承，由轉子導磁環(1)和定子(2)組成。所述轉子導磁環(1)由轉子鐵心(11)套裝在外導磁環(12)內腔構成；定子(2)由定子盤(23)、上導磁蓋板(21)、下導磁蓋板(24)、八個電磁線圈(22)和定子安裝軸(25)組成，其中電磁線圈(22)水平放置并分別以上導磁蓋板(21)和下導磁蓋板(24)為線圈鐵心置于定子盤(23)的上、下兩側。本發明將電磁線圈水平放置，以導磁蓋板為線圈鐵心，與磁極在結構上分開，加工和裝配更方便，并使磁極可充分利用圓周面積增大承載力。此外，水平線圈徑向均勻磁極結構更為緊湊，可有效降低磁軸承的軸向高度，減少磁軸承的質量。
文檔編號F16C32/04GK101608669SQ20091004395
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月24日 優先權日2009年7月24日
發明者昆 劉, 單小強, 張育林, 凱 肖, 陳小飛 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學