一種旋轉調制徑向球面純電磁磁軸承的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種非接觸徑向磁懸浮軸承，特別是一種具有旋轉調制功能的球面純電磁磁軸承，可作為小型航天器中旋轉部件的無接觸支撐，特別適用于磁懸浮敏感陀螺的非接觸支承。
技術背景
[0002]隨著航天技術的發展，衛星、空間站等航天器對于姿態控制的精度要求越來越高，傳統機械動量輪已經不能滿足要求。磁懸浮飛輪采用磁軸承支承，消除了機械軸承帶來的磨損，提高了控制力矩的精度和穩定度。
[0003]現有磁懸浮飛輪或磁懸浮控制力矩陀螺結構中，一般采用兩自由度徑向磁軸承。在滿足承載力的條件下，當轉子發生平動時，磁軸承磁極處的氣隙較均勻不會相對轉軸產生扭動力矩。但當轉子發生偏轉時，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，從而產生相對轉子質心的扭轉力矩，即平動控制對扭動控制產生干擾力矩。中國專利號201010256248.6和200710065049.5所述的永磁偏置徑向磁軸承以及201010226322.X所述的帶極靴的徑向磁軸承磁極面均為柱面，磁軸承發生偏轉時，定、轉子間存在不均勻氣隙，從而產生較大的扭轉負力矩，增加了飛輪扭轉軸承的負載，從而降低了飛輪轉子的控制精度和控制力矩精度，且極靴角度非常小，容易產生磁密飽和現象，且會影響磁密沿圓周分布的均勻性，進而間接導致控制精度的降低。另外，現有的磁懸浮飛輪或者磁懸浮陀螺，如果要實現其作為敏感部件的檢測功能，往往受限于環境干擾力矩導致其檢測部件精度的降低。
【發明內容】
[0004]本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供了一種消除了干擾的、且具有旋轉調制功能的徑向球面純電磁磁軸承。
[0005]本發明的技術解決方案是:一種旋轉調制徑向球面純電磁磁軸承，主要包括??沿±X方向和土Y方向放置的四個定子鐵心(1)、線圈(2)、套筒(3)、氣隙(4)、轉子(5)、定子安裝盤(6)、旋轉調制轉子軸承套(7)、旋轉調制軸承(8)、旋轉調制轉子鎖母(9)、超聲波電機轉子(10)、超聲波電機定子(11)、旋轉調制定子軸承套(12)和旋轉調制定子鎖母(13)組成。其中徑向軸承線圈(2)繞制于每個定子鐵心(I)的兩個磁極上，四個定子鐵心(I)的徑向內側為轉子(5)，定子鐵心⑴和轉子(5)之間形成徑向磁氣隙(4)，定子鐵心(I)的徑向外側為套筒(3)，套筒(3)與定子安裝盤(6)通過螺釘固定連接，定子安裝盤￠)的軸向外側為旋轉調制轉子軸承套(7)，定子安裝盤(6)與旋轉調制轉子軸承套(7)之間為過盈配合連接，旋轉調制軸承⑶的內圈固定在旋轉調制轉子軸承套(7)上，旋轉調制軸承(8)的外圈與旋轉調制定子軸承套(12)過盈配合連接，定子安裝盤(6)與超聲波電機轉子(10)固連，超聲波電機轉子(10)與超聲波電機定子(11)通過壓力固連，超聲波電機定子(11)與旋轉調制定子軸承套(12)過盈配合連接，旋轉調制轉子鎖母(9)將旋轉調制軸承(8)的內圈在軸向方向上固定在旋轉調制轉子軸承套(7)上，旋轉調制定子鎖母(13)將旋轉調制軸承(8)的外圈在軸向方向上固定在旋轉調制定子軸承套(12)上。
[0006]所述的每個定子鐵心(I)磁極分為前部、中部和根部，其前部左側邊緣與右側邊緣形成的夾角為83°，沿圓周上相鄰的兩個定子鐵心(I)磁極之間的距離為2mm，每個定子鐵心(I)磁極前部的左側邊緣與中部連接處夾角為152°，中部的兩個直線段之間的夾角為91°，中部與根部圓弧的切線方向的夾角為123° ;同理，每個定子鐵心(I)磁極前部的右側邊緣與中部連接處夾角為152°，中部的兩個直線段之間的夾角為91°，中部與根部圓弧的切線方向的夾角為123°。
[0007]所述的定子鐵心⑴和轉子(5)均為1J50導磁實心塊材。
[0008]所述的轉子(5)的球面半徑取19mm?49mm，轉子(5)左球面所對應的球心角為84°，轉子(5)左球面左側邊緣與轉子(5)左球面左側圓弧邊緣切線所成夾角為132°，轉子(5)左球面右側邊緣與轉子(5)左球面右側圓弧邊緣切線所成夾角為132°，轉子(5)右球面所對應的球心角為84°，轉子(5)右球面左側邊緣與轉子(5)右球面左側圓弧邊緣切線所成夾角為132°，轉子(5)右球面右側邊緣與轉子(5)右球面右側圓弧邊緣切線所成夾角為132°。
[0009]所述的徑向氣隙⑷大小為0.5mm?0.7mm。
[0010]所述的每個定子鐵心⑴的磁極上所纏繞的線圈(2)包括第一激磁線圈(2-1)和第二激磁線圈(2-2)，其中第一激磁線圈(2-1)靠近氣隙(4)側，第二激磁線圈(2-2)靠近磁極根部，第一激磁線圈(2-1)匝數為20?50匝，其控制電流可調，第二激磁線圈(2-2)匝數為100?200匝，其控制電流不變，第一激磁線圈(2-1)和第二激磁線圈(2-2)之間的徑向間隙為0.5mm?0.8mm。
[0011]本發明的原理是:本發明依據的重要機理是磁軸承的定子旋轉調制的機理，也就是說，通過周期性旋轉徑向磁軸承定子，使其敏感軸周期性變化，將被測信號(轉子的角速率信號)調制到旋轉周期載波上，由于陀螺漂移誤差不隨旋轉載波周期變化，因此將該徑向磁軸承用于敏感轉子的角速率信息的時候，就可以通過解調和濾波來消除陀螺漂移引入導致的轉子角速率信息的誤差，故本發明的創新點就在于徑向磁軸承的定子旋轉，本發明采用超聲電機實現這一功能，其中實現定子旋轉的機構主要包括:定子安裝盤￠)、旋轉調制轉子軸承套(7)、旋轉調制軸承(8)、旋轉調制轉子鎖母(9)、超聲波電機轉子(10)、超聲波電機定子(11)、旋轉調制定子軸承套(12)和旋轉調制定子鎖母(13)，其中定子安裝盤(6)與套筒(3)通過螺釘固定連接，定子安裝盤￠)的軸向外側為旋轉調制轉子軸承套
(7)，定子安裝盤(6)與旋轉調制轉子軸承套(7)之間為過盈配合連接，旋轉調制軸承(8)的內圈固定在旋轉調制轉子軸承套(7)上，旋轉調制軸承(8)的外圈與旋轉調制定子軸承套(12)過盈配合連接，定子安裝盤(6)與超聲波電機轉子(10)固連，超聲波電機轉子(10)與超聲波電機定子(11)通過壓力固連，超聲波電機定子(11)與旋轉調制定子軸承套(12)過盈配合連接，旋轉調制轉子鎖母(9)將旋轉調制軸承(8)的內圈在軸向方向上固定在旋轉調制轉子軸承套(7)上，旋轉調制定子鎖母(13)將旋轉調制軸承(8)的外圈在軸向方向上固定在旋轉調制定子軸承套(12)上。另外，如果將兩個徑向磁軸承應用于提供X和y方向偏轉力矩的磁懸浮飛輪系統中，將徑向磁軸承定子與軸向磁軸承定子固連，通過超聲電機使其旋轉，同樣可以實現消除X和y方向兩自由度角速率的陀螺漂移，從而提高角速率的檢測精度。
[0012]另外，整個裝置的定子鐵心的激磁線圈還可以采用雙線圈結構，且兩線圈匝數不同，匝數少的線圈電流可控，產生調節磁場，匝數多的線圈電流不變，產生偏置磁場，與單線圈結構相比，由于可控線圈的匝數少，因此電感小，可大大提高電流響應速率，可控電流采用差動形式。
[0013]此外，本發明的定子鐵心的磁極面采用球面結構，使轉軸所受電磁力始終經過球心，當轉軸球心與質心重合，電磁力相對轉軸產生的扭矩為零，從而消除了徑向扭動對軸向平動的干擾。
[0014]本發明的方案與現有方案相比，主要優點在于:(1)本發明由于采用了球面磁極，與現有柱面磁極的磁軸承相比，消除了徑向扭動對徑向平動的干擾；(2)定子鐵心采用極靴結構，使磁場具有較好的圓周均勻度，并且磁極部分的各個部分角度不同，可以使得磁極中磁密更加均勻，不會導致局部磁密飽和的現象；(3)由于其定子鐵心通過超聲電機進行驅動，實現了定子的旋轉，因此具有旋轉調制功能，故可以消除陀螺轉子旋轉引入的陀螺漂移，大大提尚了檢測精度。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明技術解決方案的一種旋轉調制徑向球面純電磁磁軸承的剖視圖；
[0016]圖2為本發明技術解決方案的定子鐵心結構圖；
[0017]圖3為本發明技術解決方案的轉子結構圖；
[0018]圖4為本發明技術解決方案的定子鐵心磁極具有雙線圈時的整體結構圖；
[0019]圖5為本發明技術解決方案的定子鐵心磁極具有雙線圈時的整體三維結構圖。
具體實施方案
[0020]如圖1和圖2所示，一種旋轉調制徑向球面純電磁磁軸承，主要包括??沿±X方向和土Y方向