一種兩自由度洛倫茲力外轉子球面磁軸承的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種非接觸磁懸浮軸承，尤其涉及一種兩自由度洛倫茲力外轉子球面磁軸承。
【背景技術】
[0002]磁懸浮軸承分為磁阻式磁軸承和洛倫茲力磁軸承，前者通過改變磁軸承的氣隙磁阻來改變磁通的大小，從而控制磁軸承輸出的電磁力。由于電磁力與磁通的平方成正比，磁通與線圈磁動勢成正比，因而磁阻式磁軸承電磁力與線圈控制電流成平方關系，采用線性化后的線性范圍較窄。洛倫茲力磁軸承的氣隙磁阻和磁動勢為恒值，氣隙內的磁密和磁通不變，輸出電磁力與線圈控制電流成正比，具有較好的線性度。因而洛倫茲力磁軸承非常適合于高精度控制，可用作磁懸浮大力矩飛輪和磁懸浮敏感陀螺徑向兩自由度偏轉懸浮支承。
[0003]現有技術中，授權專利201110253688.0所述的一種大力矩磁懸浮飛輪采用了一種兩自由度洛倫茲力磁軸承，通過控制沿圓周方向均勻放置的四個方形線圈電流的大小和方向，實現了徑向兩個偏轉自由度的懸浮控制。該方案中的洛倫茲力磁軸承定子為圓柱狀的杯形定子，磁間隙為圓環柱狀，洛倫茲力磁軸承只能發生很小角度的偏轉，一般為1°?3°，導致磁懸浮大力矩飛輪輸出大力矩時間較短和最大輸出陀螺力矩較小。由于導磁材料的邊緣效應，導致該方案中氣隙內部磁場在徑向方向不均勻，致使洛倫茲力磁軸承發生偏轉時作用于控制線圈的磁密發生改變，從而降低了電磁力的精度。此外，該方案中洛倫茲力杯形定子為導熱性較差的非金屬材料，不易于散熱，致使磁軸承工作時溫度偏高，降低了磁軸承自身的可靠性和壽命。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型的目的是提供一種能夠大角度偏轉、易于散熱、高控制力矩精度的兩自由度洛倫茲力球面磁軸承。
[0005]本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的:
[0006]本實用新型的兩自由度洛倫茲力外轉子球面磁軸承，主要由定子系統和轉子系統兩部分組成，定子系統主要包括:左線圈、右線圈、前線圈、后線圈、左隔磁凸臺、右隔磁凸臺、前隔磁凸臺、后隔磁凸臺、定子球面導磁環、左隔磁螺釘、右隔磁螺釘、前隔磁螺釘、后隔磁螺釘、環氧樹脂膠和安裝座；轉子系統主要包括:上球面磁鋼、下球面磁鋼、隔磁環、轉子導磁環、轉子鎖母和轉子套筒；左線圈、右線圈、前線圈和后線圈成對使用，左線圈和右線圈組成一對用于徑向X向偏轉控制，前線圈和后線圈組成一對用于徑向Y向偏轉控制，左線圈纏繞在左隔磁凸臺上，右線圈纏繞在右隔磁凸臺上，前線圈纏繞在前隔磁凸臺上，后線圈纏繞在后隔磁凸臺上，左隔磁凸臺位于定子球面導磁環徑向左側，并通過左隔磁螺釘固定在定子球面導磁環外球面上，右隔磁凸臺位于定子球面導磁環徑向右側，并通過右隔磁螺釘固定在定子球面導磁環外球面上，前隔磁凸臺位于定子球面導磁環徑向前側，并通過前隔磁螺釘固定在定子球面導磁環外球面上，后隔磁凸臺位于定子球面導磁環徑向后側，并通過后隔磁螺釘固定在定子球面導磁環外球面上，左線圈、右線圈、前線圈和后線圈通過環氧樹脂膠固化安裝在定子球面導磁環上，左線圈、右線圈、前線圈、后線圈、左隔磁凸臺、右隔磁凸臺、前隔磁凸臺、后隔磁凸臺、定子球面導磁環、左隔磁螺釘、右隔磁螺釘、前隔磁螺釘、后隔磁螺釘和環氧樹脂膠位于安裝座的上端，并通過定子球面導磁環與安裝座的螺紋連接固定安裝在安裝座上，上球面磁鋼和下球面磁鋼分別位于左線圈、右線圈、前線圈和后線圈的徑向外側上方和徑向外側下方，隔磁環位于上球面磁鋼和下球面磁鋼之間，轉子導磁環位于上球面磁鋼、下球面磁鋼和隔磁環的徑向外側，轉子鎖母位于下球面磁鋼和轉子導磁環的下端，上球面磁鋼、下球面磁鋼、隔磁環、轉子導磁環和轉子鎖母位于轉子套筒的徑向內側，并通過轉子鎖母與轉子套筒的螺紋連接固定安裝在轉子套筒的徑向內側，上球面磁鋼和下球面磁鋼與定子球面導磁環間留有一定的間隙，形成空氣氣隙。
[0007]由上述本實用新型提供的技術方案可以看出，本實用新型實施例提供的兩自由度洛倫茲力球面磁軸承，由于采用了球殼狀氣隙結構，與柱殼狀氣隙的洛倫茲力磁軸承相比，增加了洛倫茲力磁軸承的偏轉角度，同時不改變作用于定子線圈的磁場強度，提高了磁軸承偏轉控制力矩精度。與雙邊轉子的洛倫茲力磁軸承相比，本實用新型由于采用了單邊外轉子結構，其線圈直接安裝在定子導磁環上，通電線圈產生的熱量可迅速通過高導熱系統的導磁環直接傳導出去，降低了磁軸承系統的溫升，提高了系統可靠性。
【附圖說明】
[0008]圖1為本實用新型實施例提供的兩自由度洛倫茲力外轉子球面磁軸承的徑向X向剖視圖；
[0009]圖2為本實用新型實施例提供的兩自由度洛倫茲力外轉子球面磁軸承的徑向Y向剖視圖；
[0010]圖3a為本實用新型實施例中的定子系統的徑向X向截面圖；
[0011]圖3b為本實用新型實施例中的定子系統的徑向Y向截面圖；
[0012]圖4為本實用新型實施例中的定子系統中左線圈、右線圈、前線圈、后線圈、左隔磁凸臺、右隔磁凸臺、前隔磁凸臺、后隔磁凸臺、定子球面導磁環、左隔磁螺釘、右隔磁螺釘、前隔磁螺釘和后隔磁螺釘的裝配示意圖；
[0013]圖5為本實用新型實施例中的轉子系統的剖視圖；
[0014]圖6a為本實用新型實施例中的定子球面導磁環的截面圖；
[0015]圖6b為本實用新型實施例中的定子球面導磁環的三維結構示意圖；
[0016]圖7a為本實用新型實施例中的上球面磁鋼和下球面磁鋼的截面圖；
[0017]圖7b為本實用新型實施例中的上球面磁鋼和下球面磁鋼的三維結構示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面將對本實用新型實施例作進一步地詳細描述。
[0019]本實用新型的兩自由度洛倫茲力外轉子球面磁軸承，其較佳的【具體實施方式】是:
[0020]主要由定子系統和轉子系統兩部分組成，定子系統主要包括:左線圈、右線圈、前線圈、后線圈、左隔磁凸臺、右隔磁凸臺、前隔磁凸臺、后隔磁凸臺、定子球面導磁環、左隔磁螺釘、右隔磁螺釘、前隔磁螺釘、后隔磁螺釘、環氧樹脂膠和安裝座；轉子系統主要包括:上球面磁鋼、下球面磁鋼、隔磁環、轉子導磁環、轉子鎖母和轉子套筒；左線圈、右線圈、前線圈和后線圈成對使用，左線圈和右線圈組成一對用于徑向X向偏轉控制，前線圈和后線圈組成一對用于徑向Y向偏轉控制，左線圈纏繞在左隔磁凸臺上，右線圈纏繞在右隔磁凸臺上，前線圈纏繞在前隔磁凸臺上，后線圈纏繞在后隔磁凸臺上，左隔磁凸臺位于定子球面導磁環徑向左側，并通過左隔磁螺釘固定在定子球面導磁環外球面上，右隔磁凸臺位于定子球面導磁環徑向右側，并通過右隔磁螺釘固定在定子球面導磁環外球面上，前隔磁凸臺位于定子球面導磁環徑向前側，并通過前隔磁螺釘固定在定子球面導磁環外球面上，后隔磁凸臺位于定子球面導磁環徑向后側，并通過后隔磁螺釘固定在定子球面導磁環外球面上，左線圈、右線圈、前線圈和后線圈通過環氧樹脂膠固化安裝在定子球面導磁環上，左線圈、右線圈、前線圈、后線圈、左隔磁凸臺、右隔磁凸臺、前隔磁凸臺、后隔磁凸臺、定子球面導磁環、左隔磁螺釘、右隔磁螺釘、前隔磁螺釘、后隔磁螺釘和環氧樹脂膠位于安裝座的上端，并通過定子球面導磁環與安裝座的螺紋連接固定安裝在安裝座上，上球面磁鋼和下球面磁鋼分別位于左線圈、右線圈、前線圈和后線圈的徑向外側上方和徑向外側下方，隔磁環位于上球面磁鋼和下球面磁鋼之間，轉子導磁環位于上球面磁鋼、下球面磁鋼和隔磁環的徑向外側，轉子鎖母位于下球面磁鋼和轉子導磁環的下端，上球面磁鋼、下球面磁鋼、隔磁環、轉子導磁環和轉子鎖母位于轉子套筒的徑向內側，并通過轉子鎖母與轉子套筒的螺紋連接固定安裝在轉子套筒的徑向內側，上球面磁鋼和下球面磁鋼與定子球面導磁環間留有一定的間隙，形成空氣氣隙。
[0021]所述的左隔磁凸臺、右隔磁凸臺、前隔磁凸臺、后隔磁凸臺、左隔磁螺釘、右隔磁螺釘、前隔磁螺釘和后隔磁螺釘均為絕緣非金屬聚酰亞胺材料。
[0022]所述的定子球面導磁環和轉子導磁環均為電工純鐵DT4C或1J50導磁塊材材料。
[0023]所述的環氧樹脂膠為雙組份膠水，兩種膠水比例為1:2，其固化環境為常溫真空環境，固化時間不低于24小時。
[0024]所述的上球面磁鋼和下球面磁鋼為釹鐵硼合金或衫鈷合金硬磁材料，均為徑向充磁，充磁方向相反，且兩者外形尺寸完全一致。
[0025]所述的空氣氣隙大小為6mm?8mm。
[0026]上述方案的原理是:
[0027]本實用新型中的兩自由度洛倫茲力磁軸承為兩自由度徑向偏轉控制磁軸承，可控制轉子沿徑向X、Y方向的偏轉，即利用兩對成對通電線圈產生的大小相等方向相反的安培力組成力偶，控制徑向兩自由度的偏轉。如圖1、2中箭頭方向所示，本實用新型的永磁磁路為:磁通從上球面磁鋼N極出發，穿過空氣氣隙上端，到達定子球面導磁環外球面上端，隨后從定子球面導磁環外球面下端流出，穿過空氣氣隙下端，到達下球面磁鋼S極，并從下球面磁鋼N極流出，經轉子導磁環回到上球面磁鋼S極。
[0028]洛倫茲力磁軸承工作過程中，空氣氣隙不會發生變化，永磁磁路的整個磁路不會改變，氣隙內的磁密和磁通為恒值，磁軸承輸出的徑向偏轉力與線圈控制電流有關，且成線性關系，即偏轉力和偏轉力矩與控制電流具有很好的線性關系。此外，由于采用了球殼狀氣隙結構，磁軸承能夠實現更大角度的偏轉能夠更長時間輸出力矩或瞬間輸出更大的陀螺力矩，且磁軸承轉子偏轉后，成對通電線圈產生的安培力組成的力偶的力臂始終為球面直徑，即力臂為恒值，從而可以提高洛倫茲力磁軸承輸出的偏轉力矩精度。除此之外，四個成對使用的線圈通過環氧樹脂膠直接固化在定子球面導磁環外球面上，線圈直接與高導熱系數的球面導磁環接觸，有利于通電線圈熱傳導，降低了洛倫茲力磁軸承的溫升，提高了磁軸承系統的可靠性。
[0029]本實用新型與現有技術相比的優點在于:
[0030]本實用新型由于采用了球殼狀氣隙結構，與柱殼狀氣隙的洛倫茲力磁軸承相比，增加了洛倫茲力磁軸承的偏轉角度，同時不改變作用于定子線圈的磁場強度，提高了磁軸承偏轉控制力矩精度。與雙邊轉子的洛倫茲力磁軸承相比，本實用新型由于采用了單邊外轉子結構，其線圈直接安裝在定子導磁環上，通電線圈產生的熱量可迅速通過高導熱系統的導磁環直接傳導出去，降低了磁軸承系統的溫升，提高了系統可靠性。
[0031]具體實施例:
[0032]如圖1、2所