[发明专利]扁平型垂直线圈外转子混合磁轴承

说明书

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，尤其是涉及一种具有垂直线圈和外转子的扁平型四轴混合磁轴承结构，其可作为旋转部件的无接触支撑，特别是作为空间系统的高精度、低噪声姿态控制飞轮的支承机构。

背景技术

磁轴承的损耗是一个重要的综合指标，直接影响到其应用。磁轴承按照磁力提供方式，可分为被动磁轴承、主动磁轴承和混合磁轴承。被动磁轴承的稳定域很小；主动磁轴承必须在电磁线圈中设定偏置电流来给磁轴承提供工作点，因此控制电流大，功耗大；而混合磁轴承将永磁偏置与电磁控制相结合，其中永磁体提供了磁路的主要磁通和偏置工作点磁场，电磁线圈提供磁路的调节磁通，按一定控制律使转子处于平衡位置，可以显著减小控制电流，降低功耗，因而特别适合于对功耗要求高的空间用飞轮等应用场合。

然而，目前的永磁偏置径向混合磁轴承的线圈铁心与工作磁极采用一体结构(即二者是一个整体，具体而言，就是上线圈铁心和上导磁极板是一个整体，下线圈铁心和下导磁极板是一个整体)。而且，在现有的混合磁轴承结构中，磁极在圆周方向是彼此分开的，因为这种彼此分开的磁极结构，造成其径向磁场沿圆周方向是交替变化的(即磁场是非均匀的)，导致转子在高速旋转时，通过转子铁心圆周面的磁通按转速的N倍频(N等于磁极数)周期性变化，由此带来的涡流损耗不可忽略。

虽然转子铁心的叠片结构能在一定程度上减小涡流损耗。而且进一步减小转子铁心的叠片厚度可以显著降低涡流损耗，但这样就会带来磁轴承的支撑强度减弱的问题。

因此，对高速飞轮转子而言，目前的混合磁轴承还存在明显的技术缺点：首先，转子铁心的涡流将产生明显的阻滞力矩，在姿态控制用磁悬浮飞轮等航天应用场合，将会显著增加驱动电机的功耗，并影响卫星姿态控制的稳定性和精度；其次，当为降低风阻损耗而将高速转子封闭在高真空的壳体内时，过大的涡流损耗还将增加转子散热设计的困难；再次，四轴磁轴承采用2个双边线圈磁轴承组合，会使磁轴承的高度较大，尤其是垂直线圈会进一步增加磁轴承的整体高度，从而导致体积的增大和质量的增加。此外，目前的混合磁轴承线圈铁心与工作磁极采用一体结构，还存在结构复杂、不能充分利用磁极的圆周面积等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对外转子磁轴承结构，克服磁轴承结构复杂、质量大、能耗高等技术难题，简化磁轴承结构、降低磁轴承质量、减小磁轴承悬浮能耗。因此，本发明提供一种质量轻、体积小、能耗低的混合磁轴承，这是一种包含有垂直线圈、径向均匀磁极和外转子的扁平型混合磁轴承。

为达到上述发明目的，本发明的技术解决方案是：一种扁平型垂直线圈外转子混合磁轴承，其是由2个上下对称设置的两轴单边垂直线圈混合磁轴承构成的四轴混合磁轴承，每个所述两轴单边垂直线圈混合磁轴承包括转子和定子。该转子包括：外导磁环；转子铁心，同轴线套装在该外导磁环的内腔。该定子包括：定子盘，包含有多个均匀分布的磁极；多个线圈铁心，设置在该定子盘的外侧并沿该定子盘的内周均匀分布，且每个线圈铁心与1个磁极的位置对应；以及多个电磁线圈，分别垂直套装在一个线圈铁心上；以及所述转子设置在所述定子的外侧。其中，所述多个磁极在外边缘处相连为一个整体圆环。

根据本发明的扁平型垂直线圈外转子混合磁轴承的一个实施例，所述定子盘呈圆环状，其包括：上导磁极板；下导磁极板，位于所述上导磁极板下方；磁柱安装盘，设置在所述上导磁极板和下导磁极板之间，该磁柱安装盘不导磁；以及多个永磁体，被均匀嵌放在所述磁柱安装盘内，所述永磁体沿所述定子盘的轴向同向充磁；以及所述上导磁极板和下导磁极板分别被沿周向均匀分割成呈辐射状的4个磁极，且每个所述下导磁极板的磁极被设置为与相应的所述上导磁极板的磁极上下对称。

所述上导磁极板的4个磁极的相邻磁极之间、以及所述下导磁极板的4个磁极的相邻磁极之间分别在外边缘处由通道连成一体，其中该通道由具有小截面积的导磁体形成。