[发明专利]一种五自由度径向解耦锥形磁轴承

说明书

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种五自由度径向解耦的永 磁偏置锥形磁轴承，可作为磁悬浮飞轮等航天器惯性执行机构中转子部件的 无接触支撑。

背景技术

随着卫星任务多样化的发展，卫星对姿态控制系统的要求越来越高，磁 悬浮飞轮作为一种航天器姿态控制执行机构，不仅需要依靠加减速输出轴向 方向的力矩，还需要其具备沿径向扭转输出力矩的功能，因此要求飞轮转子 能够进行大角度扭转输出力矩，且支撑轴承能够在飞轮转子扭转的情况下仍 具备较大承载力。在现有磁悬浮飞轮结构中，一般采用两个单自由度轴向磁 轴承+两个两自由度径向磁轴承结构，或两个三自由度轴向磁轴承+一个两自 由度径向磁轴承结构。无论采用哪种结构，转子扭转输出力矩时所用扭转力 臂长度即为轴承转子跨距，若增大输出力矩的大小只能依靠增大转子出力大 小，因此现有结构在转子扭转输出力矩时不能够充分利用轴承跨距来增大力 臂长度，对轴承体积利用率低。同时，现有径向磁轴承一般定子部分分为四 个磁极，且永磁磁路及电励磁磁路在各个磁极之间互相耦合，如专利 200510011690.1所述的永磁偏置外转子径向磁轴承及专利200710063272.6 中的具有冗余结构的永磁偏置外转子径向混合磁轴承均包含有四个相互耦 合的径向磁极组成，若应用到大角度扭转的磁悬浮反作用飞轮中，当飞轮扭 转时，径向四个磁极下的气隙大小不再相等，若径向某一通道承重施加电流 时，受通道耦合影响，电流在另一通道会产生一个额外附加力，而本身通道 的励磁减少，使承重通道的承载力降低。由于存在上述缺陷，现有磁轴承在 飞轮应用中存在扭转力臂利用率低、径向通道耦合严重的缺点。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种扭转力臂长、 扭转力矩大、径向通道耦合小的大承载力低功耗五自由度径向解耦锥形磁轴 承。

本发明的技术解决方案是：五自由度径向解耦锥形磁轴承，由定子部分 和转子部分组成，其中定子部分包括定子导磁环、上锥形定子、定子隔磁环、 轴向上层线圈、永磁体、径向定子、径向定子隔磁环、径向线圈、下锥形定 子以及轴向下层线圈，转子部分包括上锥形转子、转子导磁环、径向转子铁 心、转子隔磁环、下锥形转子，其中永磁体的外侧为径向定子，径向定子共 有两个，沿圆周方向正交放置，两个径向定子之间有径向定子隔磁环，各径 向定子均由定子齿和定子导磁轭组成，径向定子齿上均绕有径向线圈，永磁 体的轴向上下两侧均为定子隔磁环，永磁体与定子隔磁环的径向内侧为定子 导磁环，定子导磁环的上下两端分别为上锥形定子和下锥形定子，径向定子 的外侧为径向转子铁心，径向定子和径向转子铁心之间为径向磁气隙，径向 转子铁心上下两侧为转子隔磁环，转子导磁环安装在径向转子铁心和转子隔 磁环的径向外侧，并将上锥形转子和下锥形转子连起来，形成磁通路，上锥 形定子的外侧为上锥形转子，上锥形定子和上锥形转子之间为上锥形气隙， 下锥形定子的外侧为下锥形转子，下锥形定子和下锥形转子之间为下锥形气 隙，上锥形定子和下锥形定子沿圆周方向分别均匀分布有四个磁极，其相对 位置与径向定子的四个磁极沿圆周方向的分布一致，上锥形定子的四个磁极 上绕有轴向上层线圈，下锥形定子的四个磁极上绕有轴向下层线圈。

所述上锥形定子和下锥形定子的锥面倾斜角为120～140°，使锥面法线方 向与绕转子质心扭转力臂方向垂直。

所述径向定子隔磁环的厚度为2mm～4mm。永磁体沿周向方向分为互不 相连的四块，各永磁体块均为沿径向充磁，分别位于径向定子的四个定子齿 的径向内侧，且各永磁体的周向跨距与径向定子的定子齿的周向跨距相同， 均为60°～80°圆心角。

所述径向磁气隙大小为0.3mm～0.8mm，上锥形气隙和下锥形气隙的大 小为0.4mm～0.85mm。

所述径向转子铁心采用1J50或非晶中的任意一种叠压制成，定子导磁 环和转子导磁环均采用1J22棒材或电工纯铁中的任意一种制成。

所述径向转子铁心轴向长度比径向定子齿轴向长度大3～6mm，上锥形 定子和下锥形定子轴向长度比上锥形转子和下锥形转子的轴向长度大 5～8mm。