[发明专利]一种主被动内转子磁轴承

说明书

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种主被动内转子磁轴承，可作为空间用单框架控制力矩陀螺和双框架控制力矩陀螺等旋转部件的无接触支撑。

背景技术

磁悬浮轴承分纯电磁式和永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，前者使用电流大、功耗大，永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，利用永磁体替代纯电磁磁轴承中的偏置电流产生偏置磁场，永磁体产生的磁场承担主要的承载力，电磁磁场提供辅助的调节承载力，因而这种轴承可大大减小控制电流，具有降低功率放大器的损耗、减少磁轴承安匝数、缩小磁轴承体积、提高轴承承载能力等优点，故永磁偏置磁轴承在磁悬浮电机、高速飞轮系统、控制力矩陀螺系统等磁悬浮支承的高速运动场合得到了广泛的应用。空间用磁悬浮控制力矩陀螺采用磁轴承支承，由于克服了传统机械轴承控制力矩陀螺的摩擦以及不平衡振动等问题，因此可实现更高的转速、更长的寿命以及更高的输出力矩精度。现有的磁悬浮控制力矩陀螺为了提高输出力矩大小，通常采用五自由度全主动的磁轴承配置，但是这种结构的磁悬浮控制力矩陀螺由于采用电流实现输出力矩的控制，因此功耗大，体积大，线路复杂，而以被动磁轴承输出力矩的两自由度磁悬浮控制力矩陀螺尽管可以体积做的很小，但是由于被动磁轴承不可控，因此存在阻尼低、稳定性差的缺陷。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种主被动内转子磁轴承，以减小自身体积重量和功耗。

本发明的技术解决方案为：一种主被动内转子磁轴承，由U形被动部分内转子导磁环、内转子导磁体、内转子铁心、气隙、定子铁心、定子导磁环、定子永磁体、线圈、U形被动部分定子导磁环和被动部分气隙组成，其中每个定子铁心由4个磁极组成，两个定子铁心组成磁轴承上下两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子铁心的磁极上绕制有线圈，定子铁心内部为内转子铁心，内转子铁心内部为内转子导磁体，内转子铁心外表面与定子铁心内表面留有一定的间隙，形成气隙，定子铁心的径向外部为定子导磁环，一个U形被动部分定子导磁环位于两个定子铁心之间，定子铁心与U形被动部分定子导磁环之间有两个定子永磁体，U形被动部分定子导磁环的径向内部为U形被动部分内转子导磁环，U形被动部分内转子导磁环的外表面与U形被动部分定子导磁环的内表面之间留有一定间隙，形成被动部分气隙。

所述的每个定子铁心的磁极绕制有线圈为单独控制。

所述的每个定子永磁体为轴向圆环，沿轴向充磁，充磁方向相反，且体积相等。

所述的定子铁心的磁极采用极靴形式。

所述的U形被动部分内转子导磁环和U形被动部分定子导磁环为两个齿、三个齿或四个齿。

上述方案的原理是：主被动内转子磁轴承，通过单独控制各个线圈中的电流，也就是说，“单独控制”指的是各个线圈中的电流没有直接联系，是通过功放根据位移传感器检测到的探测气隙变化对每个定子磁极线圈进行通电，实现磁轴承转动部分的径向平动和径向扭动，利用中间的U形被动部分的定子导磁环和U形被动部分内转子导磁环通过轴向位移产生的磁偏拉力实现磁轴承转动部分的轴向平动。定子永磁体给磁轴承提供永磁偏置磁场，承担磁轴承所受的径向力，线圈所产生的磁场起调节作用，用来改变每极下磁场的强弱，保持磁轴承定转子气隙均匀，并使转子得到无接触支撑。本发明的永磁磁路为两个部分(如图3所示)，一部分为：磁通从上端定子永磁体N极出发，通过定子导磁环、上端定子铁心、上端气隙、上端内转子铁心、上端内转子导磁体、上端U形被动部分内转子导磁环的齿、上端被动部分气隙、上端U形被动部分定子导磁环的齿、定子导磁环回到上端定子永磁体的S极；第二部分为：磁通从下端定子永磁体N极出发，通过定子导磁环、下端定子铁心、下端气隙、下端内转子铁心、下端内转子导磁体、下端U形被动部分内转子导磁环的齿、下端被动部分气隙、下端U形被动部分定子导磁环的齿、定子导磁环回到下端定子永磁体的S极；如图2所示，以某端Y轴正方向线圈电流产生的磁通为例，其路径为：定子铁心形成的Y轴正方向磁极、Y轴正方向气隙到内转子铁心、然后到另外三个方向气隙、定子铁心形成的另外三个方向磁极、回到定子铁心形成的Y轴正方向磁极，构成闭合回路。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用定子铁心提供四自由度的径向力及力矩，控制精度高，轴向平动自由度为被动实现，功耗低，体积小；另外，本发明的轴向被动部分为整环结构，磁场波动小，旋转功耗小。

附图说明

图1为本发明的主被动内转子磁轴承轴向截面图；

图2为本发明的主被动内转子磁轴承轴向端面图；