[发明专利]一种轴向球面纯电磁磁轴承

说明书

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种球面纯电磁磁轴承，可作为小型航天器中旋转部件的无接触支撑，特别适用于磁悬浮飞轮的非接触支承。

技术背景

随着航天技术的发展，卫星、空间站等航天器对于姿态控制的精度要求越来越高，传统机械动量轮已经不能满足要求。磁悬浮飞轮采用磁轴承支承，消除了机械轴承带来的磨损，提高了控制力矩的精度和稳定度。

现有磁悬浮飞轮结构中，一般采用单自由度轴向磁轴承或三自由度轴向磁轴承。无论采用何种方案，在满足承载力的条件下，当转子发生平动时，磁轴承磁极处的气隙较均匀不会相对转轴产生扭动力矩。但当转子发生偏转时，磁轴承定、转子间的磁气隙不均匀，导致磁极面内的电磁力不均匀，从而产生相对转子质心的扭转力矩，即平动控制对扭动控制产生干扰力矩。中国专利申请号200510011272.2和200710098749.4所述的永磁偏置轴向磁轴承的磁极面均为柱面，磁轴承发生偏转时，定、转子间存在不均匀气隙，从而产生较大的扭转负力矩，增加了飞轮扭转轴承的负载。从而降低了飞轮转子的控制精度和控制力矩精度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种消除了径向扭动干扰的轴向球面纯电磁磁轴承。

本发明的技术解决方案是：一种轴向球面纯电磁磁轴承，主要由定子系统和转轴两部分组成，定子系统主要包括：上定子铁芯、下定子铁芯、上轴向上端激磁线圈、上轴向下端激磁线圈、下轴向下端激磁线圈和下轴向上端激磁线圈；上定子铁芯包括球面左磁极、球面中磁极和球面右磁极，上定子铁芯包括球面左磁极、球面中磁极和球面右磁极，且球面中磁极的面积大于球面左磁极和球面右磁极的面积之和，优选为球面中磁极的面积为球面左磁极和球面右磁极的面积之和的3倍，上定子铁芯球面左磁极左侧边缘与上定子铁芯球面右磁极右侧边缘形成的夹角为85°，上定子铁芯球面左磁极右侧边缘与上定子铁芯球面中磁极左侧边缘之间距离为3.8mm，上定子铁芯球面右磁极左侧边缘与上定子铁芯球面中磁极右侧边缘之间距离为3.8mm，上定子铁芯球面左磁极左侧边缘与上定子铁芯球面左磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为45°，上定子铁芯球面左磁极右侧边缘与上定子铁芯球面左磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为110°，上定子铁芯球面中磁极左侧边缘与上定子铁芯球面中磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为77°，上定子铁芯球面中磁极右侧边缘与上定子铁芯球面中磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为77°，上定子铁芯球面右磁极左侧边缘与上定子铁芯球面右磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为110°，上定子铁芯球面右磁极右侧边缘与上定子铁芯右磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为45°，下定子铁芯包括球面左磁极、球面中磁极和球面右磁极，下定子铁芯球面左磁极左侧边缘与下定子铁芯球面右磁极右侧边缘形成的夹角为85°，下定子铁芯球面左磁极右侧边缘与下定子铁芯球面中磁极左侧边缘之间距离为3.8mm，下定子铁芯球面右磁极左侧边缘与下定子铁芯球面中磁极右侧边缘之间距离为3.8mm，下定子铁芯球面左磁极左侧边缘与下定子铁芯球面左磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为45°，下定子铁芯球面左磁极右侧边缘与下定子铁芯球面左磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为110°，下定子铁芯球面中磁极左侧边缘与下定子铁芯球面中磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为77°，下定子铁芯球面中磁极右侧边缘与下定子铁芯球面中磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为77°，下定子铁芯球面右磁极左侧边缘与下定子铁芯球面右磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为110°，下定子铁芯球面右磁极右侧边缘与下定子铁芯球面右磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为45°，上定子铁芯球面中磁极的径向内侧从上到下依次绕制上轴向上端激磁线圈和上轴向下端激磁线圈，上轴向上端激磁线圈的线圈匝数为90～180匝，上轴向下端激磁线圈的线圈匝数为18～48匝，上定子铁芯、上轴向上端激磁线圈和上轴向下端激磁线圈共同构成上球面定子，下定子铁芯中磁极的径向内侧从下到上依次绕制有下轴向下端激磁线圈和下轴向上端激磁线圈，下轴向下端激磁线圈的线圈匝数为70～150匝，下轴向上端激磁线圈的线圈匝数为10～30匝，下定子铁芯、下轴向下端激磁线圈和下轴向上端激磁线圈共同构成下球面定子，转轴位于上定子铁芯和下定子铁芯之间，转轴上球面与上定子铁芯球面间留有一定的球壳间隙，形成上轴向球壳气隙，转轴下球面与下定子铁芯球面间留有一定的球壳间隙，形成下轴向球壳气隙。

所述的上定子铁芯和下定子铁芯均为1J22导磁块材材料。