[发明专利]一种检控共位内转子径向球面纯电磁磁轴承

说明书

一种检控共位内转子径向球面纯电磁磁轴承，包括定子系统和球面转子，定子系统包括：球面定子铁心、激磁线圈、传感器骨架、传感器线圈、屏蔽线、传感器屏蔽筒、定子套筒、上定子锁紧盘和下定子锁紧盘；本发明的磁极面为球面，球面转子所受电磁力过球心，当质心与球心重合时，消除了径向平动悬浮对偏转悬浮的干扰；球面定子铁心磁极上下边缘有一小圆角，减弱了磁极端部漏磁效应，降低了径向平动悬浮对轴向平动悬浮的干扰。此外，传感器骨架的轴线与球面定子铁心的中心孔轴线重合，实现了球面转子径向平动悬浮检测点与控制点共位，消除了因检控异位所需转换矩阵引起的误差，进一步提高了控制精度。

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种径向平动检测与控制为一体，且位移检测点与控制点共位的径向球面纯电磁磁轴承，可用于磁悬浮微框架飞轮转子径向两自由度高精度平动悬浮支承。

背景技术

传统反作用飞轮、偏置动量轮和姿控储能两用飞轮均是通过改变转子转速大小输出力矩，力矩精度高，常用于高分辨率对地观测卫星平台的姿态控制，但力矩偏小，不能满足航天器敏捷机动的迫切需求。磁悬浮微框架飞轮具有大控制力矩和高力矩精度的优点，通过偏转磁轴承驱使转子旋转轴发生偏转，改变转子角动量的方向，输出瞬间较大进动力矩，实现航天器敏捷机动，利用磁轴承对转子进行主动振动控制和抑制，实现转子高精度悬浮，输出高精度控制力矩。磁轴承作为磁悬浮微框架飞轮的核心部件之一，是飞轮能够输出高精度大力矩的前提保障。

主动磁轴承可分为洛伦兹力磁轴承、永磁偏置磁轴承和纯电磁磁轴承。洛伦兹力磁轴承通过改变放置于恒定磁场中绕组电流的大小和方向，产生所需的悬浮力，其力与电流成正比，线性度好，控制精度高，但承载力低，承重悬浮功耗大。永磁偏置磁轴承和纯电磁磁轴承的电磁悬浮力与电流成平方关系，承载力大、承载功耗低，常用作转子平动悬浮支承。与永磁偏置磁轴承相比，纯电磁磁轴承断电状态下，无电磁吸力，非常便于系统装配和调试。径向球面纯电磁磁轴承的定转子磁极均为球面，其气隙为球壳状，转子所受电磁力始终指向转子球心。当转子质心与球心重合时，电磁悬浮力过质心，不会产生偏转力矩，消除了平动悬浮对偏转悬浮的干扰，有利于磁悬浮微框架飞轮转子高精度悬浮支承。授权专利ZL201510031068.0所述的一种内转子球形径向纯电磁磁轴承的磁极面采用球面结构，转子所受电磁力始终经过转子球心，当转子球心与质心重合时，消除了径向平动悬浮对偏转悬浮的干扰。在此基础上，专利申请号201510562645.9所述的一种双线圈径向球面磁轴承和专利申请号201510562653.3所述的一种双线圈径向球面纯电磁磁轴承激磁线圈采用双线圈结构，提高了控制电流响应速率，同时在磁极端部增加极靴，降低转子的涡流损耗。上述径向磁轴承采用球形结构，其转子球面的最大外径大于定子球面的最小横截面直径，无法采用传统柱面磁极的径向磁轴承所采用的装配方法。装配时磁轴承转子轴线与定子轴线垂直，将磁轴承转子轮缘沿磁轴承定子相邻两磁极间的缝隙放入定子球面磁极内部，待转子球心与定子球心重合时，缓慢将转子翻转90°，完成径向球面磁轴承的装配。由于极靴的存在，减小了定子磁极间的缝隙大小，降低转子的装配工艺性，甚至导致转子无法装配。上述三种径向磁轴承方案的定子磁极上下边缘均为锐角，磁极边缘存在明显漏磁效应。当转子发生偏转或轴向偏移时，相对于定子磁极球面的对称面，转子磁极球面成非对称放置，一侧磁极面大，另一侧磁极面小，会导致球面转子磁极面大的一侧电磁吸力大，球面转子磁极面小的一侧电磁吸力小，两力的合力会在轴向产生分量，即径向平动会对轴向平动产生干扰。此外，传统径向磁轴承的径向平动位移检测点与控制点异位，需要转换矩阵来估计磁轴承中心控制点处的位移。由于转换矩阵存在测量误差，且该误差随时间、温度、应力变化，降低了磁轴承的平动悬浮精度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种磁路边缘漏磁效应弱、检测与控制共位的径向球面纯电磁磁轴承。