[发明专利]一种球形磁悬浮轴承装置

摘要

本发明公开了一种球形磁悬浮轴承装置，可作为动力学仿真平台、三自由度转台、万向动量轮等系统的三自由度无接触支承装置，主要由上磁轴承、下磁轴承、位置传感器、辅助轴承、辅助轴承座、磁悬浮转子、轴座及锁紧螺母等部件组成。由球形磁悬浮轴承装置中心向外依次为轴座、上磁轴承、下磁轴承、位置传感器、辅助轴承和锁紧螺母，在辅助轴承外侧为辅助轴承座，磁悬浮转子处于整个装置的外侧，磁悬浮转子的内表面与上、下磁轴承外表面和位置传感器探头表面为同心球面，通过控制系统保持磁悬浮转子的中心位置不变，并保证磁悬浮转子具有三个旋转自由度。本发明具有运动角度范围大、结构简单、成体低、可靠性高和使用寿命长等优点。

主权项

1.一种球形磁悬浮轴承装置，由静止和转动两部分组成，其特征在于：静止部分包括上磁轴承(5)的静止部分、下磁轴承(6)的静止部分、辅助轴承(3)、位置传感器(4)、辅助轴承座(2)、轴座(7)和锁紧螺母(8)；转动部分包括磁悬浮转子(1)，轴座(7)处于球形磁悬浮轴承装置的中部，由轴座(7)中部向外分别为上磁轴承(5)的静止部分、下磁轴承(6)的静止部分、位置传感器(4)、辅助轴承(3)和锁紧螺母(8)，在辅助轴承(3)外侧为辅助轴承座(2)，上磁轴承(5)的静止部分和下磁轴承(6)的静止部分和位置传感器(4)分别与轴座(7)相连接，辅助轴承(3)通过锁紧螺母(8)固定在轴座(7)上，辅助轴承座(2)与辅助轴承(3)连接，磁悬浮转子(1)处于整个装置外侧，辅助轴承座(2)与磁悬浮转子(1)之间形成保护间隙，磁悬浮转子(1)的内表面与上磁轴承(5)定子磁极外表面、下磁轴承(6)定子磁极外表面和位置传感器(4)探头表面为同心球面，位置传感器(4)输出的电信号与外加控制器的输入端相连，该控制器的输出端分别与上磁轴承(5)和下磁轴承(6)的激磁线圈相连接，形成电的闭环回路，通过控制系统保持磁悬浮转子(1)的中心位置不变，并保证磁悬浮转子(1)具有三个旋转自由度；所述的上磁轴承(5)和下磁轴承(6)均为非机械接触的电磁偏置磁悬浮轴承，而且上磁轴承(5)的定子磁极表面和下磁轴承(6)定子磁极表面均为球面四边形，上磁轴承(5)的定子和下磁轴承(6)定子均由4个磁极对组成，相对球心对称放置，上磁轴承(5)的定子和下磁轴承(6)定子的铁心采用导磁性能良好的软磁材料冲压迭制而成；所述的上磁轴承(5)和下磁轴承(6)同时为磁悬浮转子(1)提供径向支承和轴向支承作用，省去了普通的轴向磁轴承；两个辅助轴承座(2)的外表面和磁悬浮转子(1)的内表面均为同心球面，两个辅助轴承座(2)的外表面分别与磁悬浮转子(1)的内表面之间形成0.1‑0.2mm的保护间隙；两个位置传感器(4)分别具有四个探头，探头的探测面为球面；通过上磁轴承和下磁轴承保持球形磁悬浮轴承装置的上磁轴承静止部分和下磁轴承静止部分与磁悬浮转子之间的球面间隙均匀以及保持非接触稳定悬浮，同时保证内表面为球形的磁悬浮转子具有三个旋转自由度，磁悬浮转子的内表面与上磁轴承定子磁极外表面、下磁轴承定子磁极外表面和位置传感器探头表面为同心球面，上磁轴承磁极和下磁轴承磁极产生的磁场都指向球心，这保证了每对磁极产生的合力都通过磁悬浮转子的球心，不会对磁悬浮转子产生转动方向的力矩，3个平动方向的控制力不会干扰转动方向的控制，当磁悬浮转子受到某一扰动因素的干扰后，将使上磁轴承静止部分和下磁轴承静止与磁悬浮转子之间的球面间隙发生变化，这时位置传感器将及时检测出球面间隙的变化，发出检测信号，外加控制器通过增加或减小上磁轴承和下磁轴承上的激磁线圈中的电流，增大或减小上磁轴承和下磁轴承的磁力，从而保持上磁轴承静止部分和下磁轴承静止部分与磁悬浮转子之间的球面间隙均匀和非接触稳定悬浮，消除干扰的影响，保持球形磁悬浮转子的中心位置不变，维持球形磁悬浮轴承装置在三个旋转自由度上的正常稳定运行，当磁悬浮转子产生x轴负方向上的位移时，位于x轴左侧的上磁轴承磁极和下磁轴承磁极中的电流减小，位于x轴右侧的上磁轴承磁极和下磁轴承磁极中的电流加大，从而产生x轴正方向的合力直到将磁悬浮转子重新拉回到中心位置不变，当磁悬浮转子产生z轴负方向上的位移时，位于z轴上半部的上磁轴承的4对磁极中的电流加大，位于z轴下半部的下磁轴承的4对磁极的电流减小，从而产生z轴正方向的合力直到将磁悬浮转子重新拉回到中心位置不变。