一种旋转调制径向球面纯电磁磁轴承.pdf

一种旋转调制径向球面纯电磁磁轴承，主要包括：沿±X方向和±Y方向放置的四个定子铁心、线圈、套筒、气隙、转子、定子安装盘、旋转调制转子轴承套、旋转调制轴承、旋转调制转子锁母、超声波电机转子、超声波电机定子、旋转调制定子轴承套和旋转调制定子锁母组成。由于径向球面纯电磁磁轴承的定子通过超声电机进行驱动，实现了定子的旋转，因此具有旋转调制功能，故可以消除陀螺转子旋转引入的陀螺漂移，大大提高了其实现角速率检测时的检测精度。

1.  一种旋转调制径向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：主要包括：沿±X方向和±Y方向放置的四个定子铁心(1)、线圈(2)、套筒(3)、气隙(4)、转子(5)、定子安装盘(6)、旋转调制转子轴承套(7)、旋转调制轴承(8)、旋转调制转子锁母(9)、超声波电机转子(10)、超声波电机定子(11)、旋转调制定子轴承套(12)和旋转调制定子锁母(13)组成。其中径向轴承线圈(2)绕制于每个定子铁心(1)的两个磁极上，四个定子铁心(1)的径向内侧为转子(5)，定子铁心(1)和转子(5)之间形成径向磁气隙(4)，定子铁心(1)的径向外侧为套筒(3)，套筒(3)与定子安装盘(6)通过螺钉固定连接，定子安装盘(6)的轴向外侧为旋转调制转子轴承套(7)，定子安装盘(6)与旋转调制转子轴承套(7)之间为过盈配合连接，旋转调制轴承(8)的内圈固定在旋转调制转子轴承套(7)上，旋转调制轴承(8)的外圈与旋转调制定子轴承套(12)过盈配合连接，定子安装盘(6)与超声波电机转子(10)固连，超声波电机转子(10)与超声波电机定子(11)通过压力固连，超声波电机定子(11)与旋转调制定子轴承套(12)过盈配合连接，旋转调制转子锁母(9)将旋转调制轴承(8)的内圈在轴向方向上固定在旋转调制转子轴承套(7)上，旋转调制定子锁母(13)将旋转调制轴承(8)的外圈在轴向方向上固定在旋转调制定子轴承套(12)上；所述的每个定子铁心(1)磁极分为前部、中部和根部，其前部左侧边缘与右侧边缘形成的夹角为83°，沿圆周上相邻的两个定子铁心(1)磁极之间的距离为2mm，每个定子铁心(1)磁极前部的左侧边缘与中部连接处夹角为152°，中部的两个直线段之间的夹角为91°，中部与根部圆弧的切线方向的夹角为123°；同理，每个定子铁心(1)磁极前部的右侧边缘与中部连接处夹角为152°，中部的两个直线段之间的夹角为 91°，中部与根部圆弧的切线方向的夹角为123°。

2.  根据权利要求1所述的旋转调制径向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：所述的定子铁心(1)和转子(5)均为1J50导磁实心块材。

3.  根据权利要求1所述的旋转调制径向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：所述的转子(5)的球面半径取19mm～49mm，转子(5)左球面所对应的球心角为84°，转子(5)左球面左侧边缘与转子(5)左球面左侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转子(5)左球面右侧边缘与转子(5)左球面右侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转子(5)右球面所对应的球心角为84°，转子(5)右球面左侧边缘与转子(5)右球面左侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转子(5)右球面右侧边缘与转子(5)右球面右侧圆弧边缘切线所成夹角为132°。

4.  根据权利要求1所述的旋转调制径向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：所述的径向气隙(4)大小为0.5mm～0.7mm。

5.  根据权利要求1所述的旋转调制径向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：所述的每个定子铁心(1)的磁极上所缠绕的线圈(2)包括第一激磁线圈(2-1)和第二激磁线圈(2-2)，其中第一激磁线圈(2-1)靠近气隙(4)侧，第二激磁线圈(2-2)靠近磁极根部，第一激磁线圈(2-1)匝数为20～50匝，其控制电流可调，第二激磁线圈(2-2)匝数为100～200匝，其控制电流不变，第一激磁线圈(2-1)和第二激磁线圈(2-2)之间的径向间隙为0.5mm～0.8mm。

一种旋转调制径向球面纯电磁磁轴承
技术领域
本发明涉及一种非接触径向磁悬浮轴承，特别是一种具有旋转调制功能的球面纯电磁磁轴承，可作为小型航天器中旋转部件的无接触支撑，特别适用于磁悬浮敏感陀螺的非接触支承。
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。
现有磁悬浮飞轮或磁悬浮控制力矩陀螺结构中，一般采用两自由度径向磁轴承。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。中国专利号201010256248.6和200710065049.5所述的永磁偏置径向磁轴承以及201010226322.X所述的带极靴的径向磁轴承磁极面均为柱面，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，且极靴角度非常小，容易产生磁密饱和现象，且会影响磁密沿圆周分布的均匀性，进而间接导致控制精度的降低。另外，现有的磁悬浮飞轮或者磁悬浮陀螺，如果要实现其作为敏感部件的检测功能，往往受限于环境干扰力矩导致其检测部件精度的降低。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种消除了干扰的、且具有旋转调制功能的径向球面纯电磁磁轴承。
本发明的技术解决方案是：一种旋转调制径向球面纯电磁磁轴承，主要包括：沿±X方向和±Y方向放置的四个定子铁心(1)、线圈(2)、套筒(3)、气隙(4)、转子(5)、定子安装盘(6)、旋转调制转子轴承套(7)、旋转调制轴承(8)、旋转调制转子锁母(9)、超声波电机转子(10)、超声波电机定子(11)、旋转调制定子轴承套(12)和旋转调制定子锁母(13)组成。其中径向轴承线圈(2)绕制于每个定子铁心(1)的两个磁极上，四个定子铁心(1)的径向内侧为转子(5)，定子铁心(1)和转子(5)之间形成径向磁气隙(4)，定子铁心(1)的径向外侧为套筒(3)，套筒(3)与定子安装盘(6)通过螺钉固定连接，定子安装盘(6)的轴向外侧为旋转调制转子轴承套(7)，定子安装盘(6)与旋转调制转子轴承套(7)之间为过盈配合连接，旋转调制轴承(8)的内圈固定在旋转调制转子轴承套(7)上，旋转调制轴承(8)的外圈与旋转调制定子轴承套(12)过盈配合连接，定子安装盘(6)与超声波电机转子(10)固连，超声波电机转子(10)与超声波电机定子(11)通过压力固连，超声波电机定子(11)与旋转调制定子轴承套(12)过盈配合连接，旋转调制转子锁母(9)将旋转调制轴承(8)的内圈在轴向方向上固定在旋转调制转子轴承套(7)上，旋转调制定子锁母(13)将旋转调制轴承(8)的外圈在轴向方向上固定在旋转调制定子轴承套(12)上。
所述的每个定子铁心(1)磁极分为前部、中部和根部，其前部左侧边缘与右侧边缘形成的夹角为83°，沿圆周上相邻的两个定子铁心(1)磁极之间的距离为2mm，每个定子铁心(1)磁极前部的左侧边缘与中部连接处夹角为152°，中部的两个直线段之间的夹角为91°，中部与根部圆弧的切线方向的夹角为123°；同理，每个定子铁心(1)磁极前部的右侧边缘与中部连接处夹角为152°，中部的两个直线段之间的夹角为91°，中部与根部圆弧的切线方向的夹角为123°。
所述的定子铁心(1)和转子(5)均为1J50导磁实心块材。
所述的转子(5)的球面半径取19mm～49mm，转子(5)左球面所对应的球心角为84°，转子(5)左球面左侧边缘与转子(5)左球面左侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转子(5)左球面右侧边缘与转子(5)左球面右侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转子(5)右球面所对应的球心角为84°，转子(5)右球面左侧边缘与转子(5)右球面左侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转子(5)右球面右侧边缘与转子(5)右球面右侧圆弧边缘切线所成夹角为132°。
所述的径向气隙(4)大小为0.5mm～0.7mm。
所述的每个定子铁心(1)的磁极上所缠绕的线圈(2)包括第一激磁线圈(2-1)和第二激磁线圈(2-2)，其中第一激磁线圈(2-1)靠近气隙(4)侧，第二激磁线圈(2-2)靠近磁极根部，第一激磁线圈(2-1)匝数为20～50匝，其控制电流可调，第二激磁线圈(2-2)匝数为100～200匝，其控制电流不变，第一激磁线圈(2-1)和第二激磁线圈(2-2)之间的径向间隙为0.5mm～0.8mm。
本发明的原理是：本发明依据的重要机理是磁轴承的定子旋转调制的机理，也就是说，通过周期性旋转径向磁轴承定子，使其敏感轴周期性变化，将被测信号(转子的角速率信号)调制到旋转周期载波上，由于陀螺漂移误差不随旋转载波周期变化，因此将该径向磁轴承用于敏感转子的角速率信息的时候，就可以通过解调和滤波来消除陀螺漂移引入导致的转子角速率信息的误差，故本发明的创新点就在于径向磁轴承的定子旋转，本发明采用超声电机实现这一功能，其中实现定子旋转的机构主要包括：定子安装盘(6)、旋转调制转子轴承套(7)、旋转调制轴承(8)、旋转调制转子锁母(9)、超声波电机转子(10)、超声波电机定子(11)、旋转调制定子轴承套(12)和旋转调制定子锁母(13)，其中定子安装盘(6)与套筒(3)通过螺钉固定连接，定子安装盘(6)的轴向外侧为旋转调制转子轴承套(7)，定子安装盘(6)与旋转调制转子轴承套(7)之间为过盈配合连接，旋转调制轴承(8)的内圈固定在旋转调制转子轴承套(7)上，旋转调制轴承(8)的外圈与旋转调制定子轴承套(12)过盈配合连接，定子安装盘(6)与超声波电机转子(10)固连，超声波电机转子(10)与超声波电机定子(11)通过压力固连，超声波电机定子(11)与旋转调制定子轴承套(12)过盈配合连接，旋转调制转子锁母(9)将旋转调制轴承(8)的内圈在轴向方向上固定在旋转调制转子轴承套(7)上，旋转调制定子锁母(13)将旋转调制轴承(8)的外圈在轴向方向上固定在旋转调制定子轴承套(12)上。另外，如果将两个径向磁轴承应用于提供x和y方向偏转力矩的磁悬浮飞轮系统中，将径向磁轴承定子与轴向磁轴承定子固连，通过超声电机使其旋转，同样可以实现消除x和y方向两自由度角速率的陀螺漂移，从而提高角速率的检测精度。
另外，整个装置的定子铁心的激磁线圈还可以采用双线圈结构，且两线圈匝数不同，匝数少的线圈电流可控，产生调节磁场，匝数多的线圈电流不变，产生偏置磁场，与单线圈结构相比，由于可控线圈的匝数少，因此电感小，可大大提高电流响应速率，可控电流采用差动形式。
此外，本发明的定子铁心的磁极面采用球面结构，使转轴所受电磁力始终经过球心，当转轴球心与质心重合，电磁力相对转轴产生的扭矩为零，从而消除了径向扭动对轴向平动的干扰。
本发明的方案与现有方案相比，主要优点在于：(1)本发明由于采用了球面磁极，与现有柱面磁极的磁轴承相比，消除了径向扭动对径向平动的干扰；(2)定子铁心采用极靴结构，使磁场具有较好的圆周均匀度，并且磁极部分的各个部分角度不同，可以使得磁极中磁密更加均匀，不会导致局部磁密饱和的现象；(3)由于其定子铁心通过超声电机进行驱动，实现了定子的旋转，因此具有旋转调制功能，故可以消除陀螺转子旋转引入的陀螺漂移，大大提高了检测精度。
附图说明
图1为本发明技术解决方案的一种旋转调制径向球面纯电磁磁轴承的剖视图；
图2为本发明技术解决方案的定子铁心结构图；
图3为本发明技术解决方案的转子结构图；
图4为本发明技术解决方案的定子铁心磁极具有双线圈时的整体结构图；
图5为本发明技术解决方案的定子铁心磁极具有双线圈时的整体三维结构图。
具体实施方案
如图1和图2所示，一种旋转调制径向球面纯电磁磁轴承，主要包括：沿±X方向和±Y方向放置的四个定子铁心(1)、线圈(2)、套筒(3)、气隙(4)、转子(5)、定子安装盘(6)、旋转调制转子轴承套(7)、旋转调制轴承(8)、旋转调制转子锁母(9)、超声波电机转子(10)、超声波电机定子(11)、旋转调制定子轴承套(12)和旋转调制定子锁母(13)组成。其中径向轴承线圈(2)绕制于每个定子铁心(1)的两个磁极上，四个定子铁心(1)的径向内侧为转子(5)，定子铁心(1)和转子(5)之间形成径向磁气隙(4)，定子铁心(1)的径向外侧为套筒(3)，套筒(3)与定子安装盘(6)通过螺钉固定连接，定子安装盘(6)的轴向外侧为旋转调制转子轴承套(7)，定子安装盘(6)与旋转调制转子轴承套(7)之间为过盈配合连接，旋转调制轴承(8)的内圈固定在旋转调制转子轴承套(7)上，旋转调制轴承(8)的外圈与旋转调制定子轴承套(12)过盈配合连接，定子安装盘(6)与超声波电机转子(10)固连，超声波电机转子(10)与超声波电机定子(11)通过压力固连，超声波电机定子(11)与旋转调制定子轴承套(12)过盈配合连接，旋转调制转子锁母(9)将旋转调制轴承(8)的内圈在轴向方向上固定在旋转调制转子轴承套(7)上，旋转调制定子锁母(13)将旋转调制轴承(8)的外圈在轴向方向上固定在旋转调制定子轴承套(12)上。所述的径向气隙(4)大小为0.5mm～0.7mm，优选0.6mm。
图3为定子铁心磁极结构图，所述的每个定子铁心(1)磁极分为前部、中部和根部，其前部左侧边缘与右侧边缘形成的夹角为83°，沿圆周上相邻的两个定子铁心(1)磁极之间的距离为2mm，每个定子铁心(1)磁极前部的左侧边缘与中部连接处夹角为152°，中部的两个直线段之间的夹角为91°，中部与根部圆弧的切线方向的夹角为123°；同理，每个定子铁心(1)磁极前部的右侧边缘与中部连接处夹角为152°，中部的两个直线段之间的夹角为91°，中部与根部圆弧的切线方向的夹角为123°。
所述各个角度的确定是通过大量的仿真和实验得到的最优角度值，可以使得气隙磁场在圆周方向上的波动最小，峰峰值可在15mT以下，并且磁密在定子铁心(1)磁极各个部分不会产生由于“磁密集中”而导致的饱和问题，定子铁心(1)和转子(5)均为1J50或1J22导磁块材材料，定子铁心(1)的球面半径取20mm～50mm，在本发明中定子铁心(1)的球面半径取23mm，且沿±X方向和±Y方向放置的各个定子铁心的外形尺寸完全相等，安装后各个球心完全重合。
图4为本发明技术解决方案的转子结构图，转子(5)的球面半径取19mm～49mm，在本实施例中转子(5)的球面半径取22mm，转子(5)左球面所对应的球心角为84°，转子(5)左球面左侧边缘与转子(5)左球面左侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转子(5)左球面右侧边缘与转子(5)左球面右侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转子(5)右球面所对应的球心角为84°，转子(5)右球面左侧边缘与转子(5)右球面左侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转子(5)右球面右侧边缘与转子(5)右球面右侧圆弧边缘切线所成夹角为132°。
如图5所示，本发明的具有旋转调制功能的径向球面磁轴承，其每个定子铁心(1)的磁极上所缠绕的线圈(2)包括第一激磁线圈(2-1)和第二激磁线圈(2-2)，其中第一激磁线圈(2-1)靠近气隙(4)侧，第二激磁线圈(2-2)靠近磁极根部，第一激磁线圈(2-1)匝数为20～50匝，优选36匝，其控制电流可调，第二激磁线圈(2-2)匝数为100～200匝，优选120匝，其控制电流不变，第一激磁线圈(2-1)和第二激磁线圈(2-2)之间的径向间隙为0.5mm～0.8mm，优选为0.55mm。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。