一种永磁偏置低功耗球形磁悬浮轴承装置技术领域
本发明涉及磁悬浮轴承的技术领域，具体涉及一种永磁偏置低功耗球形磁悬浮轴
承装置，可作为空间动力学仿真平台、三自由度转台、机器人关节、万向动量轮等系统的多
自由度无接触支承装置。
背景技术
空间动力学仿真平台、机器人关节、三轴转台、万向动量轮等装置都要求具有多自
由度运动能力，为减小这些装置的结构复杂性、体积和重量，并提高其使用寿命和可靠性
(特别是工作在空间环境下的装置)，所以迫切需求多自由度支承系统，尤其是球形支承机
构。另外，球形电机技术的进步及其应用也受到了球形支承技术的限制。通过机械接触方式
实现球形支承机构存在的主要缺点有机械零件加工制造困难，机械安装复杂，存在运动干
涉，体积大，需要润滑，由于存在摩擦和磨损而寿命短，可靠性较差。而球形气浮轴承存在气
浮轴承的间隙大、刚度不可控、占用空间大(需要气源，如泵房或气瓶)和噪声大等缺点，且
主要应用于三自由度航天器仿真装置。而球形磁悬浮装置与其相比，实现了无接触支承，无
需润滑和密封，轴承间隙小，其刚度主动可控，无振动、噪声小。另外，还不需气源等附加装
置，并可应用于空间环境，对各种恶劣环境有很好的适应性。目前有的大型航天器姿态机动
装置中应用于球形磁悬浮轴承装置，美国专利号：No.4785212,1988结构的大角度磁悬浮装
置，存在结构复杂、制造和加工难度大等缺点，而且只应用于大型航天器的姿态控制；美国
专利号：No.6351049,2002结构的球连形磁轴承，存在耦合问题的将导致控制难度大和稳定
差，定子铁心采用实心铁磁性材料，将导致损耗大，且没有保护轴承和非接触位移传感器等
装置；由于存在上述缺陷，故现有的球形磁悬浮轴承装置存在结构复杂、功耗大、成本高和
控制难度大等缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种功耗低、质量轻、运
动范围大，而且可靠性高、使用寿命长和不存在化学污染的球形磁悬浮轴承装置。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种永磁偏置低功耗球形磁悬浮轴
承装置，由静止和转动两部分组成，静止部分包括上永磁偏置低功耗磁轴承的静止部分、下
永磁偏置低功耗磁轴承的静止部分、辅助轴承、位置传感器、轴承座、轴座和锁紧螺母；转动
部分包括磁悬浮转子。轴座外于永磁偏置低功耗球形磁悬浮轴承装置的中部，由轴座中部
向外分别为上永磁偏置低功耗磁轴承的静止部分、下永磁偏置低功耗磁轴承的静止部分、
位置传感器、辅助轴承和锁紧螺母，在辅助轴承外侧为轴承座。上永磁偏置低功耗磁轴承的
静止部分和下永磁偏置低功耗磁轴承的静止部分和位置传感器分别与轴座相连接，辅助轴
承通过锁紧螺母固定在轴座上，轴承座与辅助轴承连接，磁悬浮转子处于整个装置外侧，轴
承座与磁悬浮转子之间形成保护间隙。磁悬浮转子的内表面与上永磁偏置低功耗磁轴承定
子磁极外表面、下永磁偏置低功耗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。位置传感器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永
磁偏置低功耗磁轴承和下永磁偏置低功耗磁轴承的激磁线圈相连接，形成电的闭环回路，
通过控制系统保持磁悬浮转子的中心位置不变，并保证磁悬浮转子具有三个旋转自由度。
其中，所述的上永磁偏置低功耗磁轴承和下永磁偏置低功耗磁轴承均为非机械接
触的磁悬浮轴承，同时为磁悬浮转子提供径向支承和轴向支承作用，省去了普通的轴向磁
轴承。
其中，所述的非机械接触的磁悬浮轴承为永磁偏置、电磁控制的主动式磁悬浮轴
承。
其中，上永磁偏置低功耗磁轴承的定子磁极表面和下永磁偏置低功耗磁轴承定子
磁极表面均为球面形状。
其中，所述的两个轴承座的外表面和磁悬浮转子的内表面均为同心球面，两个轴
承座的外表面分别与磁悬浮转子的内表面之间形成0.1-0.15mm的保护间隙。
其中，所述的两个位置传感器分别具有四个探头，探头的探测面为球面。
本发明的原理是：通过上永磁偏置低功耗磁轴承和下永磁偏置低功耗磁轴承保持
永磁偏置低功耗球形磁悬浮轴承装置的上永磁偏置低功耗磁轴承静止部分和下永磁偏置
低功耗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。当磁悬浮转子受到某一扰动因素的
干扰后，将使上永磁偏置低功耗磁轴承静止部分和下永磁偏置低功耗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永磁偏置低功耗磁轴承和下永磁偏置低功耗磁轴承上
的激磁线圈中的电流，增大或减小上永磁偏置低功耗磁轴承和下永磁偏置低功耗磁轴承的
磁力，从而保持上永磁偏置低功耗磁轴承静止部分和下永磁偏置低功耗磁轴承静止部分与
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在球面
气隙中产生的磁场与永磁体在球面气隙中产生的磁场相减，位于x轴右侧的上磁轴承磁极
和下磁轴承磁极中产生的磁场与永磁体在球面气隙中产生的磁场相叠加，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对磁极产生的磁场与永磁环在球面气隙中产生的
磁场相叠加，位于z轴下半部的下磁轴承的4对磁极产生的磁场与永磁环在球面气隙中产生
的磁场相减，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。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明由于采用了上永磁偏置低功耗磁轴承
和下永磁偏置低功耗磁轴承技术，上永磁偏置低功耗磁轴承和下永磁偏置低功耗磁轴承通
过永磁体提高偏置磁场，且电磁磁路不通过永磁体内部，减小了电激磁磁路的磁阻，降低了
激磁电流，从而显著减小了球形磁悬浮轴承装置的功耗，上永磁偏置低功耗磁轴承和下永
磁偏置低功耗磁轴承同时为磁悬浮转子提供径向支承和轴向支承作用，省去了普通的轴向
磁轴承，提高了球形支承装置的使用寿命和精度，不需要润滑，减小了系统功耗，通过保护
轴承提高了系统的可靠性，而且控制简单、调节方便。
附图说明
图1为本发明的一种永磁偏置低功耗球形磁悬浮轴承装置局部剖分图；
图2为本发明的一种永磁偏置低功耗球形磁悬浮轴承装置剖面图；
图3为本发明的一种球形磁悬浮轴承，当磁悬浮转子位于中心位置时的磁力线分
布图；
图4为图3相对应的磁悬浮转子受力图，箭头表示磁悬浮转子受力方向和大小；
图5为本发明的一种球形磁悬浮轴承，当磁悬浮转子产生x轴负方向位移时的磁力
线分布图；
图6为图5相对应的磁悬浮转子受力图，箭头表示磁悬浮转子受力方向和大小；
图7为本发明的一种球形磁悬浮轴承，当磁悬浮转子产生z轴负方向位移时的磁力
线分布图；
图8为图7相对应的磁悬浮转子受力图，箭头表示磁悬浮转子受力方向和大小；
图9为本发明的永磁偏置低功耗磁轴承剖面图；
图10为本发明的永磁偏置低功耗磁轴承截面图；
图11为本发明的位置传感器结构主视图；
图12为图11的俯视图；
图13为本发明的磁悬浮转子局部剖分图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1和图2所示，本发明技术解决方案的一种永磁偏置低功耗球形磁悬浮轴承装
置，由静止和转动两部分组成，静止部分包括上永磁偏置低功耗磁轴承5的静止部分、下永
磁偏置低功耗磁轴承6的静止部分、辅助轴承3、位置传感器4、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处于永磁偏置低功耗球形磁悬浮轴承装置的中部，由轴
座7中部向外分别为上永磁偏置低功耗磁轴承5的静止部分、下永磁偏置低功耗磁轴承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外侧为轴承座2。上永磁偏置
低功耗磁轴承5的静止部分和下永磁偏置低功耗磁轴承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，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，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
面与上永磁偏置低功耗磁轴承5定子磁极外表面、下永磁偏置低功耗磁轴承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永磁偏置低功耗磁轴承5和下永磁偏置低功耗磁轴承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。
两个轴承座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0.1-0.15mm(本实施例为0.12mm左右)的保护间
隙。
本发明的上永磁偏置低功耗磁轴承5和下永磁偏置低功耗磁轴承6均为非机械接
触轴承，是永磁偏置低功耗的磁悬浮轴承。
图3为本发明的一种球形磁悬浮轴承，当磁悬浮转子位于中心位置时的磁力线分
布图；图4为图3相对应的磁悬浮转子受力图，箭头表示磁悬浮转子受力方向和大小。当磁悬
浮转子位于中心位置时，上磁轴承的4对定子磁极和下磁轴承的4对定子磁极激磁线圈中无
控制电流，永磁环在上磁轴承定子磁极和下磁轴承定子磁极与磁悬浮转子间的球面气隙中
产生相等静态偏置磁场，磁场方向都指向球心，因此，上磁轴承和下磁轴承定子磁极产生的
合力也指向球心，磁悬浮转子所受合力为零。
图5为本发明的一种球形磁悬浮轴承，当磁悬浮转子产生x轴负方向位移时的磁力
线分布图；图6为图5相对应的磁悬浮转子受力图，箭头表示磁悬浮转子受力方向和大小。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在球
面气隙中产生的电磁磁场与永磁环在球面气隙中产生的磁场相减，位于x轴右侧的上磁轴
承磁极和下磁轴承磁极中产生的电磁磁场与永磁环在球面气隙中产生的磁场相叠加，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。
图7为本发明的一种球形磁悬浮轴承，当磁悬浮转子产生z轴负方向位移时的磁力
线分布图；图8为图7相对应的磁悬浮转子受力图，箭头表示磁悬浮转子受力方向和大小。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对磁极产生的电磁
磁场与永磁环在球面气隙中产生的磁场相叠加，位于z轴下半部的下磁轴承的4对磁极产生
的电磁磁场与永磁环在球面气隙中产生的磁场相减，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。
图9和图10分别为本发明的永磁偏置低功耗磁轴承剖面图和截面图，在该种磁轴
承中，主要由定子铁心51、激磁线圈52、导磁环53、磁轴承安装座54、永磁环55、隔磁环56、空
气隙57和磁悬浮转子1组成。其中定子铁心51、激磁线圈52、导磁环53和磁轴承安装座54、永
磁环55、隔磁环56为静止部分，磁悬浮转子1为旋转部分。
图11和图12分别为本发明的位置传感器的主视图和俯视图，四个位置传感器探头
42、43、44和45均布在传感器座的外圆周上，彼此成90°角，位置传感器探头42、43、44、45和
探测体41之间分别形成球面探测间隙46，位置传感器探头42、43、44、45的探测方向与探测
体41垂直，位置传感器探头42、43、44、45的轴线通过探测体41的球心位置，球面探测间隙46
一般为0.5mm～1.25mm。两个位置传感器探头42和43组成一对，分别位于Y轴的两个方向成
180°角，同时检测探测体41运动的位移信号，另两个径向位移传感器探头44和45组成另一
对，分别位于X轴的两个方向成180°角，同时检测探测体41运动的位移信号。
图13为本发明的磁悬浮转子局部剖分图，主要由上磁悬浮转子11、锁紧螺钉12和
下磁悬浮转子13组成，上磁悬浮转子11和下磁悬浮转子13的内表面为球面的一部分，由导
磁性能良好的软磁材料加工而成，通过锁紧螺钉12连接在一起，为减小磁悬浮转子的重量，
同时不影响系统的性能，采用加强筋的结构方式。