一种双Halbach阵列球形洛伦兹力磁轴承

摘要

本发明公开了一种双Halbach阵列球形洛伦兹力磁轴承，由转子系统和定子系统两部分组成，转子系统主要包括：外安装套、外Halbach阵列磁钢、外隔磁环、外导磁环、外组件锁母；定子系统主要包括：内安装座、内Halbach阵列磁钢、内隔磁环、内导磁环、骨架、绕组、环氧树脂胶和内组件锁母；本发明采用Halbach阵列磁钢结构，增强了气隙磁场强度，提高了磁轴承的承载力和支承刚度，增大了磁轴承的偏转力矩，利用导磁环消除了磁钢因拼接缝隙引起的磁密波动，提高了气隙内磁密均匀性和磁轴承偏转力矩精度。此外，磁极面均为球面，磁力线始终垂直磁极球面穿过绕组，偏转前后绕组位置的磁密大小和方向均不会改变，进一步提高了磁轴承偏转力矩精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，尤其涉及一种双Halbach阵列球形洛伦兹力磁轴承。

背景技术

随着航天技术的发展，航天器平台对姿控系统的控制精度要求越来越高，传统机械轴承支承因存在摩擦、润滑系统复杂、扰动力矩大等缺点，已不能满足空间技术发展的需求。磁悬浮轴承消除了机械轴承的摩擦磨损、无需润滑，具有微振动和主动振动抑制等优点，是飞轮的理想支承方式。磁悬浮飞轮具有高力矩精度、高控制带宽等优点，力矩精度可达10-5Nm，是高精度、高分辨率对地观测卫星的理想惯性执行机构。磁悬浮飞轮在转速方面的优势，使其既能工作在反作用状态用于反作用飞轮，又能工作在偏置状态用于偏置动量轮，进一步提高转速还可用于姿控储能两用飞轮，上述三大类磁悬浮飞轮输出力矩精度高，但力矩较小，不能满足敏捷机动卫星大角度姿态快速机动和快速响应的需求。

磁悬浮陀螺飞轮既能体现磁悬浮飞轮的优势，又能够克服现有磁悬浮飞轮输出力矩较小的缺点，通过控制赤道平面内径向两自由度偏转磁轴承输出偏转力矩，迫使高速转子旋转轴发生偏转，产生陀螺进动，从而输出瞬间大力矩，实现卫星的敏捷机动。通常磁轴承可以分为磁阻式磁轴承和洛伦兹力磁轴承，前者通过改变磁动势的大小，来改变电磁力的大小和方向，实现转子的无接触稳定悬浮；后者通过控制放置于恒定磁场中定子线圈电流的大小和方向，实现转子悬浮。磁阻式磁轴承的磁通与电流成线性关系，电磁力与磁通成平方关系，即电磁力与电流成平方关系，经线性化后线性范围较窄，控制精度和带宽较低。与之相比，洛伦兹力磁轴承的电磁力只与电流有关，且成线性关系，控制精度较高，因此洛伦兹力磁轴承克服了磁阻式磁轴承因线性范围较窄而导致控制精度低的缺点，是磁悬浮陀螺飞轮径向偏转悬浮支承的理想选择。

中国专利201510146044.X所述的一种外转子洛伦兹力轴向磁轴承，通过控制放置于恒定磁场中的定子线圈电流的大小和方向，产生所需的安培力，实现转子轴向稳定悬浮。

中国专利201510144912.0所述的一种双定子三自由度解耦洛伦兹力磁轴承在中国专利201510146044.X所述的一种外转子洛伦兹力轴向磁轴承的基础上，通过增加轴向绕组产生安培力控制轴向平动，偏转绕组产生安培力控制径向径向两自由度的偏转，实现了轴向平动与径向偏转控制的完全解耦，进一步提高了磁轴承的控制精度。

中国专利201510243920.0所述的一种两自由度洛伦兹力外转子球面磁轴承在中国专利201510146044.X所述的一种外转子洛伦兹力轴向磁轴承和中国专利201510144912.0所述的一种双定子三自由度解耦洛伦兹力磁轴承的基础上，采用球壳气隙方案，实现了转子大角度偏转，克服了柱壳气隙的洛伦兹力磁轴承偏转角较小的缺点。

上述洛伦兹力磁轴承的均采用传统磁钢拼接结构，气隙内磁场强度较低，磁钢拼接处磁密波动较大，降低了磁轴承偏转力矩精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种高磁场强度、高磁密均匀性、高力矩精度的双Halbach阵列球形洛伦兹力磁轴承。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的双Halbach阵列球形洛伦兹力磁轴承，主要由转子系统和定子系统组成，转子系统主要包括：外安装套、外Halbach阵列磁钢、外隔磁环、外上导磁环、外下导磁环和外组件锁母；定子系统主要包括：内安装座、内Halbach阵列磁钢、内隔磁环、内上导磁环、内下导磁环、左骨架、右骨架、左绕组、右绕组、前绕组、后绕组、环氧树脂胶和内组件锁母；外安装套位于外Halbach阵列磁钢、外隔磁环、外上导磁环、外下导磁环和和外组件锁母的径向外侧，外Halbach阵列磁钢位于外安装套径向内侧中心位置，外隔磁环位于外Halbach阵列磁钢径向内侧，外上导磁环位于外Halbach阵列磁钢和外隔磁环的上端，外下导磁环位于外Halbach阵列磁钢和外隔磁环的下端，外组件锁母位于外下导磁环的下端，外Halbach阵列磁钢、外隔磁环、外上导磁环、外下导磁环和外组件锁母位于外安装套的径向内侧，并通过外组件锁母与外安装套之间的螺纹配合固定安装在外安装套上，内安装座位于内Halbach阵列磁钢、内隔磁环、内上导磁环、内下导磁环、左骨架、右骨架、左绕组、右绕组、前绕组、后绕组、环氧树脂胶和内组件锁母的径向内侧，内Halbach阵列磁钢位于内安装座的径向外侧中心位置，内隔磁环位于内Halbach阵列磁钢的径向外侧，内上导磁环位于内Halbach阵列磁钢和内隔磁环的上端，内下导磁环位于内Halbach阵列磁钢和内隔磁环的下端，左骨架位于内隔磁环、内上导磁环和内下导磁环的左端径向外侧，右骨架位于内隔磁环、内上导磁环和内下导磁环的右段径向外侧，左绕组、右绕组、前绕组和后绕组分别位于左骨架和右骨架组成整体的左端径向外侧、右端径向外侧、前端径向外侧和后端径向外侧，左骨架、右骨架、左绕组、右绕组、前绕组和后绕组通过环氧树脂胶固化为一个整体，内组件锁母位于内下导磁环、左骨架和右骨架下端，内Halbach阵列磁钢、内隔磁环、内上导磁环、内下导磁环、左骨架、右骨架、左绕组、右绕组、前绕组、后绕组和环氧树脂胶位于内安装座的径向外侧，并通过内组件锁母与内安装座之间的螺纹配合固定安装在内安装座上，内隔磁环、内上导磁环和内下导磁环的内球面与环氧树脂胶的外球面之间形成气隙。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的双Halbach阵列球形洛伦兹力磁轴承，由于采用Halbach阵列磁钢结构，与传统采用单圈轴向充磁的磁钢结构相比，增强了气隙磁场强度，提高了磁轴承的承载力和支承刚度，利用导磁环功能消除了传统洛伦兹力磁轴承因磁钢拼接缝隙引起的磁密波动，提高了气隙磁密均匀性和磁轴承的控制精度。此外，磁极面均为球面，磁力线始终垂直磁极球面穿过绕组，偏转前后绕组位置的磁密大小和方向均不会改变，即通电绕组产生的成对安培力大小和方向不会改变，进一步提高了磁轴承偏转力矩精度。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种双Halbach阵列球形洛伦兹力磁轴承的径向X向剖视图；

图2为本发明实施例中的一种双Halbach阵列球形洛伦兹力磁轴承的径向Y向剖视图；

图3为本发明实施例中的转子系统的剖视图；

图4为本发明实施例中的定子系统的剖视图；

图5a为本发明实施例中的左骨架和右骨架的剖视图；

图5b为本发明实施例中的左骨架和右骨架的三维结构示意图；

图6a为本发明实施例中的外上导磁环和外下导磁环剖视图；

图6b为本发明实施例中的内上导磁环和内下导磁环剖视图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的双Halbach阵列球形洛伦兹力磁轴承，其较佳的具体实施方式是：

主要由转子系统和定子系统组成，转子系统主要包括：外安装套、外Halbach阵列磁钢、外隔磁环、外上导磁环、外下导磁环和外组件锁母；定子系统主要包括：内安装座、内Halbach阵列磁钢、内隔磁环、内上导磁环、内下导磁环、左骨架、右骨架、左绕组、右绕组、前绕组、后绕组、环氧树脂胶和内组件锁母；外安装套位于外Halbach阵列磁钢、外隔磁环、外上导磁环、外下导磁环和和外组件锁母的径向外侧，外Halbach阵列磁钢位于外安装套径向内侧中心位置，外隔磁环位于外Halbach阵列磁钢径向内侧，外上导磁环位于外Halbach阵列磁钢和外隔磁环的上端，外下导磁环位于外Halbach阵列磁钢和外隔磁环的下端，外组件锁母位于外下导磁环的下端，外Halbach阵列磁钢、外隔磁环、外上导磁环、外下导磁环和外组件锁母位于外安装套的径向内侧，并通过外组件锁母与外安装套之间的螺纹配合固定安装在外安装套上，内安装座位于内Halbach阵列磁钢、内隔磁环、内上导磁环、内下导磁环、左骨架、右骨架、左绕组、右绕组、前绕组、后绕组、环氧树脂胶和内组件锁母的径向内侧，内Halbach阵列磁钢位于内安装座的径向外侧中心位置，内隔磁环位于内Halbach阵列磁钢的径向外侧，内上导磁环位于内Halbach阵列磁钢和内隔磁环的上端，内下导磁环位于内Halbach阵列磁钢和内隔磁环的下端，左骨架位于内隔磁环、内上导磁环和内下导磁环的左端径向外侧，右骨架位于内隔磁环、内上导磁环和内下导磁环的右段径向外侧，左绕组、右绕组、前绕组和后绕组分别位于左骨架和右骨架组成整体的左端径向外侧、右端径向外侧、前端径向外侧和后端径向外侧，左骨架、右骨架、左绕组、右绕组、前绕组和后绕组通过环氧树脂胶固化为一个整体，内组件锁母位于内下导磁环、左骨架和右骨架下端，内Halbach阵列磁钢、内隔磁环、内上导磁环、内下导磁环、左骨架、右骨架、左绕组、右绕组、前绕组、后绕组和环氧树脂胶位于内安装座的径向外侧，并通过内组件锁母与内安装座之间的螺纹配合固定安装在内安装座上，内隔磁环、内上导磁环和内下导磁环的内球面与环氧树脂胶的外球面之间形成气隙。

所述的外上导磁环、外下导磁环、内上导磁环和内下导磁环均为1J50或1J22棒材材料。所述的外安装套、外隔磁环、外组件锁母、内安装座、内隔磁环和内组件锁母均为导热性能较好的硬铝合金2A12或超硬铝合金7A09隔磁棒材材料。所述的外Halbach阵列磁钢和内Halbach阵列磁钢为钕铁硼合金或衫钴合金硬磁材料，且均由三圈磁钢按Halbach阵列方式拼接组成。所述的外Halbach阵列磁钢和内Halbach阵列磁钢三圈磁钢充磁方向径向由外至内依次为：内上N外下S、上N下S、外上N内下S，内下N外上S、下N上S、外下N内上S，或为内上S外下N、上S下N、外上S内下N，内下S外上N、下S上N、外下S内上N。所述的左骨架和右骨架形状尺寸大小完全一致，均为耐高温高强度的聚酰亚胺材料。所述的环氧树脂胶固化环境为常温真空环境，固化时间不低于24小时。所述的外上导磁环和外下导磁环的内球面球心与内上导磁环和内下导磁环外球面球心在平衡位置时完全重合，且外上导磁环、外下导磁环、内上导磁环和内下导磁环的磁极球面在径向截面内的圆周角相同。

本发明的原理是：

本发明中的一种双Halbach阵列球形洛伦兹力磁轴承，可控制转子沿径向X、Y方向偏转，外Halbach阵列磁钢(2)和内Halbach阵列磁钢(7)产生恒定永磁磁场，利用两对成对通电线圈中产生大小相等方向相反的安培力组成两个力偶，控制转子径向两自由度偏转。本发明的+X通道永磁磁路为：磁通从外Halbach阵列磁钢N极出发，经过外上导磁环、气隙上端、左绕组上端和内上导磁环，到达内Halbach阵列磁钢的S极，从内Halbach阵列磁钢N极流出，经过内下导磁环、左绕组下端、气隙下端和外下导磁环，回到外Halbach阵列磁钢的S极；-X通道永磁磁路为：磁通从外Halbach阵列磁钢N极出发，经过外上导磁环、气隙上端、右绕组上端和内上导磁环，到达内Halbach阵列磁钢的S极，从内Halbach阵列磁钢N极流出，经过内下导磁环、右绕组下端、气隙下端和外下导磁环，回到外Halbach阵列磁钢的S极。沿Y方向磁路如图2所示，其磁路与沿X方向类似。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明由于采用Halbach阵列磁钢结构，与传统采用单圈轴向充磁的磁钢结构相比，增强了气隙磁场强度，提高了磁轴承的承载力和支承刚度，利用导磁环功能消除了传统洛伦兹力磁轴承因磁钢拼接缝隙引起的磁密波动，提高了气隙磁密均匀性和磁轴承的控制精度。此外，磁极面均为球面，磁力线始终垂直磁极球面穿过绕组，偏转前后绕组位置的磁密大小和方向均不会改变，即通电绕组产生的成对安培力大小和方向不会改变，进一步提高了磁轴承偏转力矩精度。具有高磁场强度、高磁密均匀性、高力矩精度，具有较大承载力和支承刚度，可用于磁悬浮陀螺飞轮转子两自由度偏转悬浮支承。

具体实施例：

如图1、2所示，一种双Halbach阵列球形洛伦兹力磁轴承，主要由转子系统和定子系统组成，其特征在于，转子系统主要包括：外安装套1、外Halbach阵列磁钢2、外隔磁环3、外上导磁环4A、外下导磁环4B和外组件锁母5；定子系统主要包括：内安装座6、内Halbach阵列磁钢7、内隔磁环8、内上导磁环9A、内下导磁环9B、左骨架10A、右骨架10B、左绕组11A、右绕组11B、前绕组11C、后绕组11D、环氧树脂胶12和内组件锁母13；外安装套1位于外Halbach阵列磁钢2、外隔磁环3、外上导磁环4A、外下导磁环4B和和外组件锁母5的径向外侧，外Halbach阵列磁钢2位于外安装套1径向内侧中心位置，外隔磁环3位于外Halbach阵列磁钢2径向内侧，外上导磁环4A位于外Halbach阵列磁钢2和外隔磁环3的上端，外下导磁环4B位于外Halbach阵列磁钢2和外隔磁环3的下端，外组件锁母5位于外下导磁环4B的下端，外Halbach阵列磁钢2、外隔磁环3、外上导磁环4A、外下导磁环4B和外组件锁母5位于外安装套1的径向内侧，并通过外组件锁母5与外安装套1之间的螺纹配合固定安装在外安装套1上，内安装座6位于内Halbach阵列磁钢7、内隔磁环8、内上导磁环9A、内下导磁环9B、左骨架10A、右骨架10B、左绕组11A、右绕组11B、前绕组11C、后绕组11D、环氧树脂胶12和内组件锁母13的径向内侧，内Halbach阵列磁钢7位于内安装座6的径向外侧中心位置，内隔磁环8位于内Halbach阵列磁钢7的径向外侧，内上导磁环9A位于内Halbach阵列磁钢7和内隔磁环8的上端，内下导磁环9B位于内Halbach阵列磁钢7和内隔磁环8的下端，左骨架10A位于内隔磁环8、内上导磁环9A和内下导磁环9B的左端径向外侧，右骨架10B位于内隔磁环8、内上导磁环9A和内下导磁环9B的右段径向外侧，左绕组11A、右绕组11B、前绕组11C和后绕组11D分别位于左骨架10A和右骨架10B组成整体的左端径向外侧、右端径向外侧、前端径向外侧和后端径向外侧，左骨架10A、右骨架10B、左绕组11A、右绕组11B、前绕组11C和后绕组11D通过环氧树脂胶12固化为一个整体，内组件锁母13位于内下导磁环9B、左骨架10A和右骨架10B下端，内Halbach阵列磁钢7、内隔磁环8、内上导磁环9A、内下导磁环9B、左骨架10A、右骨架10B、左绕组11A、右绕组11B、前绕组11C、后绕组11D和环氧树脂胶12位于内安装座6的径向外侧，并通过内组件锁母13与内安装座6之间的螺纹配合固定安装在内安装座6上，内隔磁环8、内上导磁环9A和内下导磁环9B的内球面与环氧树脂胶12的外球面之间形成气隙14。

图3为本发明技术解决方案的转子系统的剖视图，转子系统主要包括：外安装套1、外Halbach阵列磁钢2、外隔磁环3、外上导磁环4A、外下导磁环4B和外组件锁母5。外安装套1位于外Halbach阵列磁钢2、外隔磁环3、外上导磁环4A、外下导磁环4B和和外组件锁母5的径向外侧，外Halbach阵列磁钢2位于外安装套1径向内侧中心位置，外隔磁环3位于外Halbach阵列磁钢2径向内侧，外上导磁环4A位于外Halbach阵列磁钢2和外隔磁环3的上端，外下导磁环4B位于外Halbach阵列磁钢2和外隔磁环3的下端，外组件锁母5位于外下导磁环4B的下端，外Halbach阵列磁钢2、外隔磁环3、外上导磁环4A、外下导磁环4B和外组件锁母5位于外安装套1的径向内侧，并通过外组件锁母5与外安装套1之间的螺纹配合固定安装在外安装套1上。上述发明所用外上导磁环4A和外下导磁环4B均为1J50或1J22棒材材料，所用的外安装套1、外隔磁环3和外组件锁母5均为导热性能较好的硬铝合金2A12或超硬铝合金7A09隔磁棒材材料，所用的外Halbach阵列磁钢2为钕铁硼合金或衫钴合金硬磁材料，且由三圈磁钢按Halbach阵列方式拼接组成，其充磁方向从外至内依次为：内上N外下S、上N下S、外上N内下S或内上S外下N、上S下N、外上S内下N。

图4为本发明技术解决方案的定子系统的剖视图，定子系统主要包括：内安装座6、内Halbach阵列磁钢7、内隔磁环8、内上导磁环9A、内下导磁环9B、左骨架10A、右骨架10B、左绕组11A、右绕组11B、前绕组11C、后绕组11D、环氧树脂胶12和内组件锁母13。内安装座6位于内Halbach阵列磁钢7、内隔磁环8、内上导磁环9A、内下导磁环9B、左骨架10A、右骨架10B、左绕组11A、右绕组11B、前绕组11C、后绕组11D、环氧树脂胶12和内组件锁母13的径向内侧，内Halbach阵列磁钢7位于内安装座6的径向外侧中心位置，内隔磁环8位于内Halbach阵列磁钢7的径向外侧，内上导磁环9A位于内Halbach阵列磁钢7和内隔磁环8的上端，内下导磁环9B位于内Halbach阵列磁钢7和内隔磁环8的下端，左骨架10A位于内隔磁环8、内上导磁环9A和内下导磁环9B的左端径向外侧，右骨架10B位于内隔磁环8、内上导磁环9A和内下导磁环9B的右段径向外侧，左绕组11A、右绕组11B、前绕组11C和后绕组11D分别位于左骨架10A和右骨架10B组成整体的左端径向外侧、右端径向外侧、前端径向外侧和后端径向外侧，左骨架10A、右骨架10B、左绕组11A、右绕组11B、前绕组11C和后绕组11D通过环氧树脂胶12固化为一个整体，内组件锁母13位于内下导磁环9B、左骨架10A和右骨架10B下端，内Halbach阵列磁钢7、内隔磁环8、内上导磁环9A、内下导磁环9B、左骨架10A、右骨架10B、左绕组11A、右绕组11B、前绕组11C、后绕组11D和环氧树脂胶12位于内安装座6的径向外侧，并通过内组件锁母13与内安装座6之间的螺纹配合固定安装在内安装座6上。上述发明所用内上导磁环9A和内下导磁环9B均为1J50或1J22棒材材料，所用的内安装座6、内隔磁环8和内组件锁母13均为导热性能较好的硬铝合金2A12或超硬铝合金7A09隔磁棒材材料，所用的内Halbach阵列磁钢7为钕铁硼合金或衫钴合金硬磁材料，且由三圈磁钢按Halbach阵列方式拼接组成，其充磁方向从外至内依次为：内下N外上S、下N上S、外下N内上S或内下S外上N、下S上N、外下S内上N。

图5a为本发明技术解决方案的左骨架10A和右骨架10B的剖视图，图5b为本发明技术解决方案的左骨架10A和右骨架10B的三维结构示意图，其材料为耐高温高强度的聚酰亚胺材料，且外形尺寸完全相同，左骨架10A和右骨架10B组成的组件外侧有左凸台、右凸台、前凸台和后凸台，分别用于左绕组11A、右绕组11B、前绕组11C和后绕组11D四个绕组缠绕。

图6a为本发明技术解决方案的外上导磁环4A和外下导磁环4B剖视图，图6b为本发明技术解决方案的内上导磁环9A和内下导磁环9B剖视图，其材料均为1J50或1J22棒材材料，外上导磁环4A和外下导磁环4B外形尺寸完全相同，内上导磁环9A和内下导磁环9B的外形尺寸完全相同，平衡状态下，外上导磁环4A和外下导磁环4B的内球面球心与内上导磁环9A和内下导磁环9B的外球面球心完全重合。

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，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。