[发明专利]一种五自由度磁轴承

说明书

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种五自由度永磁偏置径向磁轴承，可作为磁悬浮飞轮等航天器惯性执行机构中转子部件的无接触支撑。

背景技术

随着卫星任务多样化的发展，卫星对姿态控制系统的要求越来越高，磁悬浮飞轮作为一种航天器姿态控制执行机构，对其要求为控制精度高、功耗低、体积小。在现有磁悬浮飞轮结构中，一般采用两个单自由度轴向磁轴承+两个两自由度径向磁轴承结构，或两个三自由度轴向磁轴承+一个两自由度径向磁轴承结构。而现有的径向磁轴承一般定子部分分为四个磁极，且永磁磁路及电磁磁路在各个磁极之间互相耦合，如专利200510011690.1所述的永磁偏置外转子径向磁轴承及专利200710063272.6中的具有冗余结构的永磁偏置外转子径向混合磁轴承均包含有四个相互耦合的径向磁极组成，若应用到大角度扭转的磁悬浮反作用飞轮中，当飞轮扭转时，径向四个磁极下的气隙大小不再相等，若径向某一通道承重施加电流时，受通道耦合影响，电流在另一通道会产生一个额外附加力，而本身通道的励磁减少，使承重通道的承载力降低。由于存在上述缺陷，现有磁轴承在飞轮应用中存在径向通道耦合严重、体积大的缺点。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种径向通道耦合小、控制精度高、体积小的低功耗五自由度磁轴承。

本发明的技术解决方案是：一种五自由度磁轴承，由定子部分和转子部分组成，其中定子部分包括下轴向定子、上轴向定子、定子隔磁环、永磁体、径向定子、径向定子隔磁环和径向线圈，转子部分包括上轴向转子、下轴向转子、径向转子铁心和转子隔磁环，其中永磁体的外侧为径向定子，径向定子共有两个，沿圆周方向正交放置，两个径向定子之间有径向定子隔磁环，径向定子由定子齿和定子导磁轭组成，径向定子齿上绕有径向线圈，永磁体的轴向上下两侧均为定子隔磁环，永磁体与定子隔磁环的径向内侧为下轴向定子，下轴向定子的上侧为上轴向定子，径向定子的外侧为径向转子铁心，径向定子和径向转子铁心之间为径向磁气隙，径向转子铁心上下两侧为转子隔磁环，下轴向转子安装在径向转子铁心和转子隔磁环的径向外侧，并与上轴向转子相连，上轴向定子的外侧为上轴向转子，上轴向定子和上轴向转子以及下轴向定子和下轴向转子之间为轴向磁气隙，上轴向定子和上轴向转子以及下轴向定子和下轴向转子均为同等轴向长度的整环结构。

所述径向定子隔磁环的厚度为2mm～4mm。永磁体沿周向方向分为互不相连的四块，各永磁体块均为沿径向充磁，分别位于径向定子的四个定子齿的径向内侧，且各永磁体的周向跨距与径向定子的定子齿的周向跨距相同，均为60°～80°圆心角。

所述径向磁气隙大小为0.3mm～0.8mm，轴向磁气隙的大小为0.4mm～0.85mm。

所述径向转子铁心采用1J50或非晶中的任意一种叠压制成，上轴向定子、下轴向定子、上轴向转子和下轴向转子均采用1J22棒材或电工纯铁中的任意一种制成。

所述径向转子铁心轴向长度比径向定子齿轴向长度大3～6mm。

本发明的原理是：本发明的五自由度磁轴承，利用轴向定子和轴向转子之间的相互作用力(磁偏拉力)来控制轴向平动及绕x轴、y轴的扭动，利用径向定子和径向转子之间的相互作用力来控制径向两个方向的平动，永磁体同时为轴向磁气隙和径向磁气隙提供偏置磁通，如图1中实线箭头方向所示，永磁体产生的永磁磁通路径为：磁通从永磁体N极出发，分别经过x方向及y方向径向定子、x及y方向径向气隙到转子铁心，然后经由上、下轴向转子、轴向气隙，到达上下轴向定子，再回到永磁体S极。径向x方向电磁磁路路径如图2中虚线箭头方向所示：电磁磁通从+x方向上的径向定子齿出发，经+x方向磁气隙、径向转子铁心、-x方向磁气隙、-x方向径向定子齿，然后经x方向定子导磁轭，回到+x方向上的定子齿形成回路。径向y方向电磁磁路与x方向相似，由+y方向上的径向定子齿出发，经+y方向磁气隙、径向转子铁心、-y方向磁气隙、-y方向径向定子齿，然后经y方向定子导磁轭，回到+y方向上的定子齿形成回路。由于定子隔磁环的存在，径向x方向与y方向的永磁磁路互不耦合，电磁磁路也互不耦合，因此当x方向气隙发生显著变化，或x通道施加控制电流时，y方向的永磁及电磁磁密均不会发生变化，且x方向电流产生的磁压降仅降落在+x和-x方向磁气隙上，因此该电流可以在x方向产生更大的电磁磁密，从而可增大x方向的出力。