組合式五自由度電磁軸承的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于機電工程技術領域，涉及一種內轉子型組合式五自由度電磁軸承。該軸承可作為旋轉部件的無接觸支撐，尤其可作為慣性穩定平臺的內部支承機構。
【背景技術】
[0002]磁軸承，按磁力提供方式，可分為被動磁軸承、混合磁軸承和主動磁軸承三種。其中被動磁軸承為不穩定系統，需與其它軸承配合使用；混合磁軸承將永磁偏置與電磁控制相結合，可減少控制電流，降低功耗，但對尺寸和承載力較大的軸承，因偏心狀態下永磁體吸力大導致組裝困難；而主動磁軸承的磁場單靠電磁線圈產生，磁路簡單，非工作狀態無電磁吸力，便于組裝，所以比較適合慣性穩定平臺尺寸和承載力較大的機械系統。然而，已知的電磁軸承定子其定子銜鐵通常為一體結構，其徑向銜鐵與軸向銜鐵分別各自形成一個完整的定子圓環，且徑向銜鐵與軸向銜鐵分別對應各自的導磁環，通常采用一對徑向兩自由度磁軸承加一個軸向推力磁軸承的組合形式作為被懸浮對象的五自由度支承系統，其中軸向推力磁軸承控制轉子的軸向平動運動，一對徑向兩自由度磁軸承控制轉子沿徑向兩軸的平動及繞徑向兩軸的轉動。當被懸浮對象的徑向尺寸較大而徑向力要求較小時，徑向銜鐵磁極面積總和遠遠小于導磁環對應磁極面積，導磁環不能被充分利用，且定子徑向磁極之間用于結構連接而非形成磁路的鐵心長度顯著增加。隨著被懸浮對象徑向尺寸增加，上述電磁軸承的體積和質量亦顯著增大。對慣性穩定平臺這種在體積上和質量上均要求苛刻的場合都是極為不利的。
【發明內容】
[0003]本發明要解決的技術問題是，針對現有技術的缺陷，提供一種組合式五自由度電磁軸承，該軸承系一種包含分散徑向電磁銜鐵和分散軸向電磁銜鐵的內轉子型組合式電磁軸承，應質量輕、結構緊湊且組裝方便。
[0004]本發明的技術方案是:一種組合式五自由度電磁軸承，參見附圖1，具有環狀轉子導磁環I和同軸線套置于轉子導磁環I上的環狀定子2。其技術特點在于，所述定子2具有一環狀定子框21，該定子框21的軸向兩端分別呈輻射狀徑向均勻分布有四個軸向銜鐵23。
[0005]參見附圖3，所述軸向銜鐵23具有呈弧形條狀的軸向鐵心231，軸向銜鐵23即依托該軸向鐵心231疊置于定子框21上。該軸向鐵心231徑向內側分布有三個徑向呈“L”字形的軸向磁極233。該三個軸向磁極233上分別纏繞有一個軸向線圈232，該三個軸向線圈232的匝數相同且該三個軸向線圈232之間串聯貫通。該三個軸向磁極233內側端頭伸向上述轉子導磁環I并與該轉子導磁環I的軸向端面之間間隔有可形成工作氣隙的軸向間隙。這樣，當轉子導磁環I處于平衡位置時各軸向工作氣隙寬度相等；而上述定子2的定子框21上還分別對應呈輻射狀徑向均勻分布有四個徑向銜鐵22。使各徑向銜鐵22分別徑向置于相鄰二組軸向銜鐵23沿圓周方向中央的定子框21內側框壁上。
[0006]參見附圖2，所述徑向銜鐵22亦具有呈弧形條狀的徑向鐵心221，徑向銜鐵22即依托該徑向鐵心221插置于定子框21上。該徑向鐵心221徑向內側分布有三個徑向磁極223。該三個徑向磁極223上分別套裝有一個徑向線圈222，該三個徑向線圈222的匝數相同且該三個徑向線圈222之間串聯貫通。而所述三個徑向磁極223內側端頭伸向上述轉子導磁環I并與該轉子導磁環I的徑向外側面之間間隔有可形成工作氣隙的徑向間隙。這樣，當轉子導磁環I處于平衡位置時各徑向工作氣隙寬度相等。
[0007]本發明的工作原理是:參見圖1，當轉子導磁環I處于平衡位置時，各徑向工作氣隙寬度相等，各徑向線圈222中的電流大小相等，轉子導磁環I所受徑向合力為零。假設轉子導磁環I受載荷或干擾力作用產生+X向的微小平動位移時，+X徑向工作氣隙寬度減小，+X向的徑向銜鐵22吸力增加，相反，-X向的徑向銜鐵22吸力減小，轉子導磁環I受到+X向合力繼續向+X向移動。為了抑制這種不平衡，通過控制系統使+X向的徑向線圈222中電流減小，-X向的徑向線圈222中電流增大，從而產生-X向合力把轉子導磁環I拉回平衡位置。當轉子導磁環I有Y向平動位移時，工作原理一致。當轉子導磁環I有+Z向平動位移時，+Z向的四個軸向銜鐵23吸力增加，相反，-Z向的四個軸向銜鐵23吸力減小，轉子導磁環I受到+Z向合力繼續向+Z向移動。為了抑制這種不平衡，通過控制系統使+Z向的軸向線圈232中電流減小，-Z向的軸向線圈232中電流增大，從而產生-Z向合力把轉子導磁環I拉回平衡位置。而當轉子I有繞徑向兩軸即X軸和Y軸的轉動角位移時，通過控制軸向線圈232中的電流產生相應的合力矩將轉子I拉回平衡位置。
[0008]本發明的有益之處在于:與現有技術相比，采用分散式的徑向銜鐵和軸向銜鐵，有利于減小磁軸承體積和質量；徑向銜鐵和軸向銜鐵共用轉子導磁環，使轉子導磁環磁極面得到充分利用，進一步減小了磁軸承體積和質量。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發明組合式五自由度電磁軸承一個具體實施例的結構示意圖；
圖2為圖1所不徑向銜鐵的結構不意圖；
圖3為圖1所示軸向銜鐵的結構示意圖。
[0010]以上圖1?3中所示標記為:
1-轉子導磁環，
2-定子，
21-定子框，
22-徑向銜鐵，
221-徑向鐵心，
222-徑向線圈，
223-徑向磁極，
23-軸向銜鐵，
231-軸向鐵心，
232-軸向線圈，
233-軸向磁極。
【具體實施方式】
[0011 ] 參見附圖1，本發明的組合式五自由度電磁軸承的該實施例，具有環狀轉子導磁環I和同軸線套置于轉子導磁環I上的環狀定子2。其中轉子導磁環I材質為市售導磁性能良好的軟磁材料10#鋼。定子2具有一環狀定子框21，該定子框21取材非導磁高強輕質鋁合金制作，定子框21的軸向兩端分別呈輻射狀徑向均勻分布有四個軸向銜鐵23。
[0012]參見附圖3，所述軸向銜鐵23具有呈弧形條狀的軸向鐵心231，軸向鐵心231取材軟磁材料制作，軸向銜鐵23即依托該軸向鐵心231通過不導磁螺栓固定疊置于定子框21上。該軸向鐵心231徑向內側呈“E”字形分布三個徑向呈“L”字形的軸向磁極233。其中位于中間的軸向磁極233的磁極截面積是位于兩側的軸向磁極233的磁極截面積的二倍。該三個軸向磁極233上分別纏繞有一個軸向線圈232，該三個軸向線圈232均采用市售導電性能良好的聚氨酯漆包銅線繞制后浸漆烘干而成，匝數相同，均為110?140匝。該三個軸向線圈232之間串聯貫通。該三個軸向磁極233內側端頭伸向上述轉子導磁環I并與該轉子導磁環I的軸向端面之間間隔有可形成工作氣隙的軸向間隙；定子2的定子框21上分別對應呈輻射狀徑向均勻分布四個徑向銜鐵22。使各徑向銜鐵22分別通過不導磁螺栓徑向固定于相鄰二組軸向銜鐵23沿圓周方向中央的定子框21內側框壁上，相鄰的軸向銜鐵23與徑向銜鐵22之間的中心夾角為45°。
[0013]參見附圖2，所述徑向銜鐵22亦具有呈弧形條狀的徑向鐵心221，徑向鐵心221亦取材軟磁材料制作，徑向銜鐵22即依托該徑向鐵心221通過不導磁螺栓固定插置于定子框21上。該徑向鐵心221徑向內側呈“E”字形分布三個徑向磁極223，其中位于中間的徑向磁極223的磁極截面積是位于兩側的徑向磁極223的磁極截面積的二倍。三個徑向磁極223上分別套裝一個徑向線圈222，該三個徑向線圈222均采用市售導電性能良好的聚氨酯漆包銅線繞制后浸漆烘干而成，匝數相同，均為110?140匝。該三個徑向線圈222之間串聯貫通。而三個徑向磁極223內側端頭伸向上述轉子導磁環I并與該轉子導磁環I的徑向外側面之間間隔有可形成工作氣隙的徑向間隙。
[0014]為避免磁路耦合，使上述轉子導磁環I上的軸向銜鐵23和徑向銜鐵22的磁路保持一致，即各軸向銜鐵23和各徑向銜鐵22均分別由中間磁極經轉子導磁環I進入兩邊磁極，或均分別由兩邊磁極經轉子導磁環I進入中間磁極。
【主權項】
1.一種組合式五自由度電磁軸承，具有環狀轉子導磁環(I)和同軸線套置于轉子導磁環(I)上的環狀定子(2)，其特征在于，所述定子(2)具有一環狀定子框(21)，該定子框(21)的軸向兩端分別呈輻射狀徑向均勻分布有四個軸向銜鐵(23)，所述軸向銜鐵(23)具有呈弧形條狀的軸向鐵心(231)，軸向銜鐵(23)即依托該軸向鐵心(231)疊置于定子框(21)上，該軸向鐵心(231)徑向內側分布有三個徑向呈“ L”字形的軸向磁極(233 )，該三個軸向磁極(233)上分別纏繞有一個軸向線圈(232)，該三個軸向線圈(232)的匝數相同且該三個軸向線圈(232)之間串聯貫通，該三個軸向磁極(233)內側端頭伸向上述轉子導磁環(I)并與該轉子導磁環(I)的軸向端面之間間隔有可形成工作氣隙的軸向間隙；而上述定子(2)的定子框(21)上還分別對應呈輻射狀徑向均勻分布有四個徑向銜鐵(22)，使各徑向銜鐵(22)分別徑向置于相鄰二組軸向銜鐵(23)沿圓周方向中央的定子框(21)內側框壁上，所述徑向銜鐵(22)亦具有呈弧形條狀的徑向鐵心(221)，徑向銜鐵(22)即依托該徑向鐵心(221)插置于定子框(21)上，該徑向鐵心(221)徑向內側分布有三個徑向磁極(223)，該三個徑向磁極(223 )上分別套裝有一個徑向線圈(222 )，該三個徑向線圈(222 )的匝數相同且該三個徑向線圈(222)之間串聯貫通，而所述三個徑向磁極(223)內側端頭伸向上述轉子導磁環(I)并與該轉子導磁環(I)的徑向外側面之間間隔有可形成工作氣隙的徑向間隙。
【專利摘要】本發明介紹了一種組合式五自由度電磁軸承，具有轉子導磁環（1）和定子（2）。其中定子（2）具有定子框（21），定子框（21）分布有軸向銜鐵（23），其軸向鐵心（231）分布三個軸向磁極（233）伸向轉子導磁環（1）并與之形成間隙；徑向銜鐵（22）依托徑向鐵心（221）插置于定子框（21）上，內側分布三個徑向磁極（223）伸向轉子導磁環（1）并與之形成間隙。該軸承采用分散式徑向銜鐵和軸向銜鐵，有利于減小磁軸承體積和質量；徑向銜鐵和軸向銜鐵共用轉子導磁環，使轉子導磁環磁極面得到充分利用，進一步減小了磁軸承體積和質量。
【IPC分類】F16C32/04
【公開號】CN105020270
【申請號】CN201510310221
【發明人】劉昆, 侯二永, 肖凱, 單小強, 林竹翀
【申請人】中國人民解放軍國防科學技術大學
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年6月5日