一种轴向球面纯电磁磁轴承的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种球面纯电磁磁轴承，可作为小型航天器中旋转部件的无接触支撑，特别适用于磁悬浮飞轮的非接触支承。
技术背景
[0002]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。
[0003]现有磁悬浮飞轮结构中，一般采用单自由度轴向磁轴承或三自由度轴向磁轴承。无论采用何种方案，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。中国专利申请号200510011272.2和200710098749.4所述的永磁偏置轴向磁轴承的磁极面均为柱面，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。
【发明内容】
[0004]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供了一种消除了径向扭动干扰的轴向球面纯电磁磁轴承。
[0005]本发明的技术解决方案是:一种轴向球面纯电磁磁轴承，主要由定子系统和转轴两部分组成，定子系统主要包括:上定子铁心、下定子铁心、上轴向上端激磁线圈、上轴向下端激磁线圈、下轴向下端激磁线圈和下轴向上端激磁线圈；上定子铁心包括球面左磁极、球面中磁极和球面右磁极，上定子铁心包括球面左磁极、球面中磁极和球面右磁极，且球面中磁极的面积大于球面左磁极和球面右磁极的面积之和，优选为球面中磁极的面积为球面左磁极和球面右磁极的面积之和的3倍，上定子铁心球面左磁极左侧边缘与上定子铁心球面右磁极右侧边缘形成的夹角为85°，上定子铁心球面左磁极右侧边缘与上定子铁心球面中磁极左侧边缘之间距离为3.8mm，上定子铁心球面右磁极左侧边缘与上定子铁心球面中磁极右侧边缘之间距离为3.8mm，上定子铁心球面左磁极左侧边缘与上定子铁心球面左磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为45°，上定子铁心球面左磁极右侧边缘与上定子铁心球面左磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为110°，上定子铁心球面中磁极左侧边缘与上定子铁心球面中磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为77°，上定子铁心球面中磁极右侧边缘与上定子铁心球面中磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为77°，上定子铁心球面右磁极左侧边缘与上定子铁心球面右磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为110°，上定子铁心球面右磁极右侧边缘与上定子铁心右磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为45°，下定子铁心包括球面左磁极、球面中磁极和球面右磁极，下定子铁心球面左磁极左侧边缘与下定子铁心球面右磁极右侧边缘形成的夹角为85°，下定子铁心球面左磁极右侧边缘与下定子铁心球面中磁极左侧边缘之间距离为3.8mm,下定子铁心球面右磁极左侧边缘与下定子铁心球面中磁极右侧边缘之间距离为3.8mm,下定子铁心球面左磁极左侧边缘与下定子铁心球面左磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为45°，下定子铁心球面左磁极右侧边缘与下定子铁心球面左磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为110°，下定子铁心球面中磁极左侧边缘与下定子铁心球面中磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为77°，下定子铁心球面中磁极右侧边缘与下定子铁心球面中磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为77°，下定子铁心球面右磁极左侧边缘与下定子铁心球面右磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为110°，下定子铁心球面右磁极右侧边缘与下定子铁心球面右磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为45°，上定子铁心球面中磁极的径向内侧从上到下依次绕制上轴向上端激磁线圈和上轴向下端激磁线圈，上轴向上端激磁线圈的线圈匝数为90?180匝，上轴向下端激磁线圈的线圈匝数为18?48匝，上定子铁心、上轴向上端激磁线圈和上轴向下端激磁线圈共同构成上球面定子，下定子铁心中磁极的径向内侧从下到上依次绕制有下轴向下端激磁线圈和下轴向上端激磁线圈，下轴向下端激磁线圈的线圈胆数为70?150胆，下轴向上端激磁线圈的线圈胆数为10?30胆，下定子铁心、下轴向下端激磁线圈和下轴向上端激磁线圈共同构成下球面定子，转轴位于上定子铁心和下定子铁心之间，转轴上球面与上定子铁心球面间留有一定的球壳间隙，形成上轴向球壳气隙，转轴下球面与下定子铁心球面间留有一定的球壳间隙，形成下轴向球壳气隙。
[0006]所述的上定子铁心和下定子铁心均为1J22导磁块材材料。
[0007]所述的上定子铁心和下定子铁心的球面半径取18mm?45mm，且上定子铁心和下定子铁心的外形尺寸完全相等，安装后一者球心完全重合。
[0008]所述的上轴向上端激磁线圈和上轴向下端激磁线圈的轴向间隙为0.4mm?
0.7mm，下轴向下端激磁线圈和下轴向上端激磁线圈的轴向间隙为0.4mm?0.7mm，，以减小两个线圈在通电流之后产生的匝间漏磁和互感。
[0009]所述的转轴的球面半径取17mm?44mm，转轴上球面左侧边缘与转轴上球面右侧边缘所成夹角为82°，转轴上球面左侧边缘与转轴上球面左侧圆弧边缘切线所成夹角为130°，转轴上球面右侧边缘与转轴上球面右侧圆弧边缘切线所成夹角为130°，转轴下球面左侧边缘与转轴下球面右侧边缘所成夹角为82°，转轴下球面左侧边缘与转轴下球面左侧圆弧边缘切线所成夹角为130°，转轴下球面右侧边缘与转轴下球面右侧圆弧边缘切线所成夹角为130°。
[0010]所述的上轴向球壳气隙和下轴向球壳气隙大小为0.4mm?0.8mm。
[0011]本发明的原理是:上定子铁心和下定子铁心采用球面结构，使转轴所受电磁力始终经过球心，当转轴球心与质心重合时，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。使磁场沿圆周方向具有较好的均勾度，且中磁极球面的面积大于左磁极和右磁极的球面面积之和，使径向外侧的磁轴承力干扰力矩减小，进一步提高了磁轴承的控制精度。上、下定子铁心的激磁线圈采用双线圈结构，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，与单线圈结构相比提高了电流响应速率，可控电流采用差动形式，当上轴向球壳气隙减小，下轴向球壳气隙增大，转轴偏离平衡位置时，上轴向下端激磁线圈电流减小，下轴向上端激磁线圈电流增大，且上轴向下端激磁线圈电流和下轴向上端激磁线圈电流变化数值相同，此时，上球面定子对转轴的吸力减小，下球面定子对转轴的吸力增大，使转轴回到其平衡位置，当上轴向球壳气隙增大，下轴向球壳气隙减小，转轴偏离平衡位置时，上轴向下端激磁线圈电流增大，下轴向上端激磁线圈电流减小，且上轴向下端激磁线圈电流和下轴向上端激磁线圈电流变化数值相同，此时，上球面定子对转轴的吸力增大，下球面定子对转轴的吸力减小，使转轴回到其平衡位置。如图1所示，本发明的上偏置磁路为:磁通从上定子铁心右侧上磁极面出发，经过上轴向球壳右侧气隙、转轴铁心、上轴向球壳左侧气隙、上定子铁心左侧下磁极面回到上定子铁心右侧上磁极面，构成闭合回路。本发明的下偏置磁路为:磁通从下定子铁心右侧上磁极面出发，经过下轴向球壳右侧气隙、转轴铁心、下轴向球壳左侧气隙、下定子铁心左侧下磁极面回到下定子铁心右侧上磁极面，构成闭合回路。
[0012]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，消除了径向扭动对轴向平动的干扰；(2)定子铁心采用极靴结构，使磁场具有较好的圆周均匀度；(3)激磁线圈采用双线圈结构，且两线圈匝数不同，匝数少的线圈电流可控，匝数多的线圈电流不变，与单线圈结构相比提高了电流响应速率，可控电流采用差动形式，进一步提高了磁轴承的控制精度。
【附图说明】
[0013]图1为本发明技术解决方案的一种轴向球面纯电磁磁轴承的剖视图；其中图1a为轴向球面纯电磁磁轴承的径向+X向剖视图；图1b为轴向球面纯电磁磁轴承的径向+Y向剖视图；
[0014]图2为本发明技术解决方案的上、下球面定子和双线圈结构图；其中图2a为剖视图；图2b为三维结构示意图；
[0015]图3为本发明技术解决方案的上、下定子铁心结构图；其中图3a为