[发明专利]一种垂直线圈径向均匀磁极低损耗外转子混合磁轴承

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种垂直线圈径向均匀磁极低损耗外转子混合磁轴承，可以作为旋转部件的无接触支撑，特别是卫星姿态控制磁悬浮飞轮、储能飞轮的无接触支撑。

背景技术

主动磁轴承的损耗是一个重要的综合指标，直接影响到磁轴承的应用。主动磁轴承可分为电磁轴承和永磁偏置加电磁控制的混合磁轴承，前者必须在电磁线圈中设定偏置电流来给磁轴承提供工作点，因此控制电流大，功耗大；永磁偏置加电磁控制的混合磁轴承，永磁体提供了磁路的主要磁通和偏置工作点磁场，电磁线圈提供磁路的调节磁通，按一定控制律使转子处于平衡位置，因而可以显著减小控制电流，降低功耗，因而特别适合于对功耗要求高的空间用飞轮等应用场合。但目前的永磁偏置径向混合磁轴承采用的磁极结构，线圈铁心与工作磁极采用一体结构，磁极在圆周方向是彼此分割开的，因此，其径向磁场沿圆周方向是交替变化的，导致转子在高速旋转时，通过转子铁心圆周面的磁通按转速的N倍频(N等于磁极数)周期性变化，由此带来的涡流损耗不可忽略，而转子铁心的叠片结构只能在一定程度上减小涡流损耗。尽管进一步减小转子铁心的叠片厚度可以显著降低涡流损耗，但会带来磁轴承的支撑强度问题。因此，对高速飞轮转子，目前的混合磁轴承还存在明显的技术缺点：一方面，转子铁心的涡流将产生明显的阻滞力矩，在姿态控制用磁悬浮飞轮等航天应用场合，将会显著增加驱动电机的功耗，并影响卫星姿态控制的稳定度和精度；另一方面，为降低风阻损耗，高速转子要封闭在高真空的壳体内，这时的涡流损耗还将带来转子散热设计的困难。此外，目前的混合磁轴承线圈铁心与工作磁极采用一体结构，还存在结构复杂，不能充分利用磁极的圆周面积等缺点。

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，提供一种采用垂直线圈径向均匀磁极低损耗永磁偏置外转子混合磁轴承，将磁轴承通常相互分割开的磁极在外边缘相连为一整体圆环，当转子处于平衡位置时，工作气隙的径向永磁偏置磁场在整个圆周面上是均匀的，从源头上将转子运行时的涡流损耗和阻滞力矩降低到最低程度；线圈铁心与工作磁极采用分体结构，加工和装配更方便，并使磁极可以充分利用圆周面积，增大其最大承载力。

本发明的技术解决方案是，参见图1～3所示，一种垂直线圈径向均匀磁极低损耗外转子混合磁轴承，其技术特点在于，它由转子导磁环1和定子2组成。所述转子导磁环1套在定子2上构成外转子。该转子导磁环1由外导磁环12和转子铁心11构成，其中转子铁心11同轴线套装在外导磁环12的内腔。所述定子2由定子盘24、上导磁盖板23、下导磁盖板27、八个电磁线圈21和定子安装轴26组成。其中所述上导磁盖板23、定子盘24、下导磁盖板27通过四个连接杆25依次连接并套装在定子安装轴26上。所述电磁线圈21垂直放置并分别置于定子盘24的上、下两侧。上述定子2的定子盘24由上导磁极板241、磁柱安装盘242、下导磁极板243和永磁体244组成。其中上导磁极板241、磁柱安装盘242、下导磁极板243依次层叠，永磁体244嵌入磁柱安装盘242内；上述定子2的定子盘24的外环面与上述转子导磁环1的转子铁心11的内环面之间具有间隙即工作气隙3；上述永磁体244、上导磁极板241、下导磁极板243与上述转子导磁环1和气隙3构成永磁磁路7；上述线圈铁心22、上导磁盖板23、上导磁极板241、气隙3、转子导磁环1、下导磁极板243和下导磁盖板27构成电磁磁路6。该永磁磁路7除了为本发明的磁轴承提供工作点外，还提供转子轴向运动的被动稳定控制以及转子绕X轴和Y轴转动的被动稳定。

如上述本发明的磁轴承的定子盘24的中间部分是磁柱安装盘242以及一组按磁极位置均匀分布的圆形或扇形柱状永磁体。该永磁体沿轴向同向充磁。永磁体上下两端是结构对称的导磁极板即上导磁极板241与下导磁极板243。每块导磁极板均匀分割成对称的四磁极结构。每个磁极与一个电磁控制线圈相连，磁极板平面与线圈铁心轴线垂直。在磁极板外缘，相邻磁极之间通过小截面积的导磁体连成一体，四个磁极在外缘处连接成一个整体的圆环。因此，当转子处于平衡位置时，工作气隙的径向永磁偏置磁场在整个圆周面上是均匀的，径向永磁磁通在转子铁心上产生的涡流损耗降低到最低程度。本发明采用叠片结构转子铁心，用来进一步降低转子偏离平衡位置时永磁磁通扰动和线圈控制磁通变化带来的磁轴承转子铁心的涡流损耗。

本发明可以设计为径向两轴主动控制混合磁轴承，也可以设计为径向四轴主动控制混合磁轴承，参见图4，就是说，可以设计为多个本发明产品的组合形式以供应不同的需求。