[发明专利]一种球形磁悬浮轴承装置

说明书

本发明公开了一种球形磁悬浮轴承装置，可作为动力学仿真平台、三自由度转台、万向动量轮等系统的三自由度无接触支承装置，主要由上磁轴承、下磁轴承、位置传感器、辅助轴承、辅助轴承座、磁悬浮转子、轴座及锁紧螺母等部件组成。由球形磁悬浮轴承装置中心向外依次为轴座、上磁轴承、下磁轴承、位置传感器、辅助轴承和锁紧螺母，在辅助轴承外侧为辅助轴承座，磁悬浮转子处于整个装置的外侧，磁悬浮转子的内表面与上、下磁轴承外表面和位置传感器探头表面为同心球面，通过控制系统保持磁悬浮转子的中心位置不变，并保证磁悬浮转子具有三个旋转自由度。本发明具有运动角度范围大、结构简单、成体低、可靠性高和使用寿命长等优点。

技术领域

本发明涉及磁悬浮轴承的技术领域，具体涉及一种球形磁悬浮轴承装置，可作为空间动力学仿真平台、三自由度转台、机器人关节、万向动量轮等系统的多自由度无接触支承装置。

背景技术

空间动力学仿真平台、机器人关节、三轴转台、万向动量轮等装置都要求具有多自由度运动能力，为减小这些装置的结构复杂性、体积和重量，并提高其使用寿命和可靠性(特别是工作在空间环境下的装置)，所以迫切需求多自由度支承系统，尤其是球形支承机构。另外，球形电机技术的进步及其应用也受到了球形支承技术的限制。通过机械接触方式实现球形支承机构存在的主要缺点有机械零件加工制造困难，机械安装复杂，存在运动干涉，体积大，需要润滑，由于存在摩擦和磨损而寿命短，可靠性较差。而球形气浮轴承存在气浮轴承的间隙大、刚度不可控、占用空间大(需要气源，如泵房或气瓶)和噪声大等缺点，且主要应用于三自由度航天器仿真装置。而球形磁悬浮装置与其相比，实现了无接触支承，无需润滑和密封，轴承间隙小，其刚度主动可控，无振动、噪声小。另外，还不需气源等附加装置，并可应用于空间环境，对各种恶劣环境有很好的适应性。目前有的大型航天器姿态机动装置中应用于球形磁悬浮轴承装置，美国专利号：No.4785212,1988结构的大角度磁悬浮装置，存在结构复杂、制造和加工难度大等缺点，而且只应用于大型航天器的姿态控制；美国专利号：No.6351049,2002结构的球连形磁轴承，存在耦合问题的将导致控制难度大和稳定差，定子铁心采用实心铁磁性材料，将导致损耗大，且没有保护轴承和非接触位移传感器等装置；由于存在上述缺陷，故现有的球形磁悬浮轴承装置存在结构复杂、功耗大、成本高和控制难度大等缺点。

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，提供一种结构简单、运动范围大，而且可靠性高、使用寿命长和不存在化学污染的球形磁悬浮轴承装置。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种球形磁悬浮轴承装置，由静止和转动两部分组成，静止部分包括上磁轴承的静止部分、下磁轴承的静止部分、辅助轴承、位置传感器、辅助轴承座、轴座和锁紧螺母；转动部分包括磁悬浮转子。轴座外于球形磁悬浮轴承装置的中部，由轴座中部向外分别为上磁轴承的静止部分、下磁轴承的静止部分、位置传感器、辅助轴承和锁紧螺母，在辅助轴承外侧为辅助轴承座。上磁轴承的静止部分和下磁轴承的静止部分和位置传感器分别与轴座相连接，辅助轴承通过锁紧螺母固定在轴座上，辅助轴承座与辅助轴承连接，磁悬浮转子处于整个装置外侧，辅助轴承座与磁悬浮转子之间形成保护间隙，磁悬浮转子的内表面与上磁轴承定子磁极外表面、下磁轴承定子磁极外表面和位置传感器探头表面为同心球面。位置传感器输出的电信号与外加控制器的输入端相连，该控制器的输出端分别与上磁轴承和下磁轴承的激磁线圈相连接，形成电的闭环回路，通过控制系统保持磁悬浮转子的中心位置不变，并保证磁悬浮转子具有三个旋转自由度。

其中，所述的上磁轴承和下磁轴承均为非机械接触的电磁偏置磁悬浮轴承，而且上磁轴承的定子磁极表面和下磁轴承定子磁极表面均为球面四边形，上磁轴承的定子和下磁轴承定子均由4个磁极对组成，相对球心对称放置，上磁轴承的定子和下磁轴承定子的铁心采用导磁性能良好的软磁材料冲压迭制而成。

其中，所述的上磁轴承和下磁轴承同时为磁悬浮转子提供径向支承和轴向支承作用，省去了普通的轴向磁轴承。