[发明专利]一种具有辅助气隙的高刚度球形洛伦兹偏转轴承

说明书

一种具有辅助气隙的高刚度球形洛伦兹偏转轴承，包括转子系统和定子系统，转子系统包括：安装套、辅助磁钢、导磁套、隔磁环、梯形球面磁钢、球面顺磁环、梯形球面磁钢垫圈、安装套锁母、组件锁母和转子转盘；定子系统包括：定子骨架、绕组和环氧树脂胶；定/转子系统存在辅助气隙和气隙。本发明将双圈辅助磁钢与四圈主磁钢在磁路回路中串联，提高了磁路回路磁动势。同时在双圈辅助磁钢旁增设两个辅助气隙，使得主磁路磁通大部分穿过辅助气隙形成回路，降低了磁路回路磁阻，提高了四圈主磁钢磁动势的利用率，从而增大气隙磁密和悬浮刚度。

技术领域

本发明涉及一种具有辅助气隙的非接触磁悬浮轴承，尤其涉及一种用于稳定悬浮平台的能够高动态控制的高刚度球形洛伦兹偏转轴承。

背景技术

惯性稳定平台利用惯性测量器件实时检测平台动子姿态信息，对载体(飞机、舰船、航天器等)的姿态变化、外部的冲击等各种扰动进行隔离，精确控制载荷姿态。根据支承方式的不同，惯性稳定平台可分为机械式、气浮式、液浮式和磁悬浮式四类。机械式稳定平台因结构简单和技术成熟的优势，被广泛应用于卫星、飞机，舰船等遥感观测领域，但其多框架间机械传动过程中不可避免的摩擦与振动，以及零转速附近的回转间隙制约了稳定精度的进一步提升。气浮式稳定平台消除了传统机械式稳定平台摩擦、振动以及回转间隙的影响，提高了稳定精度，但刚度较低，控制带宽不足，在承受大载荷大机动工作时略显不足。液浮式稳定平台同样避免了机械摩擦、振动与回转间隙对平台系统的干扰，且具有较高的刚度，但控制带宽较低，在受到高频干扰时力所不及。磁悬浮稳定平台采用磁悬浮轴承，同时能够对平台进行高刚度高带宽主动控制，是遥感领域理想的姿态稳定机构。

根据支承平台工作的磁轴承的不同，磁悬浮稳定平台可分为磁阻式和洛伦兹式。前者具有高刚度和低功耗的优势，但磁阻力轴承产生的电磁力线性度较差，且转子偏转前后气隙形状发生改变，产生干扰力矩，使得平台稳定精度难以进一步提高。洛伦兹式稳定平台产生的控制力矩与线圈中的电流成线性关系，控制精度较高，简化了平台控制系统。因此，洛伦兹力轴承可作为惯性稳定平台的理想支承选择。

现有技术中，授权专利ZL201510243920.0所述的一种两自由度洛伦兹力外转子球面磁轴承，采用球壳状气隙，可实现大角度偏转，具有线性度好、带宽高、导热性能好等优点，但其为单边双圈磁钢结构，回路中磁钢数量较少，导致回路中磁动势低，悬浮刚度较低。为此，授权专利ZL201610983437.0所述的一种梯形球面偏转洛伦兹力磁轴承，采用双边四圈梯形球面磁钢结构，磁钢数量翻倍，在实现大角度偏转的基础上，极大的提高了回路中磁动势，大幅提升了悬浮刚度。为进一步提升轴承悬浮刚度，授权专利ZL201610920731.7所述的一种两自由度Halbach阵列偏转洛伦兹力磁轴承，采用双边四圈Halbach阵列磁钢代替授权专利ZL201610983437.0所述的一种梯形球面偏转洛伦兹力磁轴承的对应位置四圈梯形球面磁钢。由于采用Halbach阵列磁钢，提高了回路中磁动势，增强了气隙磁场强度，提升了轴承悬浮刚度。但Halbach阵列磁钢边缘处漏磁较多，降低气隙边缘处的气隙磁密，气隙磁密均匀性差。为削弱磁钢边缘漏磁和提升气隙磁密均匀性，授权专利ZL201710220886.4所述的一种V形聚磁效应的隐式洛伦兹力轴向磁轴承和授权专利ZL201710220889.8所述的一种U形聚磁效应的隐式洛伦兹力偏转磁轴承，二者均采用双边四圈聚磁构型阵列磁钢代替授权专利ZL201610920731.7所述的一种两自由度Halbach阵列偏转洛伦兹力磁轴承中的Halbach阵列磁钢，通过聚磁磁通将主磁通在磁极边缘的发散磁通压缩，产生磁路聚磁效应，提升气隙磁密均匀性。由于聚磁构型阵列磁钢的磁动势大于Halbach阵列磁钢的磁动势，致使气隙磁密大幅提升，从而提高轴承悬浮刚度。专利申请201810766501.9所述的一种高刚度隐式洛伦兹力偏转磁轴承，在原有双边四圈径向充磁磁钢的基础上，增设两圈轴向充磁辅助磁钢，将磁路回路中串联磁钢数量提升至六圈，提高了磁路回路中磁动势，提升了轴承悬浮刚度。但其磁钢串联构型在增加磁路磁动势的同时，也增大了整个磁路回路的磁阻，降低了原有双边四圈磁钢和辅助磁钢两者磁动势的利用率，使得轴承刚度提升效果不尽如人意。

发明内容