一种低功耗磁悬浮控制力矩陀螺高速转子系统的制作方法

本发明设计磁悬浮轴承的技术领域，具体涉及一种低功耗磁悬浮控制力矩陀螺高速转子系统。

背景技术：

磁悬浮轴承具有无机械摩擦、不需要润滑、转子转速高、寿命长、可靠性高等优点，在分子泵、鼓风机、飞轮、控制力矩陀螺等领域得到广泛应用。其中控制力矩陀螺的高速转子系统通过磁悬浮轴承支承，可以实现无机械摩擦、无润滑的特点。

题目为《磁悬浮控制力矩陀螺热-结构耦合分析与研究》的CNKI文献采用的是主被动磁轴承，其结构较为复杂，且被动磁轴承部分不受控，需在控制方面采用较为复杂的方法。题目为《一种低干扰力矩的三自由度球面磁轴承》的CNKI文献介绍了一种三自由度球面磁轴承，其定子和转子接触面为球形包络，加工装配比较复杂，且其为纯电磁轴承，损耗较大。

其余CNKI文献对磁悬浮控制力矩陀螺转子的研究多采用对称式永磁偏置径向磁轴承结构，其损耗较大，装配困难。

授权号为CN104118579B的中国专利文献提供了一种四自由度单框架磁悬浮控制力矩陀螺，转子部分通过一个四自由度的磁轴承支承，其结构比较复杂，装配比较困难。授权号为CN100538270C的中国专利文献提供了一种双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其径向磁轴承部分采用对称式的混合磁轴承，一个径向磁轴承组件中包含两个磁轴承定子，磁极对齐的装配过程比较繁琐，而且损耗相对较高。

一般磁悬浮轴承通过径向磁轴承和轴向磁轴承来控制转子的五个自由度，实现转子的主动控制，通过改进磁轴承的结构等方面对损耗等方面来进行优化。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于：针对磁悬浮支承的控制力矩陀螺转子系统，提出一种低功耗磁悬浮控制力矩陀螺高速转子系统以达到减小质量、降低损耗、简化轴承结构、方便安装的目的。

本发明采用的技术方案为：一种低功耗磁悬浮控制力矩陀螺高速转子系统，包括：径向磁轴承定子组件、轴向磁轴承定子组件、杯型电机、径向传感器组件、轴向传感器组件、保护轴承、陀螺房；所述径向磁轴承定子组件采用混合磁轴承方案，以达到减小质量、降低损耗、装配工艺简单可靠的目的。

所述径向磁轴承定子组件为同极非对称永磁偏置径向磁轴承，包括套筒、径向磁轴承定子、线圈、永磁体、偏磁环和导磁环。线圈在骨架上进行绕线后再装入定子铁芯的磁极中，可降低绕线的难度。利用永磁体为径向磁轴承提供偏置磁通，同时采用同极的径向磁轴承结构，可减小损耗。

所述径向磁轴承定子组件共两个，分别放置在转子轴的两端，两个径向磁轴承定子组件之间的距离大，从而使得单个径向磁轴承定子的输出力矩会变小，进而使得控制电流减小、永磁体体积小，最终达到减小损耗和质量的目的。同时由于体积减小，在陀螺房中占据空间减小，使得陀螺房中的空间更加空旷，有利于散热。

所述径向磁轴承采用非对称式混合磁轴承，一个径向磁轴承组件中只有一个同极磁轴承定子，没有对称式混合磁轴承组件中两个磁轴承定子要保证磁极对应的过程，装配工艺简单，可靠性高。

其中，所述径向磁轴承定子组件结构简单，在加工装配阶段，定子叠层先装入导磁环中，再将导磁环、永磁体、偏磁环共同装入套筒内，只要保证径向磁轴承定子内孔和导磁环外径、套筒内外径的同轴度要求，即可满足装配所需的同轴度要求。避免了定子叠层由于叠片不齐导致的同轴度无法保证的不足。

由此，本发明的方案通过采用低功耗非对称混合径向磁轴承支承的方案，其有益效果在于：相较于对称式永磁偏置径向磁轴承，减小了磁轴承的质量，降低磁轴承的损耗，并且具有结构简单，装配工艺简单可靠的特点；相较于主被动磁轴承，其控制方式较为简单；相较于四自由度磁轴承来说，该结构的径向磁轴承部分和轴向磁轴承部分是分离的，结构上更加简单；相较于三自由度球面磁轴承来说，其零件加工工艺更简单，且更适用于支撑点距离较大的转子结构，可以减小单个轴承的输出力矩，减小损耗。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明的控制力矩陀螺转子系统结构图；

图2是本发明的控制力矩陀螺转子径向磁轴承结构图；

图3是对称式混合径向磁轴承结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有点更加清楚，下面结合本发明的具体实施例和相应的附图对本发明技术方案进行清楚完整地描述。

本发明设计的一种低功耗磁悬浮控制力矩陀螺高速转子系统，该结构包括：轴向传感器组件1、径向磁轴承定子组件2、陀螺房3、保护轴承4、径向传感器组件5、杯型电机6、轴向磁轴承定子组件7；

所述径向磁轴承定子组件2采用混合磁轴承方案，以达到减小质量、降低损耗、增大输出力矩、装配工艺简单可靠的目的。

其中，所述径向磁轴承定子组件2为同极非对称永磁偏置径向磁轴承，包括套筒2.1、导磁环2.2、径向磁轴承定子2.3、线圈2.4、永磁体2.5和偏磁环2.6。线圈2.4在骨架上进行绕线后再装入径向磁轴承定子2.3的磁极中，可降低绕线的难度。利用永磁体2.5为径向磁轴承提供偏置磁通，使得控制电流比较小，同时采用同极的径向磁轴承结构减小了由于旋转产生的涡流损耗，从而减小总损耗。

其中，所述径向磁轴承定子组件2共两个，分别放置在转子轴的两端，出力点位于磁轴承定子组件中的定子叠层的中间面内，两个径向磁轴承定子组件出力点之间的距离大，从而使得单个径向磁轴承定子的输出力矩会变小，输出力也会变小，进而使得控制电流减小、永磁体体积减小，最终达到减小损耗和质量的目的。同时由于体积减小，在陀螺房中占据空间减小，使得陀螺房中的空间更加空旷，增加了陀螺房内的散热空间，有利于散热。

其中，所述径向磁轴承定子组件2结构简单，在加工装配阶段，径向磁轴承定子2.3加工完外圆的尺寸使其与导磁环2.2内孔配合，然后将定子叠层先装入导磁环中，再将导磁环2.2、永磁体2.5、偏磁环2.6共同装入套筒内，安装时可借助芯轴来安装，通过芯轴来保证径向磁轴承定子2.3内孔和最终装配好的导磁环2.2外径的同轴度要求，即可满足装配所需的同轴度要求。避免了定子叠层由于叠片不齐导致的同轴度无法保证的不足。

其中，所述径向磁轴承采用非对称式混合磁轴承，一个径向磁轴承组件2中只有一个同极的径向磁轴承定子2.3，相比较对称式混合磁轴承组件(如图3)中有两个磁轴承定子8.1，在装配过程中需要比较严格地保证两个定子的磁极对齐，装配比较困难；如果在装配过程中磁极没有对齐，就会给控制增加难度，而该非对称式混合磁轴承组件中只有一个定子，磁轴承组件装配阶段不需要刻意确定磁极方位，只需要在将磁轴承组件安装在陀螺房中时保证两个磁轴承组件中的磁极对齐即可，这个装配过程要更简单可靠。