一种双线圈轴向球面纯电磁磁轴承.pdf

一种双线圈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、激磁线圈。本发明采用上、下球面磁轴承，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。此外，上、下定子铁心采用极靴结构，使圆周上的磁场分布更加均匀，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，匝数大的线圈电流不变，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。

权利要求书
1.  一种双线圈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，其特征在于：定子系统主要包括：上定子铁心(1-1)、下定子铁心(1-2)、上轴向上端激磁线圈(2-1)、上轴向下端激磁线圈(3-1)、下轴向下端激磁线圈(2-2)和下轴向上端激磁线圈(3-2)；
其中上定子铁心(1-1)包括球面左磁极、球面中磁极和球面右磁极，上定子铁心(1-1)球面左磁极左侧边缘与上定子铁心(1-1)球面右磁极右侧边缘形成的夹角为87°，上定子铁心(1-1)球面中磁极根部左侧圆锥面与上定子铁心(1-1)球面左磁极和上定子铁心(1-1)球面中磁极的连接处所成角度为86°，上定子铁心(1-1)球面中磁极根部右侧圆锥面与上定子铁心(1-1)球面中磁极和上定子铁心(1-1)球面右磁极的连接处所成角度为86°；下定子铁心(1-2)包括球面左磁极、球面中磁极和球面右磁极，下定子铁心(1-2)球面左磁极左侧边缘与下定子铁心(1-2)球面右磁极右侧边缘形成的夹角为87°，下定子铁心(1-2)球面中磁极根部左侧圆锥面与下定子铁心(1-2)球面左磁极和下定子铁心(1-2)球面中磁极的连接处所成角度为86°，下定子铁心(1-2)球面中磁极根部右侧圆锥面与下定子铁心(1-2)球面中磁极和下定子铁心(1-2)球面右磁极的连接处所成角度为86°，上定子铁心(1-1)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(2-1)和上轴向下端激磁线圈(3-1)，上定子铁心(1-1)、上轴向上端激磁线圈(2-1)和上轴向下端激磁线圈(3-1)共同构成上球面定子，下定子铁心(1-2)球面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(2-2)和下轴向上端激磁线圈(3-2)，下定子铁心(1-2)、下轴向下端激磁线圈(2-2)和下轴向上端激磁线圈(3-2)共同构成下球面定子，转轴(4)位于上定子铁心(1-1)和下定子铁心(1-2)之间，转轴(4) 上球面与上定子铁心(1-1)各磁极球面间留有一定的球壳间隙，形成上轴向球壳气隙(5)，转轴(4)下球面与下定子铁心(1-2)各磁极球面间留有一定的球壳间隙，形成下轴向球壳气隙(6)。

2.  根据权利要求1所述的一种双线圈轴向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：所述的上定子铁心(1-1)球面左磁极左侧边缘与上定子铁心(1-1)球面左磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为47°，上定子铁心(1-1)球面左磁极右侧边缘与上定子铁心(1-1)球面左磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为113°，上定子铁心(1-1)球面中磁极左侧边缘与上定子铁心(1-1)球面中磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为71°，上定子铁心(1-1)球面中磁极右侧边缘与上定子铁心(1-1)球面中磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为71°，上定子铁心(1-1)球面右磁极左侧边缘与上定子铁心(1-1)球面右磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为113°，上定子铁心(1-1)球面右磁极右侧边缘与上定子铁心(1-1)球面右磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为47°，下定子铁心(1-2)球面左磁极左侧边缘与下定子铁心(1-2)球面左磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为47°，下定子铁心(1-2)球面左磁极右侧边缘与下定子铁心(1-2)球面左磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为113°，下定子铁心(1-2)球面中磁极左侧边缘与下定子铁心(1-2)球面中磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为71°，下定子铁心(1-2)球面中磁极右侧边缘与下定子铁心(1-2)球面中磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为71°，下定子铁心(1-2)球面右磁极左侧边缘与下定子铁心(1-2)球面右磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为113°，下定子铁心(1-2)球面右磁极右侧边缘与下定子铁心(1-2)球面右磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为47°。

3.  根据权利要求1所述的一种双线圈轴向球面纯电磁磁轴承，其特征 在于：所述的上定子铁心(1-1)和下定子铁心(1-2)均为1J22导磁块材材料。

4.  根据权利要求1所述的一种双线圈轴向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：所述的上定子铁心(1-1)和下定子铁心(1-2)的球面半径取20mm～50mm，且上定子铁心(1-1)和下定子铁心(1-2)的外形尺寸完全相等，安装后二者球心完全重合。

5.  根据权利要求1所述的一种双线圈轴向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：所述的上轴向上端激磁线圈(2-1)和上轴向下端激磁线圈(3-1)的轴向间隙为0.5mm～0.8mm，下轴向下端激磁线圈(2-2)和下轴向上端激磁线圈(3-2)的轴向间隙为0.5mm～0.8mm。

6.  根据权利要求1所述的一种双线圈轴向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：所述的转轴(4)的球面半径取19mm～49mm，转轴(4)上球面所对应的球心角为84°，转轴(4)上球面左侧边缘与转轴(4)上球面左侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转轴(4)上球面右侧边缘与转轴(4)上球面右侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转轴(4)下球面所对应的球心角为84°，转轴(4)下球面左侧边缘与转轴(4)下球面左侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转轴(4)下球面右侧边缘与转轴(4)下球面右侧圆弧边缘切线所成夹角为132°。

7.  根据权利要求1所述的一种双线圈轴向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：所述的上轴向球壳气隙(5)和下轴向球壳气隙(6)大小为0.5mm～0.7mm。

8.  根据权利要求1所述的一种双线圈轴向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：所述上定子铁心(1-1)的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；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。

9.  根据权利要求1所述的一种双线圈轴向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：所述上定子铁心(1-1)球面左磁极右侧边缘与上定子铁心(1-1)球面中磁极左侧边缘之间距离为1.4mm，上定子铁心(1-1)球面右磁极左侧边缘与上定子铁心(1-1)球面中磁极右侧边缘之间距离为1.4mm；下定子铁心(1-2)球面左磁极右侧边缘与下定子铁心(1-2)球面中磁极左侧边缘之间距离为1.4mm，下定子铁心(1-2)球面右磁极左侧边缘与下定子铁心(1-2)球面中磁极右侧边缘之间距离为1.4mm。

10.  根据权利要求1所述的一种双线圈轴向球面纯电磁磁轴承，其特征在于：所述上轴向上端激磁线圈(2-1)的线圈匝数为100～200匝，上轴向下端激磁线圈(3-1)的线圈匝数为20～50匝；下轴向下端激磁线圈(2-2)的线圈匝数为80～160匝，下轴向上端激磁线圈(3-2)的线圈匝数为15～40匝。

说明书一种双线圈轴向球面纯电磁磁轴承
技术领域
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
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。
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
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。
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，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87°，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1.4mm，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1.4mm，上定子铁心球面中磁极根部左侧圆锥面与上定子铁心球面左磁极和上定子铁心球面中磁极的连接处所成角度为86°，上定子铁心球面中磁极根部右侧圆锥面与上定子铁心球面中磁极和上定子铁心球面右磁极的连接处所成角度为86°；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87°，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1.4mm，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1.4mm，下定子铁心球面中磁极根部左侧圆锥面与下定子铁心球面左磁极和下定子铁心球面中磁极的连接处所成角度为86°，下定子铁心球面中磁极根部右侧圆锥面与下定子铁心球面中磁极和下定子铁心球面右磁极的连接处所成角度为86°，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100～200匝，上轴向下端激磁线圈的线圈匝数为20～50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，下定子铁心球面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匝数为80～160匝，下轴向上端激磁线圈的线圈匝数为15～40匝，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各磁极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各磁极球面间留有一定的球壳间隙，形成下轴向球壳气隙。
所述的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47°，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113°，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71°，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71°，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113°，上定子铁心球面右磁极右侧边缘与上定子铁心球面右磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为47°，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47°，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113°，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71°，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71°，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113°，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47°。
所述的上定子铁心和下定子铁心均为1J22导磁块材材料。
所述的上定子铁心和下定子铁心的球面半径取20mm～50mm，且上定子铁心和下定子铁心的外形尺寸完全相等，安装后二者球心完全重合。
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0.5mm～0.8mm，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0.5mm～0.8mm，以减小两个线圈在通电流之后产生的匝间漏磁和互感。
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，匝数大的线圈电流不变，匝数多的线圈通入恒定电流，以产生偏置磁场，匝数少的线圈通入可控电流，以产生调节磁场，且线圈电感较小，提高了控制的响应速度。
所述的转轴的球面半径取19mm～49mm，转轴上球面所对应的球心角为84°，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132°，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132°，转轴下球面所对应的球心角为84°，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132°，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132°。
所述的上轴向球壳气隙和下轴向球壳气隙大小为0.5mm～0.7mm。
本发明的原理是：上定子铁心和下定子铁心的磁极面结构采用球面结构，使转轴所受电磁力始终经过球心，当转轴球心与质心重合，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。上定子铁心和下定子铁心采用极靴结构，使磁场沿圆周方向具有较好的均匀度，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，由于可控线圈的匝数少，因此电感小，可大大提高电流响应速率，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。
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
图1为本发明技术解决方案的一种双线圈轴向球面纯电磁磁轴承的剖视图；其中图1a为双线圈轴向球面纯电磁磁轴承的径向+X向剖视图；图1b为双线圈轴向球面纯电磁磁轴承的径向+Y向剖视图；
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；
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为剖视图；图3b为三维结构示意图；
图4为本发明技术解决方案的转轴结构图；其中图4a为剖视图；图4b为三维结构示意图。
[主要标记符号说明]
1-1-上定子铁心、1-2-下定子铁心、2-1-上轴向上端激磁线圈、3-1-上轴向下端激磁线圈、2-2-下轴向下端激磁线圈、3-2-下轴向上端激磁线圈、4-转轴、5-上轴向球壳气隙、6-下轴向球壳气隙。
具体实施方案
如图1所示，一种双线圈轴向球面纯电磁磁轴承，主要由定子系统和转轴组成，定子系统主要包括：上定子铁心1-1、下定子铁心1-2、上轴向上端激磁线圈2-1、上轴向下端激磁线圈3-1、下轴向下端激磁线圈2-2和下轴向上端激磁线圈3-2；上定子铁心1-1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1-1球面左磁极左侧边缘与上定子铁心1-1球面右磁极右侧边缘形成的夹角为87°，上定子铁心1-1球面左磁极右侧边缘与上定子铁心1-1球面中磁极左侧边缘之间距离为1.4mm，上定子铁心1-1球面右磁极左侧边缘与上定子铁心1-1球面中磁极右侧边缘之间距离为1.4mm，上定子铁心1-1球面中磁极根部左侧圆锥面与上定子铁心1-1球面左磁极和上定子铁心1-1球面中磁极的连接处所成角度为86°，上定子铁心1-1球面中磁极右侧圆锥面与上定子铁心1-1球面中磁极和上定子铁心1-1球面右磁极的连接处所成角度为86°，下定子铁心1-2包括球面左磁极、球面中磁极和球面右磁极，下定子铁心1-2球面左磁极左侧边缘与下定子铁心1-2球面右磁极右侧边缘形成的夹角为87°，下定子铁心1-2球面左磁极右侧边缘与下定子铁心1-2球面中磁极左侧边缘之间距离为1.4mm，下定子铁心1-2球面右磁极左侧边缘与下定子铁心1-2球面中磁极右侧边缘之间距离为1.4mm，下定子铁心1-2球面中磁极左侧圆锥面与下定子铁心1-2球面左磁极和下定子铁心1-2球面中磁极的连接处所成角度为86°，下定子铁心1-2球面中磁极根部右侧圆锥面与下定子铁心1-2球面中磁极和下定子铁心1-2球面右磁极的连接处所成角度为86°，上定子铁心1-1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2-1和上轴向下端激磁线圈3-1，上轴向上端激磁线圈2-1的线圈匝数为100～200匝，上轴向下端激磁线圈3-1的线圈匝数为20～50匝，在本实施例中上轴向上端激磁线圈2-1的线圈匝数优选为150匝，上轴向下端激磁线圈3-1的线圈匝数优选为35匝，上定子铁心1-1、上轴向上端激磁线圈2-1和上轴向下端激磁线圈3-1共同构成上球面定子，下定子铁心1-2球面中磁极的径向 内侧从下到上依次绕制有下轴向下端激磁线圈2-2和下轴向上端激磁线圈3-2，的线圈匝数为80～160匝，下轴向上端激磁线圈3-2的线圈匝数为15～40匝，在本实施例中的下轴向下端激磁线圈2-2线圈匝数优选为150匝，下轴向上端激磁线圈3-2的线圈匝数优选为35匝，下定子铁心1-2、下轴向下端激磁线圈2-2和下轴向上端激磁线圈3-2共同构成下球面定子，转轴4位于上定子铁心1-1和下定子铁心1-2之间，转轴4上球面与上定子铁心1-1球面间留有一定的球壳间隙，形成上轴向球壳气隙5，转轴4下球面与下定子铁心1-2球面间留有一定的球壳间隙，形成下轴向球壳气隙6。
图2为上、下球面定子和双线圈结构图，图2a为剖视图；图2b为三维结构示意图，上球面定子主要包括：上定子铁心1-1、上轴向上端激磁线圈2-1和上轴向下端激磁线圈3-1，下球面定子主要包括：下定子铁心1-2、下轴向下端激磁线圈2-2和下轴向上端激磁线圈3-2；上定子铁心1-1球面左磁极左侧边缘与上定子铁心1-1球面右磁极右侧边缘形成的夹角为87°，上定子铁心1-1球面左磁极右侧边缘与上定子铁心1-1球面中磁极左侧边缘之间距离为1.4mm，上定子铁心1-1球面右磁极左侧边缘与上定子铁心1-1球面中磁极右侧边缘之间距离为1.4mm，上定子铁心1-1球面中磁极根部左侧圆锥面与上定子铁心1-1球面左磁极和上定子铁心1-1球面中磁极的连接处所成角度为86°，上定子铁心1-1球面中磁极根部右侧圆锥面与上定子铁心1-1球面中磁极和上定子铁心1-1球面右磁极的连接处所成角度为86°，下定子铁心1-2球面左磁极左侧边缘与下定子铁心1-2球面右磁极右侧边缘形成的夹角为87°，下定子铁心1-2球面左磁极右侧边缘与下定子铁心1-2球面中磁极左侧边缘之间距离为1.4mm，下定子铁心1-2球面右磁极左侧边缘与下定子铁心1-2球面中磁极右侧边缘之间距离为1.4mm，下定子铁心1-2 球面中磁极根部左侧圆锥面与下定子铁心1-2左磁极和下定子铁心1-2球面中磁极的连接处所成角度为86°，下定子铁心1-2球面中磁极根部右侧圆锥面与下定子铁心1-2球面中磁极和下定子铁心1-2球面右磁极的连接处所成角度为86°，上定子铁心1-1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2-1和上轴向下端激磁线圈3-1，上轴向上端激磁线圈2-1的线圈匝数为100～200匝，上轴向下端激磁线圈3-1的线圈匝数为20～50匝，在本实施例中上轴向上端激磁线圈2-1的线圈匝数优选为150匝，上轴向下端激磁线圈3-1的线圈匝数优选为35匝，下定子铁心1-2球面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2-2和下轴向上端激磁线圈3-2，下轴向下端激磁线圈2-2的线圈匝数为80～160匝，下轴向上端激磁线圈3-2的线圈匝数为15～40匝，在本实施例中的下轴向下端激磁线圈2-2线圈匝数优选为150匝，下轴向上端激磁线圈3-2的线圈匝数优选为35匝。上轴向上端激磁线圈2-1和上轴向下端激磁线圈3-1的轴向间隙为0.5mm～0.8mm，下轴向下端激磁线圈2-2和下轴向上端激磁线圈3-2的轴向间隙为0.5mm～0.8mm，在本发明中上轴向上端激磁线圈2-1和上轴向下端激磁线圈3-1的轴向间隙优选为0.5mm，下轴向下端激磁线圈2-2和下轴向上端激磁线圈3-2的轴向间隙优选为0.5mm。优选间隙的原则为确保两个线圈在分别通入电流后，两者之间形成的互感最小以及漏磁最小。
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为剖视图；图3b为三维结构示意图，上定子铁心1-1球面左磁极左侧边缘与上定子铁心1-1球面左磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为47°，上定子铁心1-1球面左磁极右侧边缘与上定子铁心1-1球面左磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为113°，上定子铁心1-1球面中磁极左侧边缘与上定子铁心1-1球 面中磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为71°，上定子铁心1-1球面中磁极右侧边缘与上定子铁心1-1球面中磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为71°，上定子铁心1-1球面右磁极左侧边缘与上定子铁心1-1右磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为113°，上定子铁心1-1球面右磁极右侧边缘与上定子铁心1-1球面右磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为47°，下定子铁心1-2球面左磁极左侧边缘与下定子铁心1-2球面左磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为47°，下定子铁心1-2球面左磁极右侧边缘与上定子铁心1-1球面左磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为113°，下定子铁心1-2球面中磁极左侧边缘与下定子铁心1-2球面中磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为71°，下定子铁心1-2球面中磁极右侧边缘与下定子铁心1-2球面中磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为71°，下定子铁心1-2球面右磁极左侧边缘与下定子铁心1-2球面右磁极左侧圆弧边缘切线所成夹角为113°，下定子铁心1-2球面右磁极右侧边缘与下定子铁心1-2球面右磁极右侧圆弧边缘切线所成夹角为47°，上述各个角度的确定是通过大量的仿真和实验得到的最优角度值，可以使得气隙磁场在圆周方向上的波动最小，峰峰值可在20mT以下，上定子铁心1-1和下定子铁心1-2均为1J22导磁块材材料，上定子铁心1-1和下定子铁心1-2的球面半径取20mm～50mm，在本发明中上定子铁心1-1和下定子铁心1-2的球面半径取22.5mm，且上定子铁心1-1和下定子铁心1-2的外形尺寸完全相等，安装后二者球心完全重合。
图4为本发明技术解决方案的转轴结构图；其中图4a为剖视图；图4b为三维结构示意图。转轴4的球面半径取19mm～49mm，在本实施例中转轴4的球面半径取22mm，转轴4上球面所对应的球心角为84°，转轴4上球面左侧边缘与转轴4上球面左侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转轴4 上球面右侧边缘与转轴4上球面右侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转轴4下球面所对应的球心角为84°，转轴4下球面左侧边缘与转轴4下球面左侧圆弧边缘切线所成夹角为132°，转轴4下球面右侧边缘与转轴4下球面右侧圆弧边缘切线所成夹角为132°。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。