CN100437031C - 完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺 - Google Patents

Abstract

完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺，主要由磁悬浮框架系统和磁悬浮转子系统两大部分组成。磁悬浮框架系统主要由框架连接件、框架保护轴承、框架芯轴、框架力矩电机、角位置传感器、框架径向磁轴承、框架轴向磁轴承、框架系统径向/轴向一体化位移传感器、导电滑环、框架底座、框架连接件组成；磁悬浮转子系统主要由陀螺转子、轴座、轴向磁轴承、径向磁轴承、转子系统径向/轴向一体化位移传感器、保护轴承、驱动电机、密封罩、转子系统底座、转子系统连接件组成。本发明采用了磁轴承支撑的转子系统，大大提高了陀螺转子的工作转速和使用寿命；同时框架系统采用磁悬浮单端支撑方式，消除了机械摩擦，提高了系统的控制精度。

Description

完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺

技术领域

本发明涉及完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺，可用于大型航天器比如空间站或者小型航天器比如敏捷机动卫星的姿态控制。

背景技术

现代应用于对地观测或是科学研究的卫星平台或是小型航天器对稳定性和大角度机动的灵活性提出了越来越高的要求。能大角度机动的卫星可以提高对地观测的效率和质量。单框架控制力矩陀螺是航天器用于姿态控制的主要执行部件之一。现有的单框架控制力矩陀螺，陀螺转子系统和框架系统都采用机械轴承支撑，由于机械轴承存在磨损，所以转子系统在转速和使用寿命方面还存在很多限制，同时由于框架系统的机械轴摩擦力矩为非线性的，这会给航天器系统带来一个干扰力矩，从而影响航天器的稳定性；现有的单框架控制力矩陀螺都采用两端支撑的方式，如附图1，框架系统有两个支撑点(支撑点1、2)，这种结构的控制力矩陀螺的框架系统需要为转子系统提供回转空间，所以框架系统的体积和重量相对较大，并且和卫星的机械接口也比较大，不适合中小力矩输出的控制力矩陀螺。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，将磁悬浮技术应用于控制力矩陀螺的转子系统和框架系统中，提供了一种完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺，可用于大型航天器如空间站或小型航天器如敏捷机动卫星的大角度机动姿态控制。

本发明的技术解决方案为一种完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：主要由磁悬浮转子系统和磁悬浮机架系统两大部分组成，其中磁悬浮转子系统主要由密封罩、陀螺转子、径向磁轴承、左轴向磁轴承、保护轴承、轴座、转子系统径向/轴向一体化位移传感器、转子系统底座、驱动电机、转子系统连接件、右轴向磁轴承组成，其中陀螺转子、径向磁轴承转子部分、驱动电机转子部分、左轴向磁轴承转子部分、右轴向磁轴承转子部分组成磁悬浮转子系统的转子组件，其余为定子组件，定子组件和转子组件之间通过径向磁轴承和轴向磁轴承实现非机械接触的稳定悬浮，径向磁轴承位于磁悬浮转子系统的中部，其定子部分安装于轴座上，转子部分与陀螺转子相连，径向磁轴承的轴向两侧向外是径向/轴向一体化位移传感器和保护轴承，它们与轴座固连，径向/轴向一体化位移传感器的径向外侧是驱动电机，驱动电机的转子部分安装在陀螺转子上，定子部分安装在转子系统底座上，保护轴承的径向外侧是左轴向磁轴承和右轴向磁轴承，它们的转动部分通过轴承套与陀螺转子相连，左轴向磁轴承的定子部分与轴座固连，右轴向磁轴承的定子部分与转子系统底座相连，磁悬浮转子系统的定子组件与轴座相连，轴座通过转子系统底座与转子系统连接件固连；磁悬浮框架系统主要由框架连接件、上径向/轴向一体化位移传感器、框架径向磁轴承、框架力矩电机、框架轴向磁轴承、角位置传感器、下径向/轴向一体化位移传感器、框架保护轴承、框架芯轴、导电滑环、框架底座组成，其中框架芯轴、框架力矩电机转子部分、角位置传感器转子部分、框架连接件、下径向/轴向一体化位移传感器、框架径向磁轴承转子部分、框架轴向磁轴承转子部分组成框架的转动部分，其余为静止部分，框架芯轴为空心圆柱，其内侧安装有框架径向磁轴承的转子部分和框架轴向磁轴承的转子部分，其外侧从下到上依次为保护轴承、下径向/轴向一体化位移传感器、角位置传感器的转子部分和框架力矩电机的转子部分；上径向/轴向一体化位移传感器、框架径向磁轴承的定子部分、框架力矩电机的定子部分、框架轴向磁轴承的定子部分、角位置传感器的定子部分安装在框架底座上，导电滑环22的转动部分通过压环与框架芯轴20相连，静止部分连接在底座的内孔上，框架芯轴与框架连接件固连，框架连接件与转子系统连接件固连，使转子系统和框架系统组成一体。

所述的磁悬浮转子系统的径向磁轴承、左轴向磁轴承和右轴向磁轴承实现了磁悬浮转子系统转子组件的非接触支承，磁悬浮框架系统径向磁轴承和轴向磁轴承实现了磁悬浮框架系统转动部分的非接触支承，所述的磁轴承可以是磁力相等的对称结构，也可以是磁力不相等的非对称结构，其结构为永磁偏置、电磁控制的主动式磁轴承，或纯电励磁的磁轴承，或被动式磁轴承。

所述的驱动电机不再含有机械轴承，径向磁轴承、左轴向磁轴承和右轴向磁轴承为驱动电机起到径向和轴向支撑定位作用。

所述的框架力矩电机不再含有机械轴承，框架径向磁轴承、框架轴向磁轴承为框架力矩电机起到径向和轴向支撑定位作用。

所述的角位置传感器为旋转变压器，也可以为光电码盘。

上述方案的原理是：完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺的磁悬浮转子系统通过径向磁轴承和轴向磁轴承保持转子系统的转子组件与定子组件的径向和轴向间隙及驱动电机定、转子径向和轴向间隙均匀，当磁悬浮转子系统的转子组件受到某一因素的干扰后，使磁悬浮转子系统的转子组件的径向或轴向间隙发生变化时，径向/轴向一体化位移传感器将及时检测出径向和轴向间隙的变化，发出检测信号给外加控制器，外加控制器通过增加或减小径向磁轴承或轴向磁轴承的电磁线圈中的电流，增大或减小径向磁轴承或轴向磁轴承的磁力，从而保持磁悬浮转子系统的定子组件与转子组件的径向和轴向间隙均匀，消除干扰的影响，维持磁悬浮转子系统的正常稳定高速运转；磁悬浮框架系统通过径向磁轴承和轴向磁轴承保持框架系统的转动部分与静止部分的径向和轴向间隙及框架力矩电机定、转子径向和轴向间隙均匀，当磁悬浮框架系统的转动部分受到某一因素的干扰后，使磁悬浮框架系统的转动部分的径向或轴向间隙发生变化时，径向/轴向一体化位移传感器将及时检测出径向或轴向间隙的变化，发出检测信号给外加控制器，外加控制器通过增加或减小径向磁轴承或轴向磁轴承的电磁线圈中的电流，增大或减小径向磁轴承或轴向磁轴承的磁力，从而保持磁悬浮框架系统的静止部分与转动部分的径向和轴向间隙均匀，消除干扰的影响，维持磁悬浮框架系统的正常稳定运转；当航天器进行姿态控制时，会给磁悬浮框架系统一角速率指令，该指令使框架力矩电机驱动磁悬浮框架系统转动部分旋转，角位置传感器检测磁悬浮框架系统所转过的角度，并将角度信号与指令信号的积分值进行反馈控制，修正磁悬浮框架系统旋转部分输出的角速度。磁悬浮框架系统的旋转轴与磁悬浮转子系统的转子组件的角动量方向始终在空间垂直，根据陀螺力矩方程，控制力矩陀螺将会输出一个控制力矩，这个控制力矩通过磁悬浮框架系统的底座与航天器的机械接口传递到航天器上，从而对航天器进行姿态控制。由于磁悬浮转子系统与磁悬浮框架系统均采用磁悬浮轴承作为支承，所以正常工作状态下转子系统中的转子组件以及框架系统的转动部分都处于完全悬浮状态而没有机械接触，从而实现了整个系统的完全非接触。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明由于采用了磁悬浮支承技术，消除了转子系统的机械轴承的摩擦力矩，提高了转子系统的转速，因而提高了输出转矩与角动量的比，同时减小了控制力矩陀螺系统的体积和振动噪声，提高了系统的可靠性和使用寿命；采用单端支撑方式将转子系统完全置于框架系统的外部，减小了框架系统的体积和重量，也减小了框架底座底端的结合面积，为控制力矩陀螺与卫星提供了方便的机械接口；框架系统采用非机械接触的磁轴承支撑，消除了非线性的机械摩擦力矩，使控制力矩输出更加精确。

附图说明

图1为现有的单框架控制力矩陀螺；

图2为本发明的完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺结构示意图主视图；

图3为本发明的完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺结构示意图左视图；

图4为本发明的磁悬浮转子系统永磁偏置径向磁轴承剖面图；

图5为本发明的磁悬浮转子系统永磁偏置左轴向磁轴承剖面图；

图6为本发明的磁悬浮转子系统永磁偏置右轴向磁轴承剖面图；

图7为本发明的磁悬浮转子系统的驱动电机的剖面图；

图8为本发明的框架力矩电机剖面图；

图9为本发明的磁悬浮转子系统和磁悬浮框架系统的径向/轴向一体化位移传感器剖面图；

图10为本发明的磁悬浮框架系统径向磁轴承剖面图；

图11为本发明的磁悬浮框架系统轴向电磁轴承的剖面图；

图12为本发明的磁悬浮框架系统永磁偏置主动式外磁钢轴向磁轴承的剖面图；

图13为本发明的磁悬浮框架系统永磁偏置主动式内磁钢轴向磁轴承的剖面图；

图14为本发明所述的角位置传感器的剖面图。

具体实施方式

如图2，本发明主要由磁悬浮转子系统和磁悬浮框架系统两大部分组成，其中磁悬浮转子系统主要由密封罩1、陀螺转子2、径向磁轴承3、左轴向磁轴承4、保护轴承5、轴座6、转子系统径向/轴向一体化位移传感器7、转子系统底座8、驱动电机9、转子系统连接件10、右轴向磁轴承11组成，其中陀螺转子2、径向磁轴承3转子部分、驱动电机9转子部分、左轴向磁轴承4转子部分、右轴向磁轴承11转子部分组成磁悬浮转子系统的转子组件，其余为定子组件，定子组件和转子组件之间通过径向磁轴承和轴向磁轴承实现非机械接触的稳定悬浮，径向磁轴承3位于磁悬浮转子系统的中部，其定子部分安装于轴座6上，转子部分与陀螺转子2相连，径向磁轴承3的轴向两侧向外是径向/轴向一体化位移传感器7和保护轴承5，它们与轴座6固连，径向/轴向一体化位移传感器7的径向外侧是驱动电机9，驱动电机9的转子部分安装在陀螺转子2上，定子部分安装在转子系统底座8上，保护轴承5的径向外侧是左轴向磁轴承4和右轴向磁轴承11，它们的转动部分通过轴承套与陀螺转子2相连，左轴向磁轴承4的定子部分与轴座6固连，右轴向磁轴承11的定子部分与转子系统底座8相连，磁悬浮转子系统的定子组件与轴座6相连，轴座6通过转子系统底座8与转子系统连接件10固连；磁悬浮框架系统主要由框架连接件12、上径向/轴向一体化位移传感器13、框架径向磁轴承14、框架力矩电机15、框架轴向磁轴承16、角位置传感器17、下径向/轴向一体化位移传感器18、框架保护轴承19、框架芯轴20、框架底座21组成和导电滑环22，其中框架芯轴20、框架力矩电机15转子部分、角位置传感器17转子部分、框架连接件12、下径向/轴向一体化位移传感器18、框架径向磁轴承14转子部分、框架轴向磁轴承16转子部分组成框架的转动部分，其余为静止部分，框架芯轴20为空心圆柱，其内侧安装有框架径向磁轴承14的转子部分和框架轴向磁轴承16的转子部分，其外侧从下到上依次为保护轴承19、下径向/轴向一体化位移传感器18、角位置传感器17的转子部分和框架力矩电机15的转子部分；上径向/轴向一体化位移传感器13、框架径向磁轴承14的定子部分、框架力矩电机15的定子部分、框架轴向磁轴承16的定子部分、角位置传感器17的定子部分安装在框架底座21上，导电滑环22的转动部分通过压环与框架芯轴20相连，静止部分连接在底座21的内孔上，框架芯轴20与框架连接件12固连，框架连接件12与转子系统连接件10固连，使转子系统和框架系统组成一体。由于磁悬浮转子系统与磁悬浮框架系统均采用磁悬浮轴承作为支承，所以正常工作状态下转子系统中的转子组件以及框架系统的转动部分都处于完全悬浮状态而没有机械接触，从而实现了整个系统的完全非接触。

磁悬浮转子系统的径向磁轴承3、左轴向磁轴承4和右轴向磁轴承11以及磁悬浮框架系统径向磁轴承14和轴向磁轴承16可以为永磁偏置、电磁控制的主动式磁轴承，或纯电励磁的磁轴承，或被动式磁轴承。

如图3所示，本发明的磁悬浮转子系统的陀螺转子为辐条式结构，也可以为轮盘式结构。

图4所示的转子系统永磁偏置径向磁轴承主要由磁轴承转子安装套31、导磁环32、转子铁心33、转子隔磁环34、定子铁心35、定子安装套36、激磁线圈37、永磁体38组成，其中磁轴承转子安装套31、导磁环32、转子铁心33、转子隔磁环34、永磁体38为转动部分，其余为静止部分。

图5所示的磁悬浮转子系统永磁偏置左轴向磁轴承主要由磁轴承转子41、激磁线圈42、定子磁钢43、定子磁轭44、磁轴承第二气隙45、轴向磁轴承定子座46组成，其中磁轴承转子41为转动部分，其余为静止部分。

图6所示的磁悬浮转子系统永磁偏置右轴向磁轴承主要由轴向磁轴承定子座111、激磁线圈112、磁轴承转子113、定子磁轭114、磁轴承第二气隙115、定子磁钢116组成，其中磁轴承转子113为转动部分，其余为静止部分。

图7所示的磁悬浮转子系统的驱动电机9主要由杯形定子91、电机转子外压环92、电机外转子叠层93、电机磁钢94、电机内转子叠层95、电机内转子压环96组成，其中杯形定子91为电机静止部分，其余为电机转动部分。

本发明的框架力矩电机15为磁悬浮框架系统的驱动部分，是图8所示的永磁无刷直流力矩电机，也可以是永磁同步力矩电机。图8所示的框架力矩电机主要由电机定子叠层151、定子绕组152、转子磁钢153、转子叠层压板154、螺纹环155、转子叠层156、转子安装套157组成，其中定子叠层151和定子绕组152为电机静止部分，其余为转动部分。

本发明的磁悬浮转子系统和磁悬浮框架系统所使用的径向/轴向一体化位移传感器7、13、18均为图9所示的结构。在图9所示的径向/轴向一体化位移传感器中，它主要由两个轴向位移传感器探头72、75和四个径向位移传感器探头71、73、74、76组成，72和75在同一端面上沿180度放置，探头71和74沿X方向180度放置，73和76沿Y方向180度放置，4个径向探头分别探测相互垂直的X和Y方向位移信号，轴向探头72和75探测轴向位移信号，通过数学运算消除轴向探测信号误差，这6个通道的前置放大器和探头集成一体，可及时检测出径向或轴向间隙的变化，发出检测信号给外加控制器。

图10所示的磁悬浮框架系统径向磁轴承主要由转子铁心141、转子导磁环142、定子铁心143、定子激磁线圈144、定子导磁环145、永磁体146、定子安装套147、定子隔磁环148组成，其中转子铁心141、转子导磁环142为转动部分，其余为静止部分。

磁悬浮框架系统的轴向磁轴承16可以是图11、图12和图13中的任何一种结构形式。

在图11所示的轴向磁轴承中，它主要由转子体161、磁气隙162、激磁线圈163和轴承体164组成，其中转子体161为转动部分，其余为静止部分。

在图12所述的永磁偏置主动式外磁钢轴向磁轴承中，它主要由转子体165、磁气隙166、定子磁轭167、永磁体168、激磁线圈169和轴承体1610组成，其中转子体165为转动部分，其余为静止部分。

在图13所述的永磁偏置主动式内磁钢轴向磁轴承中，它主要由转子体1611、磁气隙1612、轴承体1613、激磁线圈1614、永磁体1615、定子磁轭1616组成，其中转子体1611为转动部分，其余为静止部分。

图14所示的角位置传感器为旋转变压器，主要由定子线圈171、转子线圈172组成，其中定子线圈171为静止部分，其余为转动部分。

本发明的框架底座21为整个系统的支撑体，并且为整个系统提供与航天器的机械接口。

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。

Claims (7)

1、完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：主要由磁悬浮转子系统和磁悬浮框架系统两大部分组成，其中磁悬浮转子系统主要由密封罩(1)、陀螺转子(2)、径向磁轴承(3)、左轴向磁轴承(4)、保护轴承(5)、轴座(6)、转子系统径向/轴向一体化位移传感器(7)、转子系统底座(8)、驱动电机(9)、转子系统连接件(10)、右轴向磁轴承(11)组成，其中陀螺转子(2)、径向磁轴承(3)转子部分、驱动电机(9)转子部分、左轴向磁轴承(4)转子部分、右轴向磁轴承(11)转子部分组成磁悬浮转子系统的转子组件，其余为定子组件，定子组件和转子组件之间通过径向磁轴承和轴向磁轴承实现非机械接触的稳定悬浮，径向磁轴承(3)位于磁悬浮转子系统的中部，其定子部分安装于轴座(6)上，转子部分与陀螺转子(2)相连，径向磁轴承(3)的轴向两侧向外是径向/轴向一体化位移传感器(7)和保护轴承(5)，它们与轴座(6)固连，径向/轴向一体化位移传感器(7)的径向外侧是驱动电机(9)，驱动电机(9)的转子部分安装在陀螺转子(2)上，定子部分安装在转子系统底座(8)上，保护轴承(5)的径向外侧是左轴向磁轴承(4)和右轴向磁轴承(11)，它们的转动部分通过轴承套与陀螺转子(2)相连，左轴向磁轴承(4)的定子部分与轴座(6)固连，右轴向磁轴承(11)的定子部分与转子系统底座(8)相连，磁悬浮转子系统的定子组件与轴座(6)相连，轴座(6)通过转子系统底座(8)与转子系统连接件(10)固连；磁悬浮框架系统主要由框架连接件(12)、上径向/轴向一体化位移传感器(13)、框架径向磁轴承(14)、框架力矩电机(15)、框架轴向磁轴承(16)、角位置传感器(17)、下径向/轴向一体化位移传感器(18)、框架保护轴承(19)、框架芯轴(20)、框架底座(21)、导电滑环(22)组成，其中框架芯轴(20)、框架力矩电机(15)转子部分、角位置传感器(17)转子部分、框架连接件(12)、下径向/轴向一体化位移传感器(18)、框架径向磁轴承(14)转子部分、框架轴向磁轴承(16)转子部分组成框架的转动部分，其余为静止部分，框架芯轴(20)为空心圆柱，其内侧安装有框架径向磁轴承(14)的转子部分和框架轴向磁轴承(16)的转子部分，其外侧从下到上依次为保护轴承(19)、下径向/轴向一体化位移传感器(18)、角位置传感器(17)的转子部分和框架力矩电机(15)的转子部分；上径向/轴向一体化位移传感器(13)、框架径向磁轴承(14)的定子部分、框架力矩电机(15)的定子部分、框架轴向磁轴承(16)的定子部分、角位置传感器(17)的定子部分安装在框架底座(21)上，导电滑环(22)的转动部分通过压环与框架芯轴(20)相连，静止部分连接在底座(21)的内孔上，框架芯轴(20)与框架连接件(12)固连，框架连接件(12)与转子系统连接件(10)固连，使转子系统和框架系统组成一体。

2、根据权利要求1所述的完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：所述的磁悬浮转子系统的径向磁轴承(3)、左轴向磁轴承(4)和右轴向磁轴承(11)以及磁悬浮框架系统径向磁轴承(14)和轴向磁轴承(16)可以是磁力相等的对称结构，也可以是磁力不相等的非对称结构。

3、根据权利要求1所述的完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：所述的磁悬浮转子系统的径向磁轴承(3)、左轴向磁轴承(4)和右轴向磁轴承(11)以及磁悬浮框架系统径向磁轴承(14)和轴向磁轴承(16)为永磁偏置、电磁控制的主动式磁轴承，或纯电励磁的磁轴承，或被动式磁轴承。

4、根据权利要求1所述的完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：所述的驱动电机(9)不再含有机械轴承，径向磁轴承(3)、左轴向磁轴承(4)和右轴向磁轴承(11)为驱动电机(9)起到径向和轴向支撑定位作用。

5、根据权利要求1所述的完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：所述的框架力矩电机(15)不再含有机械轴承，框架径向磁轴承(14)、框架轴向磁轴承(16)为框架力矩电机(15)起到径向和轴向支撑定位作用。

6、根据权利要求1所述的完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：所述的框架力矩电机(15)为无刷直流力矩电机，或永磁同步力矩电机。

7、根据权利要求1所述的完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：所述的角位置传感器(17)为旋转变压器，也可以为光电码盘。

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