CN100452633C

CN100452633C - 一种磁悬浮反作用飞轮

Info

Publication number: CN100452633C
Application number: CNB2007100987507A
Authority: CN
Inventors: 房建成; 刘虎; 孙津济; 刘刚; 韩邦成; 樊亚洪
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2007-04-26
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2027-04-26
Also published as: CN101056079A

Abstract

一种磁悬浮反作用飞轮，可作为卫星、对地观测平台、空间望远镜等航天器的姿态控制执行机构，主要由轮体、外壳、安装轴、径向磁悬浮轴承、轴向磁悬浮轴承、上保护轴承、下保护轴承、轴承座、锁紧螺母、位移传感器、位移传感器支座、电机和底座等部件组成。径向磁悬浮轴承控制转子径向平动，轴向磁悬浮轴承控制转子的径向转动和轴向平动。本发明各个组件布局合理、紧凑，减小了体积，减轻了重量，消除了机械轴承飞轮的转速过零摩擦力和机械磨损，提高了飞轮的控制精度和使用寿命。

Description

一种磁悬浮反作用飞轮

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮反作用飞轮，可作为卫星、对地观测平台、宇宙飞船、空间望远镜等航天器的姿态控制系统执行机构。

背景技术

卫星、对地观测平台、宇宙飞船、空间望远镜等航天器的姿态控制执行机构要求体积小、重量轻、寿命长、功耗低、可靠性高。目前作为航天器姿态控制系统执行机构的飞轮，一般仍旧采用机械轴承支承，这就从根本上限制了飞轮转速的提高，因此为了达到所需的角动量，就不得不增加飞轮重量，增大体积。另外，机械轴承存在机械磨损、不平衡振动不可控和过零摩擦力矩大等问题，严重影响了飞轮的使用寿命以及航天器姿态控制的精度和稳定度。现有的基于磁轴承支承的磁悬浮飞轮，其两个径向磁悬浮轴承沿轴向并排放置，且位于飞轮的中部，受到轴向长度的限制，两个径向磁悬浮轴承之间的距离很短，为了满足卫星大角速率机动时的承载力要求，需要增加径向磁悬浮轴承在径向方向的尺寸，这势必增加了飞轮的重量和体积。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有机械轴承飞轮和两个径向磁悬浮轴承轴向并置的磁悬浮飞轮的不足，提供一种体积小、重量轻、振动噪声小、寿命长的磁悬浮反作用飞轮。

本发明的技术解决方案是：磁悬浮反作用飞轮由静止部分和转动部分组成，静止部分包括：径向磁悬浮轴承的定子部分、上保护轴承、下保护轴承、锁紧螺母、轴向磁悬浮轴承的定子部分、安装轴、位移传感器、位移传感器支座、电机的定子部分、外壳和底座；转动部分包括：轮体、径向磁悬浮轴承的转子部分、轴向磁悬浮轴承的转子部分、电机的转子部分和轴承座。径向磁悬浮轴承位于飞轮的中部，沿轴向两端分别装有上保护轴承和下保护轴承，下保护轴承与安装轴相连，上保护轴承通过锁紧螺母安装在安装轴上，上保护轴承和下保护轴承的径向外侧是轴承座，轴承座与轮体相连，轴承座的轴向外侧是轴向磁悬浮轴承，轴向磁悬浮轴承的转子部分固定在轴承座上，其定子部分与安装轴相连，径向磁悬浮轴承的径向外侧是位移传感器，位移传感器通过位移传感器支座与底座连接在一起，电机位于轮体的轮缘部分，其转子部分安装在轮体的轮缘上，定子部分与底座相连，安装轴和外壳均安装在底座上，底座位于飞轮的最底部。

所述的轴向磁悬浮轴承的定子部分由4组相同的定子铁芯组成，4组定子铁芯无磁路耦合，完成轮体轴向平动自由度和两个径向转动自由度的主动控制；轴向磁悬浮轴承为非机械接触的主动控制磁悬浮轴承，采用纯电励磁的主动式磁悬浮轴承，或永磁偏置、电磁控制的主动式磁悬浮轴承。径向磁悬浮轴承为永磁偏置、电磁控制的主动式磁悬浮轴承，或纯电励磁的主动式磁悬浮轴承，完成轮体两个径向平动自由度的控制。所述的位移传感器具有4个正交放置的径向探头和4个正交放置的轴向探头，轴向探头完成轮体的轴向平动、两个径向转动三个广义位移的检测，径向探头完成轮体的两个径向平动广义位移的检测。

本发明的原理是：通过控制径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承的电励磁线圈电流完成转子的两个径向平动、两个径向转动和轴向平动五个自由度的控制，保持飞轮的旋转部分与飞轮静止部分间隙均匀；通过电机控制飞轮轮体转动，实现力矩输出。与现有磁悬浮飞轮采用两个径向磁悬浮轴承控制转子两个径向平动自由度和两个径向转动自由度、轴向磁悬浮轴承控制转子轴向平动自由度的方式不同，本发明采用轴向磁悬浮轴承控制转子两个径向转动自由度和轴向平动自由度，而径向磁悬浮轴承只控制转子两个径向平动自由度。图8为本发明的磁轴承控制力分解原理图，两个轴向磁悬浮轴承分别定义为I和II，安装时保证两个轴向磁悬浮轴承的4组定子铁芯正对，即同时保证两个轴向磁悬浮轴承的4组定子铁芯分别沿+x、-x、+y和-y放置，径向磁悬浮轴承安装时同样保证4个定子磁极分别沿+x、-x、+y和-y放置。图8(a)为yoz平面内的控制力分解图，图8(b)为xoz平面内的控制力分解图。轴向磁悬浮轴承I的4组定子铁芯产生的磁力分别为f₁₁、f₂₁、f₃₁和f₄₁，磁力方向均为+z方向；轴向磁悬浮轴承II的4组定子铁芯产生的磁力分别为f₁₂、f₂₂、f₃₂和f₄₂，磁力方向均为-z方向；径向磁悬浮轴承四个定子磁极产生的磁力分别为f₅₁、f₅₂、f₆₁和f₆₂，磁力方向分别为+x、-x、+y和-y。定义f₁₁与f₁₂、f₂₁与f₂₂、f₃₁与f₃₂、f₄₁与f₄₂、f₅₁与f₅₂、f₆₁和f₆₂产生的合力分别为f₁、f₂、f₃、f₄、f₅、f₆且满足：

f₁＝f₁₁-f₁₂；f₂＝f₂₁-f₂₂；f₃＝f₃₁-f₃₂；f₄＝f₄₁-f₄₂；f₅＝f₅₁-f₅₂；f₆＝f₆₁-f₆₂；

根据图8可得到磁轴承产生的广义控制力为：

\{\begin{matrix} f_{x} = f_{5} \\ f_{y} = f_{6} \\ M_{x} = - f_{1} \cdot \frac{d}{2} + f_{2} \cdot \frac{d}{2} \\ M_{y} = - f_{3} \cdot \frac{d}{2} + f_{4} \cdot \frac{d}{2} \\ f_{z} = f_{1} + f_{2} + f_{3} + f_{4} \end{matrix}

其中f_x，f_y，M_x，M_y，f_z分别为+x向平动控制力、+y向平动控制力、+x向转动控制力矩、+y向转动控制力矩、+z向平动控制力，d为轴向磁悬浮轴承+x和-x的两组定子铁芯或+y和-y的两组定子铁芯之间的距离。

根据磁轴承控制力的表达式可知：通过控制径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承产生的电磁力可以实现对五个自由度广义控制力的控制，而控制磁悬浮轴承线圈电流即可控制电磁力。当飞轮的径向磁悬浮轴承的转子部分与定子部分的间隙或轴向磁悬浮轴承的转子部分与定子部分间隙发生变化时，位移传感器将及时检测出间隙的变化并将位移信号反馈到磁轴承控制器，磁轴承控制器通过控制轴向磁悬浮轴承线圈和径向磁悬浮轴承线圈的电流即可产生需要的广义控制力，实现五个自由度的稳定控制，从而保持飞轮的静止部分与转动部分的间隙均匀，维持飞轮正常稳定运转。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用轴向磁悬浮轴承控制转子的轴向平动和径向转动，径向磁悬浮轴承只控制转子径向平动，解决了机械轴承飞轮的磨损和转速过零摩擦问题，且相对于传统的两个径向磁悬浮轴承轴向并置的磁悬浮飞轮具有以下优点：

(1)由于只需要一个径向磁悬浮轴承控制转子的平动，有效减小了定子轴的轴向尺寸，显著提高了其一阶固有模态频率，减轻了定子轴一阶固有模态引入的振动，降低了飞轮的振动水平，提高了发射段飞轮的抗冲击载荷能力与可靠性；轴向尺寸的减小，可以使转子更多的质量集中在轮缘，有效地增大了转子的极转动惯量/质量比，减轻了飞轮重量，组件布局更加合理、紧凑；

(2)本发明飞轮的径向转动控制力矩由轴向磁悬浮轴承产生，现有磁悬浮飞轮的径向转动控制力矩的力臂为两个径向磁悬浮轴承的跨距，而本发明的径向转动控制力矩的力臂取决于轴向磁悬浮轴承外径，因此相对于现有磁悬浮飞轮结构，本发明的径向转动控制力矩的力臂显著增大，提高了抵抗外界扰动的能力，在控制力矩不变的情况下显著减小了所需的控制力，磁轴承尺寸以及功耗。

附图说明

图1为本发明的一种磁悬浮反作用飞轮的结构简图；

图2为本发明的纯电励磁的主动式轴向磁悬浮轴承的轴向剖面图和端面图，其中(a)为轴向剖面图，(b)为端面图；

图3为本发明的永磁偏置、电磁控制的主动式轴向磁悬浮轴承的轴向剖面图和端面图，其中(a)为轴向剖面图，(b)为端面图；

图4为本发明的永磁偏置、电磁控制的主动式径向磁悬浮轴承的轴向剖面图和端面图，其中(a)为轴向剖面图，(b)为端面图；

图5为本发明的纯电励磁的主动式径向磁悬浮轴承的轴向剖面图和端面图，其中(a)为轴向剖面图，(b)为端面图；

图6为本发明的位移传感器的示意图；

图7为本发明的电机的轴向剖面图；

图8为本发明的磁轴承控制力分解原理图，其中(a)为yoz平面内的控制力分解图，(b)为xoz平面内的控制力分解图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由静止部分和转动部分组成，静止部分包括：径向磁悬浮轴承8的定子部分、上保护轴承7、下保护轴承13、锁紧螺母5、轴向磁悬浮轴承3的定子部分、安装轴6、位移传感器9、位移传感器支座11、电机10的定子部分、外壳1和底座12；转动部分包括：轮体2、径向磁悬浮轴承8的转子部分、轴向磁悬浮轴承3的转子部分、电机10的转子部分和轴承座4。径向磁悬浮轴承8位于飞轮的中部，沿轴向两端分别装有上保护轴承7和下保护轴承13，下保护轴承13与安装轴6相连，上保护轴承7通过锁紧螺母5安装在安装轴6上，上保护轴承7和下保护轴承13的径向外侧是轴承座4，轴承座4与轮体2相连，轴承座4的轴向外侧是轴向磁悬浮轴承3，轴向磁悬浮轴承3的转子部分固定在轴承座4上，其定子部分与安装轴6相连，径向磁悬浮轴承8的径向外侧是位移传感器9，位移传感器9通过位移传感器支座11与底座12连接在一起，电机10位于轮体2的轮缘部分，其转子部分安装在轮体2的轮缘上，定子部分与底座12相连，安装轴6和外壳1均安装在底座12上，底座12位于飞轮的最底部。

图2为本发明的纯电励磁的主动式轴向磁悬浮轴承的轴向剖面图和端面图，其中(a)为轴向剖面图，(b)为端面图，该轴向磁悬浮轴承3为纯电励磁的磁悬浮轴承，完成轮体2轴向平动自由度和两个径向转动自由度的主动控制，该轴向磁悬浮轴承3主要由轴向磁悬浮轴承转子部分31、4组相同的无磁路耦合的定子铁芯32、轴向磁悬浮轴承激磁线圈33和轴向磁悬浮轴承安装座34组成。其中轴向磁悬浮轴承的转子部分31与轴承座4连接在一起，为转动部分，其余为静止部分。轴向磁悬浮轴承3还可以是永磁偏置、电磁控制的主动式轴向磁悬浮轴承，如图3所示，其中(a)为轴向剖面图，(b)为端面图，该轴向磁悬浮轴承主要由轴向磁悬浮轴承转子部分31’、4组相同的无磁路耦合的定子铁芯32’、轴向磁悬浮轴承第二气隙33’、轴向磁悬浮轴承永磁体34’、轴向磁悬浮轴承激磁线圈35’、轴向磁悬浮轴承安装座36’组成。其中轴向磁悬浮轴承转子部分31’为转动部分，其余为静止部分。

图4为本发明的永磁偏置、电磁控制的主动式径向磁悬浮轴承的轴向剖面图和端面图，其中(a)为轴向剖面图，(b)为端面图，该径向磁悬浮轴承为永磁偏置、电磁控制的主动式磁悬浮轴承，完成轮体2两个径向平动自由度的控制，该径向磁悬浮轴承主要由永磁体81、外导磁环82、径向磁悬浮轴承转子铁心83、隔磁环84、空气隙85、径向磁悬浮轴承激磁线圈86、径向磁悬浮轴承定子铁心87和径向磁悬浮轴承安装座88等组成。其中永磁体81、外导磁环82、径向磁悬浮轴承转子铁心83、隔磁环84为转动部分，其余为静止部分。径向磁悬浮轴承8还可以为纯电励磁的主动式径向磁悬浮轴承，如图5所示，其中(a)为轴向剖面图，(b)为端面图，该径向磁悬浮轴承主要由外导磁环81’、径向磁悬浮轴承转子铁心82’、隔磁环83’、空气隙84’、径向磁悬浮轴承激磁线圈85’、径向磁悬浮轴承定子铁心86’和径向磁悬浮轴承安装座87’等组成。其中外导磁环81’、径向磁悬浮轴承转子铁心82’、隔磁环83’为转动部分，其余为静止部分。

图6为本发明的位移传感器的示意图，该位移传感器由探头91～探头98与传感器外壳99两部分组成，其中探头91、探头93、探头95和探头97分别沿+y、+x、-y和-x均匀放置，构成轴向探头，探头92、探头94、探头96和探头98分别沿+y、+x、-y和-x均匀放置，构成径向探头。轴向探头完成轴向平动和两个绕径向转动三个广义位移的检测，径向探头完成两个径向平动位移的检测。传感器外壳99屏蔽电磁干扰，内部为检测电路，完成转子位移信息的提取。本发明的传感器探头的放置方式不是唯一的，只要保证4个径向探头正交以及4个轴向探头正交即可，径向探头与轴向探头的相对位置可任意。

图7为本发明的电机轴向剖面图，由电机杯形定子101、电机外转子压板102、外转子叠层103、磁钢104、内转子叠层105和内转子压板106组成，其中杯形定子101为电机静止部分，其余为转动部分。

本发明的电机10一般选择高可靠高效的无刷直流电机，也可为永磁同步电机，外壳1用于密封并将轴与底座连接成一体，抽气后便于地面性能指标测试。

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

1、一种磁悬浮反作用飞轮，由静止部分和转动部分组成，其特征在于：静止部分包括：径向磁悬浮轴承(8)的定子部分、上保护轴承(7)、下保护轴承(13)、锁紧螺母(5)、轴向磁悬浮轴承(3)的定子部分、安装轴(6)、位移传感器(9)、位移传感器支座(11)、电机(10)的定子部分、外壳(1)和底座(12)；转动部分包括：轮体(2)、径向磁悬浮轴承(8)的转子部分、轴向磁悬浮轴承(3)的转子部分、电机(10)的转子部分和轴承座(4)，径向磁悬浮轴承(8)位于飞轮的中部，沿轴向两端分别装有上保护轴承(7)和下保护轴承(13)，下保护轴承(13)与安装轴(6)相连，上保护轴承(7)通过锁紧螺母(5)安装在安装轴(6)上，上保护轴承(7)和下保护轴承(13)的径向外侧是轴承座(4)，轴承座(4)与轮体(2)相连，轴承座(4)的轴向外侧是轴向磁悬浮轴承(3)，轴向磁悬浮轴承(3)的转子部分固定在轴承座(4)上，其定子部分与安装轴(6)相连，径向磁悬浮轴承(8)的径向外侧是位移传感器(9)，位移传感器(9)通过位移传感器支座(11)与底座(12)连接在一起，电机(10)位于轮体(2)的轮缘部分，其转子部分安装在轮体(2)的轮缘上，定子部分与底座(12)相连，安装轴(6)和外壳(1)均安装在底座(12)上，底座(12)位于飞轮的最底部。

2、根据权利要求1所述的一种磁悬浮反作用飞轮，其特征在于：所述的轴向磁悬浮轴承(3)的定子部分由4组相同的定子铁芯组成，4组定子铁芯无磁路耦合，完成轮体(2)轴向平动自由度和两个径向转动自由度的主动控制；轴向磁悬浮轴承(3)为非机械接触的主动控制磁悬浮轴承，采用纯电励磁的主动式磁悬浮轴承，或永磁偏置、电磁控制的主动式磁悬浮轴承。

3、根据权利要求1所述的一种磁悬浮反作用飞轮，其特征在于：所述的径向磁悬浮轴承(8)为永磁偏置、电磁控制的主动式磁悬浮轴承，或纯电励磁的主动式磁悬浮轴承，完成轮体(2)两个径向平动自由度的控制。

4、根据权利要求1所述的一种磁悬浮反作用飞轮，其特征在于：所述的位移传感器(9)具有4个正交放置的径向探头和4个正交放置的轴向探头，轴向探头完成轮体(2)的轴向平动、两个径向转动三个广义位移的检测，径向探头完成轮体(2)的两个径向平动广义位移的检测。