CN102390546A - 磁悬浮飞轮锁紧装置 - Google Patents

Abstract

一种磁悬浮飞轮用可重复使用的锁紧装置，包括飞轮系统、解锁继电器和锁紧电磁铁，解锁继电器和锁紧电磁铁位于飞轮系统的飞轮转子上方。当锁紧飞轮系统时，该锁紧电磁铁被接通锁紧电流并产生锁紧磁通，使得锁紧电磁铁带动该飞轮系统的飞轮转子向下移动，继而通过解锁继电器将飞轮转子锁紧在底座上；当解锁飞轮系统时，解锁继电器被接通解锁电流并产生解锁磁通，使得飞轮转子从底座解锁并在飞轮系统的飞轮定子产生的轴向恢复力的作用下向上移动，从而恢复成解锁状态。本发明的锁紧装置保护了磁悬浮飞轮系统，具有可重复使用、易于控制、可靠性高、结构简单、可以防止多余物的产生等优点。

Description

磁悬浮飞轮锁紧装置

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮飞轮锁紧装置，特别是涉及一种可重复使用、便于控制、可靠性高、结构简单的磁悬浮飞轮锁紧装置，可作为磁悬浮飞轮系统的保护装置。

背景技术

磁悬浮飞轮是一种新型的航天器姿态控制系统执行机构，与机械轴承支承的飞轮相比，在控制精度、稳定性和使用寿命等方面具有明显优势，是高精度对地观测卫星姿态控制的理想执行机构。由于磁悬浮飞轮采用磁轴承技术，定子和转子之间存在间隙，航天器在发射过程中将产生剧烈振动和冲击，飞轮系统存在较大的振动载荷，为了防止飞轮系统的损坏，必须采用额外的锁紧装置对其进行保护。锁紧装置是磁悬浮飞轮的一种保护装置，可以对磁悬浮飞轮转子进行锁紧和解锁，使磁悬浮飞轮系统不工作时处于锁紧状态，正常工作时处于解锁状态。磁悬浮飞轮在运输、储存及调试中需要对磁悬浮飞轮进行锁紧和解锁。另外，航天器在空间进行变轨道工作，有时也需要对磁悬浮飞轮锁紧和解锁。

根据锁紧/解锁次数，磁悬浮飞轮锁紧装置可以分为一次性锁紧装置和可重复性锁紧装置。目前所使用的一次性锁紧装置主要有基于碳纤维复合材料和航空钢丝绳的锁紧装置、楔形块-锥形轴承锁紧装置、螺杆-螺母锁紧装置。以上三种方案都采用火工品进行解锁，可靠性高，但只能一次性使用，不便于地面环境试验调试。由于磁悬浮飞轮发射前需要通过一系列的环境试验(扫频振动、随机振动、冲击、离心、高低温、热循环等)，需经常对飞轮进行锁紧/解锁。此外卫星变轨时，为保护飞轮不受损坏，也需对其进行反复锁紧/解锁。目前所使用的可重复锁紧装置主要有气动锁紧装置、电磁锁紧装置、基于电机-弹片-钢丝绳的锁紧装置。其中气动锁紧装置由于需要气源，在轨重复使用不太方便。

专利申请号20081019968.0所公开的一种电磁锁紧装置，通过永磁磁场提供的永磁吸力保持锁紧，利用电磁磁场与永磁磁场的正向和反向叠加，对飞轮转子锁紧和解锁，实现了锁紧装置的重复性使用。但锁紧启动力与解锁间隙成反比，且解锁间隙不可调整，对锁紧装置的调试带来极大不便。工作时，一般在底座上沿圆周方向安装三至四个电磁锁紧装置，使得执行锁紧和执行解锁时，对电磁铁动作的同步性要求较高。

专利申请号200910093150.0公开了一种电机弹片钢丝绳锁紧装置，利用弹片作为伸张机构，利用钢丝绳作为收缩机构，通过电机正/反向转动，驱使收缩机构将飞轮锁紧/伸张机构将飞轮释放，实现重复锁紧功能。由于弹片与飞轮转子外缘接触表面都为曲面，在锁紧状态接触面间存在Hertz接触，使得接触面的局部应力过大。此外在地面模拟发射的扫频振动和随机振动中，飞轮转子与弹片接触面间存在振幅为1～100μm的往复摩擦振动，使得飞轮转子与弹片接触表面有多余物产生。通常振幅小于300μm的往复摩擦振动就属于微动，而微动通常导致微动磨损和微动疲劳，并伴随着第三体多余物的产生。这种微动下产生的多余物，严重污染了磁悬浮飞轮系统的工作环境。

发明内容

本发明期望解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种可重复使用、易于控制、可靠性高、结构简单，可以防止多余物的产生的磁悬浮飞轮用电磁锁紧装置。

本发明的技术解决方案是：一种磁悬浮飞轮锁紧装置，包括飞轮系统、锁紧电磁铁和解锁继电器，其中，该飞轮系统包括：飞轮定子轴；飞轮定子，固定安装在该飞轮定子轴上；飞轮转子，设置于该飞轮定子外侧；以及底座，设置在该飞轮定子和该飞轮转子下方，并与该飞轮定子轴固定连接；其中该锁紧电磁铁设置在该飞轮定子和该飞轮转子上方并套在该飞轮定子轴上；该解锁继电器设置在该锁紧电磁铁上方并套在该飞轮定子轴上，该解锁继电器与该锁紧电磁铁彼此邻接并沿着该飞轮定子轴一起移动；当将该飞轮系统从解锁状态变为锁紧状态时，该锁紧电磁铁被接通锁紧电流并产生锁紧磁通，使得该锁紧电磁铁带动该飞轮系统的飞轮转子向下移动，继而通过该解锁继电器将该飞轮转子锁紧在该底座上，从而变成锁紧状态；以及当将该飞轮系统从锁紧状态变为解锁状态时，该解锁继电器被接通解锁电流并产生解锁磁通，使得该飞轮转子通过该解锁继电器产生的解锁力从该底座解锁并在飞轮定子产生的轴向恢复力作用下向上移动，从而恢复成解锁状态。

根据本发明的实施例，该飞轮系统还包括：定子轴端盖，固定设置在该飞轮定子轴上端面上；限位螺钉，位于该定子轴端盖下表面的径向外侧并用以限定该解锁继电器在解锁状态下的位置，所述限位螺钉的轴线与该飞轮定子轴的主轴线平行；键，靠近该飞轮定子轴的上端面设置在该飞轮定子轴的一侧，通过该键限制该解锁继电器的周向旋转；定位平面，靠近该飞轮定子轴的上端面与该键相对设置在该飞轮定子轴的另一侧，用以限定该解锁继电器在该飞轮定子轴上的周向定位；定位槽，设置在该定位平面中，通过该定位槽与该解锁继电器进行锁紧；以及下橡胶垫，位于该底座上且与该飞轮定子轴同心，用以与该飞轮转子的下表面接触。

根据本发明的实施例，该锁紧电磁铁包括：压盘，套装在该飞轮定子轴上；内铁心环，固定套装在该飞轮定子轴上并位于该压盘下方；外铁心环，固定套装在该飞轮定子轴上，并设置在该内铁心环外侧和下方；锁紧线圈，套装在该内铁心环外侧和该外铁心环内侧，当该飞轮转子需要锁紧时，该锁紧线圈被接通锁紧电流并产生锁紧磁通；解锁弹簧，安装在该内铁心环内侧并套装在该飞轮定子轴上，用以支撑该压盘；以及上橡胶垫，设置在该压盘的下表面上，用以与该飞轮转子的上表面接触；其中在解锁状态下，该压盘的下表面与该内铁心环和该外铁心环的上表面之间形成轴向距离，该轴向距离即为锁紧间隙，当将该飞轮转子锁紧时，该压盘在该锁紧线圈产生的锁紧磁通的作用下向下移动，并带动该飞轮转子一起向下移动直至抵住该底座，当将该飞轮转子解锁时，该压盘通过该解锁弹簧的恢复力向上移动，该飞轮转子通过该飞轮定子产生的轴向恢复力向上移动。

根据本发明的实施例，该解锁继电器包括：解锁器壳体，固定设置在该锁紧电磁铁上，其一侧设置有环形套，使得该飞轮定子轴穿过其中，另一侧设置有向外周延伸的底面和侧面；L形壳盖，设置在该解锁器壳体的底面上方和外侧，其与该解锁器壳体的底面和侧面一起形成容纳解锁套件的空腔，该解锁套件包括：衔铁，设置在该空腔内靠近该飞轮定子轴的一侧；铁心，设置在该空腔内远离该飞轮定子轴的一侧，该铁心与该衔铁之间在锁紧状态下形成水平距离，该水平距离即为解锁间隙；解锁线圈，套装在该衔铁和该铁心上，当该飞轮转子需要解锁时，该解锁线圈被接通解锁电流并产生解锁磁通；电磁套壳，套装在该解锁线圈的外侧；以及锁紧弹簧，设置在该衔铁和该铁心内侧；以及锁销，穿过该解锁器壳体、该衔铁、该锁紧弹簧、该铁心和该L形壳盖并从该L形壳盖伸出，与该衔铁固定连接，当该飞轮转子需要锁紧时，该锁销的一端通过该锁紧弹簧的弹簧力抵住该飞轮定子轴，当该飞轮转子需要解锁时，该锁销的该端在该解锁线圈产生的解锁磁通作用下与该飞轮定子轴脱开；位置触头，固定设置在该锁销的从该L形壳盖伸出的一端上；锁紧微动开关，固定设置在该解锁器壳体的远离该飞轮定子轴的一侧之外，并靠近该锁销的从该L形壳盖伸出的一端；以及解锁微动开关，固定设置在该解锁器壳体的远离该飞轮定子轴的一侧之外，与该锁紧微动开关对称设置在该锁销的从该L形壳盖伸出的一端的两侧。

根据本发明的实施例，该解锁继电器包括：解锁器壳体，固定设置在该锁紧电磁铁上，其一侧设置有环形套，使得该飞轮定子轴穿过其中，另一侧设置有向外周延伸的底面和侧面；L形壳盖，设置在该解锁器壳体的底面上方和外侧，其与该解锁器壳体的底面和侧面一起形成容纳解锁套件的空腔，该解锁套件包括：衔铁，设置在该空腔内靠近该飞轮定子轴的一侧；铁心，设置在该空腔内远离该飞轮定子轴的一侧，该铁心与该衔铁之间在锁紧状态下形成水平距离，该水平距离即为解锁间隙；解锁线圈，套装在该衔铁和该铁心上；电磁套壳，套装在该解锁线圈的外侧；以及锁紧弹簧，设置在该衔铁和该铁心内侧；以及锁销，穿过该解锁器壳体、该衔铁、该锁紧弹簧、该铁心和该L形壳盖并从该L形壳盖伸出，与该衔铁固定连接，当该飞轮转子被锁紧时，该锁销的一端通过该锁紧弹簧的弹簧力抵住该飞轮定子轴，当该飞轮转子被解锁时，该锁销的该端在该解锁线圈产生的解锁磁通作用下与该飞轮定子轴脱开；位置触头，固定设置在该锁销的从该L形壳盖伸出的一端上；锁紧微动开关，固定设置在该解锁器壳体的远离该飞轮定子轴的一侧之外，并靠近该锁销的从该L形壳盖伸出的一端；以及解锁微动开关，固定设置在该解锁器壳体的远离该飞轮定子轴的一侧之外，与该锁紧微动开关对称设置在该锁销的从该L形壳盖伸出的一端的两侧；其中在该解锁器壳体的环形套内侧还设置有与该键配合的键槽，其通过设置在该飞轮定子轴一侧的键来限制该解锁继电器的周向旋转。

根据本发明的实施例，在该解锁继电器的锁销靠近该飞轮定子轴的一端还设置有楔形端，当该飞轮转子被锁紧时，该楔形端通过该锁紧弹簧的弹簧力插入该飞轮定子轴上的定位槽中，当该飞轮转子被解锁时，该楔形端通过该解锁线圈产生的解锁磁通从该飞轮定子轴上的定位槽中脱出。

根据本发明的实施例，在解锁过程中，当该锁销的楔形端由于摩擦力过大而无法从该定位槽中脱出时，通过使得该锁紧电磁铁产生向下的吸力来减小该楔形端的表面摩擦力。

根据本发明的实施例，在解锁状态下，所述内铁心环和外铁心环与该压盘间形成0.5～1.5mm的轴向距离。

根据本发明的实施例，所述位置触头与该锁紧微动开关的触点接触时，该锁紧微动开关输出信号为高电平，此时该飞轮转子为锁紧状态；所述位置触头与该解锁微动开关的触点接触时，该解锁微动开关输出信号为高电平，此时该飞轮转子为解锁状态，维持该锁紧状态和该解锁状态均不需持续通电。

根据本发明的实施例，在锁紧状态下，该铁心与该衔铁间形成0.5～2.5mm的水平距离。

根据本发明的实施例，该锁销和该键由钛合金制成。

根据本发明的实施例，该下橡胶垫为真空下长期使用环境温度为-30℃～250℃且厚度为1～2mm的橡胶，通过冷粘工艺将其粘接在该底座的上表面。

根据本发明的实施例，该上橡胶垫为真空下长期使用环境温度为-30℃～250℃且厚度为1～2mm的橡胶，通过冷粘工艺将其粘接在该压盘的下表面。

上述方案的工作原理是：如图1所示，当需要对磁悬浮飞轮进行锁紧时，由控制系统给锁紧电磁铁的锁紧线圈施加电流，在内、外铁心环与压盘轴向间隙处产生锁紧磁通，此时压盘受向下的电磁吸力作用，克服解锁弹簧的弹力向下移动，当上橡胶垫接触到飞轮转子的轴向端面时，压盘推动飞轮转子共同向下移动，直到上、下橡胶垫将飞轮转子压紧不能移动为止，此时在锁紧弹簧张力的作用下，衔铁与锁销向右移动，锁销的楔形端插入飞轮定子轴上的定位槽，位置触头与锁紧微动开关接触，锁紧微动开关输出大于3V的高电平信号，由此判断锁销处于锁紧状态。

仍如图1所示，当需要对磁悬浮飞轮进行解锁时，控制系统给解锁继电器的解锁线圈施加电流，在铁心与衔铁间的水平间隙处产生解锁磁通，此时衔铁受径向向外的电磁吸力作用，带动锁销克服锁紧弹簧的弹力和结构摩擦力而实现径向向外移动，当锁销的楔形端完全脱离定位槽后，位置触头与解锁微动开关接触，解锁微动开关输出大于3V的高电平信号，由此判断锁销处于解锁状态。在解锁弹簧恢复力的作用下，压盘和位于其上的解锁继电器向上移动，直至解锁器壳体触到限位螺钉，在飞轮定子轴向恢复力作用下飞轮转子向上移动并回到其平衡位置，飞轮解锁完成。

当锁销由于摩擦力过大而无法解锁时，可给锁紧电磁铁的锁紧线圈通电，使压盘受到向下的吸力，减小锁销楔形端面的摩擦力，保证飞轮可靠解锁。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用两套电磁铁组件分别进行锁紧和解锁，与一次性锁紧装置相比实现了磁悬浮飞轮的可重复锁紧功能，可反复使用。与现有的可重复锁紧装置相比，本发明的可重复锁紧装置结构简单，活动部件少，并能够通过微动开关监测磁悬浮飞轮的锁紧状态和解锁状态，当锁销由于摩擦力过大而无法解锁时，可由锁紧线圈协助解锁，因而可靠性高，控制更加容易。

附图说明

图1为本发明的可重复使用的锁紧装置结构示意图；

图2为本发明的飞轮定子轴的立轴主视图；

图3(a)为本发明的解锁继电器的剖面图；

图3(b)为本发明的解锁继电器的俯视图；

图4(a)为本发明的锁销与衔铁的主视图；

图4(b)为本发明的锁销与衔铁的俯视图；

图5为本发明的锁紧电磁铁的结构示意图；

图6为本发明的磁悬浮飞轮从解锁状态变为锁紧状态时的示意图；

图7为本发明的磁悬浮飞轮从锁紧状态变为解锁状态时的示意图；

图8为本发明的微动开关工作原理示意图。

其中，附图标记说明如下：

1-飞轮系统

10-飞轮定子

11-飞轮转子

12-飞轮定子轴

13-底座

14-定子轴端盖

15-限位螺钉

16-下橡胶垫

17-键

18-定位平面

19-定位槽

2-锁紧电磁铁

21-压盘

22-内铁心环

23-外铁心环

24-锁紧线圈

25-解锁弹簧

26-上橡胶垫

3-解锁继电器

31-解锁套件

311-衔铁

312-铁心

313-解锁线圈

314-电磁套壳

315-锁紧弹簧

32-L形壳盖

33-锁销

331-楔形端

34-解锁器壳体

341-环形套

342-底面

343-键槽

35-位置触头

36-锁紧微动开关

37-解锁微动开关

具体实施方式

为了使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明的实施例做进一步详细地说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明仅用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明主要由飞轮系统1、解锁继电器3、锁紧电磁铁2组成。

其中：飞轮系统1主要包括：飞轮定子10、飞轮定子轴12、飞轮转子11、底座13、下橡胶垫16、键17、定子轴端盖14、限位螺钉15、定位平面18和定位槽19。

飞轮定子10固定安装在该飞轮定子轴12上，飞轮转子11设置于该飞轮定子10外侧，底座13设置在飞轮定子10和飞轮转子11下方并与该飞轮定子轴12固定连接。定子轴端盖14固定设置在该飞轮定子轴12上端面上，限位螺钉15位于该定子轴端盖14下表面的径向外侧并用以限定该解锁继电器3在解锁状态下的位置，所述限位螺钉15的轴线与该飞轮定子轴12的主轴线平行。

该锁紧电磁铁2设置在该飞轮定子10和该飞轮转子11上方并套在该飞轮定子轴12上，该解锁继电器3设置在该锁紧电磁铁2上方并套在该飞轮定子轴12上，以及该解锁继电器3与该锁紧电磁铁2彼此邻接并可以沿着该飞轮定子轴12一起上下移动。

当将该飞轮系统1从解锁状态变为锁紧状态时，该锁紧电磁铁2被接通锁紧电流并产生锁紧磁通，使得该锁紧电磁铁2带动该飞轮系统1的飞轮转子11向下移动，继而通过该解锁继电器3将该飞轮转子11锁紧在该底座13上，从而变成锁紧状态。当将该飞轮系统1从锁紧状态变为解锁状态时，该解锁继电器3被接通解锁电流并产生解锁磁通，使得该飞轮转子11通过该解锁继电器3产生的解锁力从该底座13解锁，并在飞轮定子10产生的轴向恢复力作用下向上移动，从而恢复成解锁状态。

解锁继电器3主要包括：解锁器壳体34、L形壳盖32、解锁套件31锁销33、解锁微动开关37、锁紧微动开关36和位置触头35。其中该解锁套件31包括解锁线圈313、铁心312、电磁套壳314、衔铁311和锁紧弹簧315。

锁紧电磁铁2主要包括：压盘21、内铁心环22、外铁心环23、锁紧线圈24、解锁弹簧25和上橡胶垫26。

其中飞轮定子轴12处于飞轮转子11的径向内侧，并用螺钉固定于底座13，定子轴端盖14通过螺纹连接固定于飞轮定子轴12上端，限位螺钉15位于定子轴端盖14的径向外侧并用以限定该解锁继电器3在解锁状态下的位置，所述限位螺钉15的轴线与该飞轮定子轴12的主轴线平行，健17安装于飞轮定子轴12上端的侧面，环形下橡胶垫16位于底座13上且与飞轮定子轴12同心。

锁紧电磁铁2的外铁心环22套装于飞轮定子轴12上，其下端面压紧飞轮定子10，锁紧线圈24套装于外铁心环23内侧，内铁心环23通过螺纹固定于飞轮定子轴12上并将内铁心环22压紧，锁紧弹簧25安装于内铁心环22内侧并套在飞轮定子轴12上。

压盘21套装于飞轮定子轴12上，解锁继电器3通过螺钉固定于压盘21上侧并套装在飞轮定子轴12上，并且通过设置在该飞轮定子轴12上的键17限制其周向旋转。锁销33通过螺钉固定于衔铁311上，解锁弹簧25套于锁销33上并位于铁心312与衔铁311之间，圆柱形锁销33的一端为楔形锁紧端(即楔形端331)，另一端通过螺钉固定有位置触头35。电磁套壳314套装于解锁线圈313的外侧，在解锁器壳体34的外侧径向远端通过螺钉还固定有两个微动开关36和37。

图2为本发明的飞轮定子轴12的立轴主视图。

如图2所示，键17靠近该飞轮定子轴12的上端面设置在该飞轮定子轴12的一侧，通过该键17限制该解锁继电器3的周向旋转，定位平面18靠近该飞轮定子轴12的上端面与该键17相对设置在该飞轮定子轴12的另一侧，用以限定该解锁继电器3在该飞轮定子轴12上的周向定位，定位槽19设置在该定位平面18中，通过该定位槽19与该解锁继电器3进行锁紧。下橡胶垫16位于该底座13上且与该飞轮定子轴12同心，用以在锁紧状态下与该飞轮转子11的下表面接触。位于定位槽19下面的螺纹则用于固定内铁心环22。飞轮定子轴12的材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti。

图3(a)为本发明的解锁继电器3的剖面图。

其中，解锁器壳体34固定设置在该锁紧电磁铁2上，其一侧设置有环形套341，使得该飞轮定子轴12穿过其中，另一侧设置有向外周延伸的底面342和前后两个侧面。

L形壳盖32设置在该解锁器壳体34的底面342上方和外侧，其与该解锁器壳体34的底面342和侧面一起形成容纳解锁套件31的空腔。

在该解锁套件31中，衔铁311设置在该空腔内靠近该飞轮定子轴12的一侧，铁心312设置在该空腔内远离该飞轮定子轴12的一侧，该铁心312与该衔铁311之间在锁紧状态下形成水平距离，该水平距离即为解锁间隙，此解锁间隙一般可为0.5～2.5mm。

解锁线圈313套装在该衔铁311和该铁心312上；电磁套壳314套装在该解锁线圈313的外侧；以及锁紧弹簧315设置在该衔铁311和该铁心312内侧，具体而言，该锁紧弹簧315被置于在衔铁311和铁心312中部形成的圆柱形弹簧槽内。

锁销33穿过该解锁器壳体34、衔铁311、锁紧弹簧315、铁心312和L形壳盖32并从该L形壳盖32向外伸出，与该衔铁311固定连接。

当该飞轮转子11被锁紧时，该锁销33的一端通过该锁紧弹簧315的弹簧力抵住该飞轮定子轴12，当该飞轮转子11被解锁时，该锁销33的该端在该解锁线圈313产生的解锁磁通作用下与该飞轮定子轴12脱开。

具体而言，在一个实施例中，在该解锁继电器3的锁销33靠近该飞轮定子轴12的一端还设置有楔形端331，当该飞轮转子11被锁紧时，该楔形端331通过该锁紧弹簧315的弹簧力插入该飞轮定子轴12上的定位槽19中，当该飞轮转子11被解锁时，该楔形端331通过该解锁线圈313产生的解锁磁通从该飞轮定子轴12上的定位槽19中脱出。

解锁继电器3的位置触头35固定设置在该锁销33的从该L形壳盖32伸出的一端上。锁紧微动开关36固定设置在该解锁器壳体34的远离该飞轮定子轴12的外侧，并靠近该锁销33的从该L形壳盖32伸出的一端，而解锁微动开关37固定设置在该解锁器壳体34的远离该飞轮定子轴12的一侧的外侧，与该锁紧微动开关36对称设置在该锁销33的从该L形壳盖32伸出的一端的两侧。

在该解锁器壳体34的环形套341内侧还设置有与该键17配合的键槽343，其通过设置在该飞轮定子轴12一侧的键17来限制该解锁继电器3的周向旋转。

该解锁继电器3由解锁线圈313提供磁动势，由铁心312、电磁套壳314、衔铁311及衔铁311与铁心312之间的间隙构成电磁磁路。

图3(b)为本发明的解锁继电器3的俯视图。如图所示，解锁继电器3通过解锁器壳体34右端的环形套341套装在飞轮定子轴12上端，并位于锁紧电磁铁2的压盘21上侧，由螺钉将解锁继电器3与压盘21连接成整体。解锁器壳体34右端的环形套341内留有键槽343及周向定位平面，由飞轮定子轴12上的键17及该键槽343和周向定位平面实现解锁继电器3在飞轮定子轴12上的周向定位。锁紧微动开关36和解锁微动开关37位于解锁继电器3的左侧，在位置触头35的两侧相对安装。

图4(a)为本发明的锁销33与衔铁311的主视图。如图所示，衔铁311为长方体形，锁销33主体为圆柱形，锁销33的右端为楔形端331，其楔形斜面与水平面的夹角为5度，锁销33的左端上设有连接凹槽，用于固定位置触头35。

图4(b)为本发明的锁销33与衔铁311的俯视图。如图所示，衔铁311套装在锁销33的右端并由螺钉与该锁销33固定连接为一体。锁销材料为钛合金。

图5为本发明的锁紧电磁铁2的结构示意图。

如图所示，压盘21套装在该飞轮定子轴12上，内铁心环22由螺纹固定套装在该飞轮定子轴12上并位于该压盘21下方，外铁心环23固定套装在该飞轮定子轴12上并设置在该内铁心环22外侧和下方，利用内铁心环22压紧外铁心环23，使其上表面与外铁心环23的上表面平齐。锁紧线圈24套装在由该内铁心环22外侧和该外铁心环23内侧形成的环形线圈槽中，当该飞轮转子11需要锁紧时，该锁紧线圈24被接通锁紧电流并产生锁紧磁通。

解锁弹簧25安装在该内铁心环22内侧的弹簧槽中并套装在该飞轮定子轴12上，用以支撑该压盘21(即由压盘21将锁紧弹簧315压紧)。

上橡胶垫26设置在该压盘21的下表面上，用以与该飞轮转子11的上表面接触。

在解锁状态下，该压盘21的下表面与该内铁心环22和该外铁心环23的上表面之间形成轴向距离，此轴向距离即为锁紧间隙，此锁紧间隙一般可为0.5～1.5mm。

当将该飞轮转子11锁紧时，该压盘21在该锁紧线圈24产生的锁紧磁通的作用下向下移动，并带动该飞轮转子11一起向下移动直至抵住该底座13，当将该飞轮转子11解锁时，该压盘21通过该解锁弹簧25的恢复力向上移动，该飞轮转子11通过该飞轮定子10产生的轴向恢复力向上移动。

在上述各部件中，所述压盘21、内铁心环22和外铁心环23为10#钢材材料。所述铁心312、衔铁311、电磁套壳314由DT4C电工纯铁制成。所述锁紧弹簧315和解锁弹簧25由65Mn弹簧用不锈钢丝制成。所述锁销33和键17由钛合金制成。所述定子轴端盖14由不锈钢1Cr18Ni9Ti制成。所述L形壳盖32和解锁器壳体34由铝合金LY12制成。所述上橡胶垫26和下橡胶垫16可以由真空下长期使用环境温度为-30℃～250℃且厚度为1～2mm的橡胶等材料制成，可通过冷粘工艺将它们分别粘接在该压盘21的下表面和该底座13的上表面。

图6为本发明的磁悬浮飞轮从解锁状态变为锁紧状态时的示意图，当需要对磁悬浮飞轮进行锁紧时，位于飞轮系统外部的控制系统控制锁紧线圈24通以电流，在内、外铁心环22和23与压盘21的轴向间隙(即锁紧间隙)处产生锁紧磁通，此时压盘21受向下的电磁吸力作用，克服解锁弹簧25的弹力向下移动，当上橡胶垫26接触到飞轮转子11的上端面时，压盘21推动飞轮转子11共同向下移动，直到上、下橡胶垫26和16将飞轮转子11压紧不能移动为止，此时在锁紧弹簧315的张力的作用下，衔铁311与锁销33向右移动，锁销的楔形端插入飞轮定子轴12上的定位槽19中，飞轮转子11处于锁紧状态。

图7为本发明的磁悬浮飞轮从锁紧状态变为解锁状态时的示意图，当需要对磁悬浮飞轮进行解锁时，上述控制系统控制解锁线圈313通以电流，在铁心312与衔铁311间的水平间隙(即解锁间隙)处产生解锁磁通，此时衔铁311受向左的电磁吸力作用，带动锁销33克服锁紧弹簧315的弹力和结构摩擦力向左移动，当锁销33的楔形端331完全脱离定位槽19后，在解锁弹簧25的恢复力的作用下，解锁继电器3和压盘21向上移动，直至解锁器壳体34触到限位螺钉15，飞轮转子11通过该飞轮定子10产生的轴向恢复力向上移动回到其轴向平衡位置，飞轮解锁完成。

在锁紧过程中，压盘21轴向向下移动的距离(包括锁紧间隙的距离和在解锁状态下飞轮转子11的下端面与底座13(或下橡胶垫16)的上端面之间的间距)形成其锁紧行程；在解锁过程中，衔铁311沿着远离飞轮定子轴12的方向水平移动的距离(即解锁间隙的距离)形成其解锁行程。

在解锁过程中，当锁销33的楔形端331由于摩擦力过大而无法从该定位槽19中脱出时，通过使得该锁紧电磁铁2产生向下的吸力来减小该楔形端331的表面摩擦力。

具体而言，在一个实施例中，当锁销33由于摩擦力过大而无法解锁时，可给锁紧电磁铁2的锁紧线圈24通电，使压盘21受到向下的吸力，减小锁销33的楔形端面的摩擦力，保证飞轮可靠解锁。

图8为本发明的微动开关36和37的工作原理示意图，当所述位置触头35与锁紧微动开关36的触点接触时，如图中实线所示，锁紧微动开关36输出信号为高电平，飞轮转子为锁紧状态；当所述位置触头35与解锁微动开关37的触点接触时，如图中虚线所示，解锁微动开关37输出信号为高电平，飞轮转子为解锁状态。维持该锁紧状态和该解锁状态均不需持续通电。

锁紧微动开关36和解锁微动开关37输出的电信号与飞轮系统外部的控制系统的输入端相连，该控制系统的输出端分别与锁紧线圈24和解锁线圈313相连，形成电控制的闭环回路。

总之，本发明的锁紧装置保护了磁悬浮飞轮系统，具有可重复使用、易于控制、可靠性高、结构简单、可以防止多余物的产生等优点。

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。

Claims (13)

1.一种磁悬浮飞轮锁紧装置，包括飞轮系统(1)、锁紧电磁铁(2)和解锁继电器(3)，其中，该飞轮系统(1)包括：

飞轮定子轴(12)；

飞轮定子(10)，固定安装在该飞轮定子轴(12)上；

飞轮转子(11)，设置于该飞轮定子(10)外侧；以及

底座(13)，设置在该飞轮定子(10)和该飞轮转子(11)下方，并与该飞轮定子轴(12)固定连接；其中

该锁紧电磁铁(2)设置在该飞轮定子(10)和该飞轮转子(11)上方并套在该飞轮定子轴(12)上；

该解锁继电器(3)设置在该锁紧电磁铁(2)上方并套在该飞轮定子轴(12)上，该解锁继电器(3)与该锁紧电磁铁(2)彼此邻接并沿着该飞轮定子轴(12)一起移动；

当将该飞轮系统(1)从解锁状态变为锁紧状态时，该锁紧电磁铁(2)被接通锁紧电流并产生锁紧磁通，使得该锁紧电磁铁(2)带动该飞轮系统(1)的飞轮转子(11)向下移动，继而通过该解锁继电器(3)将该飞轮转子(11)锁紧在该底座(13)上，从而变成锁紧状态；以及

当将该飞轮系统(1)从锁紧状态变为解锁状态时，该解锁继电器(3)被接通解锁电流并产生解锁磁通，使得该飞轮转子(11)通过该解锁继电器(3)产生的解锁力从该底座(13)解锁并在飞轮定子(10)产生的轴向恢复力作用下向上移动，从而恢复成解锁状态。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮锁紧装置，其中，该飞轮系统(1)还包括：

定子轴端盖(14)，固定设置在该飞轮定子轴(12)上端面上；

限位螺钉(15)，位于该定子轴端盖(14)下表面的径向外侧并用以限定该解锁继电器(3)在解锁状态下的位置，所述限位螺钉(15)的轴线与该飞轮定子轴(12)的主轴线平行；

键(17)，靠近该飞轮定子轴(12)的上端面设置在该飞轮定子轴(12)的一侧，通过该键(17)限制该解锁继电器(3)的周向旋转；

定位平面(18)，靠近该飞轮定子轴(12)的上端面与该键(17)相对设置在该飞轮定子轴(12)的另一侧，用以限定该解锁继电器(3)在该飞轮定子轴(12)上的周向定位；

定位槽(19)，设置在该定位平面(18)中，通过该定位槽(19)与该解锁继电器(3)进行锁紧；以及

下橡胶垫(16)，位于该底座(13)上且与该飞轮定子轴(12)同心，用以与该飞轮转子(11)的下表面接触。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮锁紧装置，其中，该锁紧电磁铁(2)包括：

压盘(21)，套装在该飞轮定子轴(12)上；

内铁心环(22)，固定套装在该飞轮定子轴(12)上并位于该压盘(21)下方；

外铁心环(23)，固定套装在该飞轮定子轴(12)上，并设置在该内铁心环(22)外侧和下方；

锁紧线圈(24)，套装在该内铁心环(22)外侧和该外铁心环(23)内侧，当该飞轮转子(11)需要锁紧时，该锁紧线圈(24)被接通锁紧电流并产生锁紧磁通；

解锁弹簧(25)，安装在该内铁心环(22)内侧并套装在该飞轮定子轴(12)上，用以支撑该压盘(21)；以及

上橡胶垫(26)，设置在该压盘(21)的下表面上，用以与该飞轮转子(11)的上表面接触；其中

在解锁状态下，该压盘(21)的下表面与该内铁心环(22)和该外铁心环(23)的上表面之间形成轴向距离，该轴向距离即为锁紧间隙，当将该飞轮转子(11)锁紧时，该压盘(21)在该锁紧线圈(24)产生的锁紧磁通的作用下向下移动，并带动该飞轮转子(11)一起向下移动直至抵住该底座(13)，当将该飞轮转子(11)解锁时，该压盘(21)通过该解锁弹簧(25)的恢复力向上移动，该飞轮转子(11)通过该飞轮定子(10)产生的轴向恢复力向上移动。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮锁紧装置，其中，该解锁继电器(3)包括：

解锁器壳体(34)，固定设置在该锁紧电磁铁(2)上，其一侧设置有环形套(341)，使得该飞轮定子轴(12)穿过其中，另一侧设置有向外周延伸的底面(342)和侧面；

L形壳盖(32)，设置在该解锁器壳体(34)的底面(342)上方和外侧，其与该解锁器壳体(34)的底面(342)和侧面一起形成容纳解锁套件(31)的空腔，该解锁套件(31)包括：

衔铁(311)，设置在该空腔内靠近该飞轮定子轴(12)的一侧；

铁心(312)，设置在该空腔内远离该飞轮定子轴(12)的一侧，该铁心(312)与该衔铁(311)之间在锁紧状态下形成水平距离，该水平距离即为解锁间隙；

解锁线圈(313)，套装在该衔铁(311)和该铁心(312)上，当该飞轮转子(11)需要解锁时，该解锁线圈(313)被接通解锁电流并产生解锁磁通；

电磁套壳(314)，套装在该解锁线圈(313)的外侧；以及

锁紧弹簧(315)，设置在该衔铁(311)和该铁心(312)内侧；以及

锁销(33)，穿过该解锁器壳体(34)、该衔铁(311)、该锁紧弹簧(315)、该铁心(312)和该L形壳盖(32)并从该L形壳盖(32)伸出，与该衔铁(311)固定连接，当该飞轮转子(11)需要锁紧时，该锁销(33)的一端通过该锁紧弹簧(315)的弹簧力抵住该飞轮定子轴(12)，当该飞轮转子(11)需要解锁时，该锁销(33)的该端在该解锁线圈(313)产生的解锁磁通作用下与该飞轮定子轴(12)脱开；

位置触头(35)，固定设置在该锁销(33)的从该L形壳盖(32)伸出的一端上；

锁紧微动开关(36)，固定设置在该解锁器壳体(34)的远离该飞轮定子轴(12)的一侧之外，并靠近该锁销(33)的从该L形壳盖(32)伸出的一端；以及

解锁微动开关(37)，固定设置在该解锁器壳体(34)的远离该飞轮定子轴(12)的一侧之外，与该锁紧微动开关(36)对称设置在该锁销(33)的从该L形壳盖(32)伸出的一端的两侧。

5.根据权利要求2所述的磁悬浮飞轮锁紧装置，其中，该解锁继电器(3)包括：

解锁器壳体(34)，固定设置在该锁紧电磁铁(2)上，其一侧设置有环形套(341)，使得该飞轮定子轴(12)穿过其中，另一侧设置有向外周延伸的底面(342)和侧面；

L形壳盖(32)，设置在该解锁器壳体(34)的底面(342)上方和外侧，其与该解锁器壳体(34)的底面(342)和侧面一起形成容纳解锁套件(31)的空腔，该解锁套件(31)包括：

衔铁(311)，设置在该空腔内靠近该飞轮定子轴(12)的一侧；

铁心(312)，设置在该空腔内远离该飞轮定子轴(12)的一侧，该铁心(312)与该衔铁(311)之间在锁紧状态下形成水平距离，该水平距离即为解锁间隙；

解锁线圈(313)，套装在该衔铁(311)和该铁心(312)上；

电磁套壳(314)，套装在该解锁线圈(313)的外侧；以及

锁紧弹簧(315)，设置在该衔铁(311)和该铁心(312)内侧；以及

锁销(33)，穿过该解锁器壳体(34)、该衔铁(311)、该锁紧弹簧(315)、该铁心(312)和该L形壳盖(32)并从该L形壳盖(32)伸出，与该衔铁(311)固定连接，当该飞轮转子(11)被锁紧时，该锁销(33)的一端通过该锁紧弹簧(315)的弹簧力抵住该飞轮定子轴(12)，当该飞轮转子(11)被解锁时，该锁销(33)的该端在该解锁线圈(313)产生的解锁磁通作用下与该飞轮定子轴(12)脱开；

位置触头(35)，固定设置在该锁销(33)的从该L形壳盖(32)伸出的一端上；

锁紧微动开关(36)，固定设置在该解锁器壳体(34)的远离该飞轮定子轴(12)的一侧之外，并靠近该锁销(33)的从该L形壳盖(32)伸出的一端；以及

解锁微动开关(37)，固定设置在该解锁器壳体(34)的远离该飞轮定子轴(12)的一侧之外，与该锁紧微动开关(36)对称设置在该锁销(33)的从该L形壳盖(32)伸出的一端的两侧；其中

在该解锁器壳体(34)的环形套(341)内侧还设置有与该键(17)配合的键槽(343)，其通过设置在该飞轮定子轴(12)一侧的键(17)来限制该解锁继电器(3)的周向旋转。

6.根据权利要求5所述的磁悬浮飞轮锁紧装置，其中，在该解锁继电器(3)的锁销(33)靠近该飞轮定子轴(12)的一端还设置有楔形端(331)，当该飞轮转子(11)被锁紧时，该楔形端(331)通过该锁紧弹簧(315)的弹簧力插入该飞轮定子轴(12)上的定位槽(19)中，当该飞轮转子(11)被解锁时，该楔形端(331)通过该解锁线圈(313)产生的解锁磁通从该飞轮定子轴(12)上的定位槽(19)中脱出。

7.根据权利要求6所述的磁悬浮飞轮锁紧装置，其中，在解锁过程中，当该锁销(33)的楔形端(331)由于摩擦力过大而无法从该定位槽(19)中脱出时，通过使得该锁紧电磁铁(2)产生向下的吸力来减小该楔形端(331)的表面摩擦力。

8.根据权利要求3所述的磁悬浮飞轮锁紧装置，其中，在解锁状态下，所述内铁心环(22)和外铁心环(23)与该压盘(21)间形成0.5～1.5mm的轴向距离。

9.根据权利要求4或5所述的磁悬浮飞轮锁紧装置，其中，所述位置触头(35)与该锁紧微动开关(36)的触点接触时，该锁紧微动开关(36)输出信号为高电平，此时该飞轮转子(11)为锁紧状态；所述位置触头(35)与该解锁微动开关(37)的触点接触时，该解锁微动开关(37)输出信号为高电平，此时该飞轮转子(22)为解锁状态，维持该锁紧状态和该解锁状态均不需持续通电。

10.根据权利要求4或5所述的磁悬浮飞轮锁紧装置，其中，在锁紧状态下，该铁心(312)与该衔铁(311)间形成0.5～2.5mm的水平距离。

11.根据权利要求5所述的磁悬浮飞轮锁紧装置，其中，该锁销(33)和该键(17)由钛合金制成。

12.根据权利要求2所述的磁悬浮飞轮锁紧装置，其中，该下橡胶垫(16)为真空下长期使用环境温度为-30℃～250℃且厚度为1～2mm的橡胶，通过冷粘工艺将其粘接在该底座(13)的上表面。

13.根据权利要求3所述的磁悬浮飞轮锁紧装置，其中，该上橡胶垫(26)为真空下长期使用环境温度为-30℃～250℃且厚度为1～2mm的橡胶，通过冷粘工艺将其粘接在该压盘(21)的下表面。

Images