CN103219823A - 一种轮缘驱动式反作用飞轮 - Google Patents

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Abstract

一种轮缘驱动式反作用飞轮属于飞轮设计技术领域，目的在于解决现有技术中飞轮体积和质量大的问题，提高了空间飞行器运行效率和运行的平稳性。包括真空壳、绕组、安装轴、轴承、微型真空阀、底座、位置传感器、电枢支架、电路接口、飞轮轮体、永磁体、内导磁环、端部导磁环；所述绕组和位置传感器安装在所述电枢支架上；所述反作用飞轮通过永磁无刷直流电机驱动。本发明整体位于真空壳内，提高了飞轮的转动惯量/质量比；采用端部导磁环，消除了端部漏磁在底座上产生的涡流效应，提高了飞轮的机械效率；由绕组和电枢支架构成的永磁无刷直流电机定子采用无槽无铁芯式结构，提高了运行效率和运行的平稳性。

Description

一种轮缘驱动式反作用飞轮
技术领域
本发明属于飞轮设计技术领域，涉及一种空间飞行器姿态控制装置，具体涉及一种轮缘驱动式反作用飞轮。
背景技术
反作用飞轮利用自身储存的动量及其在加速或制动时产生的反作用力矩来控制空间飞行器的姿态，具有寿命长、控制精度高等优点。传统反作用飞轮多以大内孔盘式的轮毂驱动结构为主，电机也常为有铁芯结构，不仅增加了飞轮的体积和质量，而且也造成飞轮涡流损耗严重，效率低等问题。
2012年第3期《工程设计学报》公开了一种轮缘驱动式反作用飞轮电机设计，反作用飞轮电机包括真空壳、绕组、安装轴、微型真空阀、底座、位置传感器、电枢支架、电路接口、飞轮轮体、永磁体、内导磁环；所述绕组和位置传感器安装在所述电枢支架上；所述飞轮轮体内部径向环形安装有永磁体和内导磁环；安装轴与飞轮轮体通过轴承连接，所述绕组通过电路接口与外部控制电路相连并驱动飞轮转动部分旋转；飞轮转动部分通过锁紧螺母轴向固定于安装轴上，电枢支架、安装轴均采用螺栓连接固定于底座上，真空壳与底座组成真空腔体，通过微型真空阀抽气和密封。该反作用飞轮电机端部漏磁在底座上产生的涡流效应造成飞轮涡流损耗严重，位置传感器的信号精度差。
发明内容
本发明的目的在于提出一种轮缘驱动式反作用飞轮，解决现有技术中飞轮涡流损耗严重和位置传感器信号精度差的问题，提高了空间飞行器运行效率和运行的平稳性。
为实现上述目的，本发明的反作用飞轮由静止部分和转动部分组成，静止部分包括：真空壳、绕组、安装轴、轴承的内圈部分、微型真空阀、底座、位置传感器、电枢支架、电路接口；
转动部分包括：飞轮轮体、永磁体、内导磁环、轴承的外圈部分；
所述绕组和位置传感器安装在所述电枢支架上；所述飞轮轮体内部径向环形安装有永磁体和内导磁环；安装轴与飞轮轮体通过轴承连接，所述绕组通过电路接口与外部控制电路相连并驱动飞轮转动部分旋转；飞轮转动部分通过锁紧螺母轴向固定于安装轴上，电枢支架、安装轴均采用螺栓连接固定于底座上，真空壳与底座组成真空腔体，通过微型真空阀抽气和密封；
所述反作用飞轮还包括端部导磁环，所述端部导磁环位于所述飞轮轮体轴向端部；所述位置传感器集成于绕组中，并且与永磁体面对面安装。
所述反作用飞轮通过永磁无刷直流电机驱动，所述永磁无刷直流电机转子部分包括所述的内导磁环、端部导磁环和飞轮轮体，所述永磁无刷直流电机定子部分包括绕组和电枢支架。
所述微型真空阀与真空壳之间为螺纹连接，所述微型真空阀为双螺纹结构，所述双螺纹结构的外螺纹和内螺纹的旋向、螺距和导程相同。
所述真空壳与底座之间、真空壳与微型真空阀之间均采用O型橡胶密封圈密闭。
所述位置传感器采用磁敏式霍尔传感器，所述磁敏式霍尔传感器的个数为3的倍数。
本发明的有益效果为：本发明的反作用飞轮通过永磁无刷直流电机控制飞轮转动，实现力矩输出，整体位于真空壳内，结构紧凑、重量轻、有效转动惯量高，提高了飞轮的转动惯量/质量比；采用端部导磁环，消除了端部漏磁在底座上产生的涡流效应，解决了涡流损耗严重的问题，提高了飞轮的机械效率；位置传感器集成于绕组中，并且与永磁体面对面安装，提高了驱动电机的集成度和位置传感器信号的精度。
附图说明
图1为本发明的反作用飞轮整体结构示意图；
其中：1、真空壳，2、飞轮轮体，3、永磁体，4、绕组，5、内导磁环，6、轴承，7、安装轴，8、微型真空阀，9、锁紧螺母，10、底座，11、位置传感器，12、电枢支架，13、端部导磁环，14、电路接口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
参见附图1，本发明的轮缘驱动式反作用飞轮主要由静止部分和转动部分组成，静止部分包括：真空壳1、绕组4、轴承6的内圈部分、安装轴7、微型真空阀8、锁紧螺母9、底座10、位置传感器11、电枢支架12、电路接口14；转动部分包括：飞轮轮体2、永磁体3、内导磁环5、端部导磁环13、轴承6的外圈部分。
绕组4和位置传感器11都安装于电枢支架12上，所述位置传感器11与所述永磁体3面对面，所述绕组4和位置传感器11通过电路接口14与外部控制电路相连并驱动飞轮转动部分旋转；飞轮转动部分通过锁紧螺母9轴向固定于安装轴7上。电枢支架12、安装轴7均采用螺栓连接固定于底座10上。真空壳1与底座10组成真空腔体，通过微型真空阀8的抽气和密封，保持腔体内的真空度要求，为保证真空腔体的密闭性，真空壳1与底座10、真空壳1与微型真空阀8之间均采用O型橡胶密封圈密闭。
所述微型真空阀8与真空壳1之间为螺纹连接，所述微型真空阀8为双螺纹结构，所述双螺纹结构的外螺纹和内螺纹的旋向、螺距和导程相同；所述位置传感器11采用磁敏式霍尔传感器，所述磁敏式霍尔传感器的个数为3个，并且周向呈120度电角度。
所述反作用飞轮采用永磁无刷直流电机驱动，所述飞轮轮体2、内导磁环5和端部导磁环13作为电机磁路的一部分构成了永磁无刷直流电机的转子，所述绕组4和电枢支架12构成永磁无刷直流电机的定子。电机定子采用空心杯式无铁芯无齿槽结构，减小飞轮系统质量并消除电机定子产生的涡流损耗及齿槽转矩脉动，提高电机电磁效率和飞轮转动的平稳性。为便于制作，绕组4先缠绕在事先加工好的电枢支架12上，用环氧树脂胶灌，固化成型，以强化定子刚度和强度，其中电枢支架12采用不导磁的电木材料或其他非导磁材料，如酚醛树脂、工程塑料等，避免铁损和定位力矩。
所述绕组4有三组，通过电路接口14与外部控制电路相连，外部控制电路通过检测位置传感器11的信号来控制相应绕组4通电，以保持绕组4所受到的电磁力矩方向不变，从而通过作用力与反作用力的原理来驱动电机转子转动，进而实现对飞轮轮体2的驱动，控制电路不断地循环交替给每相绕组通电，保证电机转子持续的转动。
以上为本发明的具体实施方式，但绝非对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种轮缘驱动式反作用飞轮，由静止部分和转动部分组成，所述静止部分包括：真空壳（1）、绕组（4）、安装轴（7）、轴承（6）的内圈部分、微型真空阀（8）、底座（10）、位置传感器、电枢支架（12）、电路接口（14）；所述转动部分包括：飞轮轮体（2）、永磁体（3）、内导磁环（5）、轴承（6）的外圈部分；所述绕组（4）和位置传感器安装在所述电枢支架（12）上；所述飞轮轮体（2）内部径向环形安装有永磁体（3）和内导磁环（5）；安装轴（7）与飞轮轮体（2）通过轴承（6）连接，所述绕组（4）通过电路接口（14）与外部控制电路相连并驱动飞轮转动部分旋转；飞轮转动部分通过锁紧螺母（9）轴向固定于安装轴（7）上，电枢支架（12）、安装轴（7）均采用螺栓连接固定于底座（10）上，真空壳（1）与底座（10）组成真空腔体，通过微型真空阀（8）抽气和密封；其特征在于，所述反作用飞轮还包括端部导磁环（13），所述端部导磁环（13）位于所述飞轮轮体（2）轴向端部；所述位置传感器（11）集成于绕组（4）中，并且与永磁体（3）面对面安装。
2.根据权利要求1所述的一种轮缘驱动式反作用飞轮，其特征在于，所述反作用飞轮通过永磁无刷直流电机驱动，所述永磁无刷直流电机转子部分包括所述的内导磁环（5）、端部导磁环（13）和飞轮轮体（2），所述永磁无刷直流电机定子部分包括绕组（4）和电枢支架（12）。
3.根据权利要求1所述的一种轮缘驱动式反作用飞轮，其特征在于，所述微型真空阀（8）与真空壳（1）之间为螺纹连接，所述微型真空阀（8）为双螺纹结构，所述双螺纹结构的外螺纹和内螺纹的旋向、螺距和导程相同。
4.根据权利要求1所述的一种轮缘驱动式反作用飞轮，其特征在于，所述真空壳（1）与底座（10）之间、真空壳（1）与微型真空阀（8）之间均采用O型橡胶密封圈密闭。
5.根据权利要求1所述的一种轮缘驱动式反作用飞轮，其特征在于，所述位置传感器（11）采用磁敏式霍尔传感器，所述磁敏式霍尔传感器的个数至少为三个。
6.根据权利要求5所述的一种轮缘驱动式反作用飞轮，其特征在于，所述磁敏式霍尔传感器的个数为三的倍数。
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