CN104201935B - 一种四自由度磁悬浮飞轮 - Google Patents
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Abstract
一种四自由度磁悬浮飞轮，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，由四自由度磁轴承、高速电机、径轴一体化传感器、径向传感器、上保护轴承、下保护轴承、芯轴、轮体、底座、上传感器检测环、下传感器检测环和壳体组成。四自由度磁轴承的主动部分控制飞轮转子的径向平动与偏转，飞轮转子的轴向平动通过四自由度磁轴承的被动部分实现。本发明各个组件布局紧凑，减小了体积和重量，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
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮飞轮，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，按照悬浮自由度的划分,可分为单自由度磁悬浮飞轮～五自由度磁悬浮飞轮,由于悬浮自由度少,可以减小控制系统体积以及飞轮整体质量,因此主被动磁悬浮飞轮得到了较为广泛的应用，现有的四自由度磁悬浮飞轮采用两个径向磁轴承支承，这两个径向磁轴承的定转子铁心轴向长度完全相同，利用定子和转子之间的轴向“错位”实现飞轮转子的被动悬浮，利用两个径向磁轴承线圈的电流控制，实现飞轮转子的径向平动以及偏转四个自由度的控制，但是现有结构采用两个径向磁轴承，轴向尺寸大大增加。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种四自由度磁悬浮飞轮，以减小自身体积重量和功耗。
本发明的技术解决方案为：一种四自由度磁悬浮飞轮，由四自由度磁轴承(1)、高速电机(2)、径轴一体化传感器(3)、径向传感器(4)、上保护轴承(5)、下保护轴承(6)、芯轴(7)、轮体(8)、底座(9)、上传感器检测环(10)、下传感器检测环(11)和壳体(12)组成，其中四自由度磁轴承(1)位于飞轮的中部，其定子部分安装在芯轴(7)的中部，四自由度磁轴承(1)定子的上端为上保护轴承(5)，上保护轴承(5)也固定在芯轴(7)上，上保护轴承(5)的径向外侧为上传感器检测环(10)，上保护轴承(5)与上传感器检测环(10)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，上传感器检测环(10)的径向外侧是径轴一体化传感器(3)，径轴一体化传感器(3)的径向探头和轴向探头与上传感器检测环(10)之间形成径向探测间隙和轴向探测间隙，径轴一体化传感器(3)通过传感器座与芯轴(7)固连；四自由度磁轴承(1)定子的下端为下保护轴承(6)，下保护轴承(6)也固定在芯轴(7)上，其径向外侧为下传感器检测环(11)，下保护轴承(6)和下传感器检测环(11)之间形成径向保护间隙，下传感器检测环(11)的径向外侧是径向传感器(4)，径向传感器(4)的探头与下传感器检测环(11)之间形成径向探测间隙，径向传感器(4)通过传感器座与底座(9)固连；四自由度磁轴承(1)的转子的径向外侧是轮体(8)，两者采用过盈配合，轮体(8)的下端安装有高速电机(2)的内转子铁心和外转子铁心，高速电机(2)的定子与内转子铁心和外转子铁心之间形成磁间隙，并通过连接板固定在底座(9)上，壳体(12)与底座(9)通过螺钉相连，用以将轮体密封起来。
所述的四自由度磁轴承(1)由被动部分转子导磁环(101)、转子永磁体(102)、转子导磁体(103)、转子铁心(104)、气隙(105)、定子铁心(106)、定子导磁环(107)、定子永磁体(108)、线圈(109)、被动部分定子导磁环(110)和被动部分气隙(111)组成，其中每个定子铁心(106)由4个磁极组成，两个定子铁心(106)组成磁轴承上下两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子铁心(106)的磁极上绕制有线圈(109)，定子铁心(106)外部为转子铁心(104)，转子铁心(104)外部为转子导磁体(103)，转子铁心(104)内表面与定子铁心(106)外表面留有一定的间隙，形成气隙(105)，定子铁心(106)的径向内部为定子导磁环(107)，两个被动部分定子导磁环(110)位于两个定子铁心(106)之间，定子铁心(106)与被动部分定子导磁环(110)之间有两个定子永磁体(108)，两个被动部分定子导磁环(110)之间有一个定子永磁体(108)，被动部分定子导磁环(110)的径向外部为被动部分转子导磁环(101)，两个转子导磁体(103)之间为转子永磁体(102)，被动部分转子导磁环(101)的内表面与被动部分定子导磁环(110)的外表面之间留有一定间隙，形成被动部分气隙(111)。
所述的每个定子铁心(106)的磁极绕制有线圈(109)为独立控制。
所述的转子永磁体(102)和每个定子永磁体(108)为轴向圆环，沿轴向充磁，且体积相等。
所述的被动部分转子导磁环(101)和被动部分定子导磁环(110)由实心整环导磁材料制成。
所述的被动部分转子导磁环(101)和被动部分定子导磁环(110)为两个、四个、六个或八个。
所述的径轴一体化传感器(3)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(8)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(8)的两个径向平动广义位移的检测。
上述方案的原理是：通过控制四自由度磁悬浮飞轮中四自由度磁轴承主动部分的电磁线圈的电流完成飞轮转子的两个径向平动和两个径向偏转共四个自由度的控制，保持飞轮的旋转部分与飞轮静止部分间隙均匀，四自由度磁轴承的被动部分实现飞轮转子轴向方向的被动稳定悬浮；通过高速电机控制飞轮轮体转动，实现力矩输出。其中四自由度磁轴承的控制原理为：通过控制上下两组定子铁心磁极的每个线圈中的电流(即独立控制各个线圈中的电流，也就是说，“独立控制”指的是各个线圈中的电流没有直接联系，是通过功放根据位移传感器检测到的探测气隙变化对每个定子磁极线圈进行通电)，实现磁轴承转动部分的径向平动和径向扭动，利用中间的被动部分的定子导磁环和被动部分转子导磁环通过轴向位移产生的磁偏拉力实现磁轴承转动部分的轴向平动。定子永磁体和转子永磁体给磁轴承提供永磁偏置磁场，承担磁轴承所受的径向力，线圈所产生的磁场起调节作用，用来改变每极下磁场的强弱，保持磁轴承定转子气隙均匀，并使转子得到无接触支撑。本发明的永磁磁路为三个部分(如图4所示)，一部分为：磁通从上端定子永磁体N极出发，通过定子导磁环、上端定子铁心、上端气隙、上端转子铁心、上端转子导磁体、上端被动部分转子导磁环、上端被动部分气隙、上端被动部分定子导磁环、定子导磁环回到上端定子永磁体的S极；第二部分为：磁通从下端定子永磁体N极出发，通过定子导磁环、下端被动部分定子导磁环、下端被动部分气隙、下端被动部分转子导磁环、下端转子导磁体、下端转子铁心、下端气隙、下端定子铁心、定子导磁环回到下端定子永磁体的S极；第三部分为：磁通从中间的定子永磁体N极出发，通过定子导磁环、下端被动部分定子导磁环、下端被动部分气隙、下端被动部分转子导磁环、下端转子导磁体、转子永磁体S极、转子永磁体N极、上端转子导磁体、上端被动部分转子导磁环、上端被动部分气隙、上端被动部分定子导磁环、定子导磁环，回到中间定子永磁体的S极。如图3所示，以某端Y轴正方向线圈电流产生的磁通为例，其路径为：定子铁心形成的Y轴正方向磁极、Y轴正方向气隙到转子铁心、然后到另外三个方向气隙、定子铁心形成的另外三个方向磁极、回到定子铁心形成的Y轴正方向磁极，构成闭合回路。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用四自由度磁轴承实现磁悬浮飞轮两个径向平动以及两个径向偏转的控制，并且被动部分的定子永磁体和转子永磁体实现四自由度磁轴承被动刚度的提高，对主动部分没有直接影响，此外，本发明的每个定子永磁体和转子永磁体体积相同，可以使得磁轴承剩磁矩接近零，满足航天的要求；本发明所述结构轴向长度可以小，克服了现有四自由度磁悬浮飞轮轴向长度大的缺陷；本发明的磁悬浮飞轮中四自由度磁轴承的轴向被动部分为整环结构，磁场波动小，旋转功耗小。另外，本发明的上保护轴承和下保护轴承大小不同，便于飞轮轮体的拆卸。
附图说明
图1为本发明的四自由度磁悬浮飞轮示意图；
图2为本发明的四自由度磁轴承轴向截面图；
图3为本发明的四自由度磁轴承轴向端面图；其中图3a为极靴形式的端面图，图3b为定子磁极夹角为62度时的端面图；
图4为本发明的四自由度磁轴承的永磁磁路图；
图5为本发明的含有四个被动部分转子导磁环和被动部分定子导磁环的四自由度磁轴承轴向截面图；
图6为本发明的四自由度磁悬浮飞轮中高速电机结构图；
图7为本发明的四自由度磁悬浮飞轮的径轴一体化传感器结构图。
具体实施方式
如图1所示，一种四自由度磁悬浮飞轮，由四自由度磁轴承(1)、高速电机(2)、径轴一体化传感器(3)、径向传感器(4)、上保护轴承(5)、下保护轴承(6)、芯轴(7)、轮体(8)、底座(9)、上传感器检测环(10)、下传感器检测环(11)和壳体(12)组成，其中四自由度磁轴承(1)位于飞轮的中部，其定子部分安装在芯轴(7)的中部，四自由度磁轴承(1)定子的上端为上保护轴承(5)，上保护轴承(5)也固定在芯轴(7)上，上保护轴承(5)的径向外侧为上传感器检测环(10)，上保护轴承(5)与上传感器检测环(10)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，上传感器检测环(10)的径向外侧是径轴一体化传感器(3)，径轴一体化传感器(3)的径向探头和轴向探头与上传感器检测环(10)之间形成径向探测间隙和轴向探测间隙，径轴一体化传感器(3)通过传感器座与芯轴(7)固连；四自由度磁轴承(1)定子的下端为下保护轴承(6)，下保护轴承(6)也固定在芯轴(7)上，其径向外侧为下传感器检测环(11)，下保护轴承(6)和下传感器检测环(11)之间形成径向保护间隙，下传感器检测环(11)的径向外侧是径向传感器(4)，径向传感器(4)的探头与下传感器检测环(11)之间形成径向探测间隙，径向传感器(4)通过传感器座与底座(9)固连；四自由度磁轴承(1)的转子的径向外侧是轮体(8)，两者采用过盈配合，轮体(8)的下端安装有高速电机(2)的内转子铁心和外转子铁心，高速电机(2)的定子与内转子铁心和外转子铁心之间形成磁间隙，并通过连接板固定在底座(9)上，壳体(12)与底座(9)通过螺钉相连，用以将轮体密封起来。
所述的四自由度磁轴承(1)由被动部分转子导磁环(101)、转子永磁体(102)、转子导磁体(103)、转子铁心(104)、气隙(105)、定子铁心(106)、定子导磁环(107)、定子永磁体(108)、线圈(109)、被动部分定子导磁环(110)和被动部分气隙(111)组成，其中每个定子铁心(106)由4个磁极组成，两个定子铁心(106)组成磁轴承上下两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子铁心(106)的磁极上绕制有线圈(109)，定子铁心(106)外部为转子铁心(104)，转子铁心(104)外部为转子导磁体(103)，转子铁心(104)内表面与定子铁心(106)外表面留有一定的间隙，形成气隙(105)，定子铁心(106)的径向内部为定子导磁环(107)，两个被动部分定子导磁环(110)位于两个定子铁心(106)之间，定子铁心(106)与被动部分定子导磁环(110)之间有两个定子永磁体(108)，两个被动部分定子导磁环(110)之间有一个定子永磁体(108)，被动部分定子导磁环(110)的径向外部为被动部分转子导磁环(101)，两个转子导磁体(103)之间为转子永磁体(102)，被动部分转子导磁环(101)的内表面与被动部分定子导磁环(110)的外表面之间留有一定间隙，形成被动部分气隙(111)。
所述的每个定子铁心(106)的磁极绕制有线圈(109)为独立控制。
所述的转子永磁体(102)和每个定子永磁体(108)为轴向圆环，沿轴向充磁，且体积相等。
所述的被动部分转子导磁环(101)和被动部分定子导磁环(110)由实心整环导磁材料制成。
所述的被动部分转子导磁环(101)和被动部分定子导磁环(110)为两个、四个、六个或八个。
所述的径轴一体化传感器(3)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(8)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(8)的两个径向平动广义位移的检测。
所述的每个定子铁心(106)的磁极绕制有线圈(109)为独立控制，以实现磁轴承转动部分的径向平动控制和径向扭转控制，即实现磁轴承转动部分沿x和y方向的两个平动自由度控制和绕x及y方向的两个扭转自由度控制(共四个自由度)。
所述的被动部分转子导磁环(101)和被动部分定子导磁环(110)由实心整环导磁材料制成，通过被动部分转子导磁环(101)和被动部分定子导磁环(110)的轴向错位实现磁轴承的轴向稳定(即轴向平动自由度为被动)。
为了增加被动部分的刚度，所述的被动部分转子导磁环(101)和被动部分定子导磁环(110)为两个、四个、六个或八个，其中图5给出了被动部分转子导磁环和被动部分定子导磁环为4个的四自由度磁轴承截面图。
另外，为了减小被动部分对主动部分带来的附加位移负刚度，所述的被动部分气隙(111)的磁阻为气隙(105)磁阻的2～4倍。
上述本发明技术方案所用的被动部分转子导磁环(101)、转子导磁体(103)、定子导磁环(107)和被动部分定子导磁环(110)均为实心结构，采用导磁性能良好的材料制成，如电工纯铁、各种碳钢、铸铁、铸钢、合金钢、1J50和1J79等磁性材料等。定子铁心(106)和转子铁心(104)可用导磁性能良好的材料如电工纯铁、电工硅钢板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79等磁性材料冲压叠制而成。转子永磁体(102)和定子永磁体(108)的材料为磁性能良好的稀土永磁体、钕铁硼永磁体或铁氧体永磁体，转子永磁体(102)和定子永磁体(108)为轴向圆环，沿轴向充磁，且转子永磁体(102)和每个定子永磁体(108)要保证体积相等，每相邻的两个定子永磁体(108)的充磁方向要反向，被动部分定子导磁环之间的定子永磁体(108)的充磁方向与被动部分转子导磁环之间的转子永磁体(102)的充磁方向要相反。线圈(109)采用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。另外，由于永磁体产生的磁场通过定子铁心磁极在转子铁心中产生的磁场是大小变化的，因此在转子高速旋转时会产生涡流损耗，为减小这部分损耗，定子铁心(106)的磁极应采用极靴形式(如图3所示)以减小高速下的涡流损耗，其中图3a为极靴形式的端面图，图3b为定子磁极夹角为62度时的端面图，两种结构的定子铁心端面按照不同需求进行选择使用，对于体积较小的磁轴承，宜采用图3b所示结构，对于体积稍大要求的磁轴承，则宜采用图3a所示结构。图3a中定子铁心磁极根部与定子铁心轭部之间的锐角会导致磁密集中过大的问题，此时可以采用图3b中给出的定子铁心端面图，图中给出的定子铁心磁极两边对应的圆心角为62度，这种结构可以有效减小定子铁心磁极根部与定子铁心轭部之间的锐角所导致的磁密集中。
图6为本发明的高速电机轴向剖面图，由电机杯形定子(201)、电机外转子压板(202)、外转子叠层(203)、磁钢(204)、内转子叠层(205)和内转子压板(206)组成，磁钢(204)的径向外侧是外转子叠层(203)，外转子叠层(203)和磁钢(204)的轴向下端安装有电机外转子压板(202)，磁钢(204)的径向内侧是内转子叠层(205)，内转子叠层(205)的轴向下端安装有内转子压板(206)。其中杯形定子(201)为电机静止部分，其余为转动部分，杯形定子(201)位于磁钢(204)和内转子叠层(205)之间，通过螺钉以及连接板与底座(9)固连。
图7为本发明的径轴一体化传感器(3)的示意图，该位移传感器由探头(301)～探头(308)与传感器外壳(309)两部分组成，其中探头(301)、探头(303)、探头(305)和探头(307)在轴向端面上分别沿+y、+x、-y和-x均匀放置，构成轴向探头，探头(302)、探头(304)、探头(306)和探头(308)在径向圆周上分别沿+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(309)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。
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)
1.一种四自由度磁悬浮飞轮，其特征在于：由四自由度磁轴承(1)、高速电机(2)、径轴一体化传感器(3)、径向传感器(4)、上保护轴承(5)、下保护轴承(6)、芯轴(7)、轮体(8)、底座(9)、上传感器检测环(10)、下传感器检测环(11)和壳体(12)组成，其中四自由度磁轴承(1)位于飞轮的中部，其定子部分安装在芯轴(7)的中部，四自由度磁轴承(1)定子的上端为上保护轴承(5)，上保护轴承(5)也固定在芯轴(7)上，上保护轴承(5)的径向外侧为上传感器检测环(10)，上保护轴承(5)与上传感器检测环(10)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，上传感器检测环(10)的径向外侧是径轴一体化传感器(3)，径轴一体化传感器(3)的径向探头和轴向探头与上传感器检测环(10)之间形成径向探测间隙和轴向探测间隙，径轴一体化传感器(3)通过传感器座与芯轴(7)固连；四自由度磁轴承(1)定子的下端为下保护轴承(6)，下保护轴承(6)也固定在芯轴(7)上，其径向外侧为下传感器检测环(11)，下保护轴承(6)和下传感器检测环(11)之间形成径向保护间隙，下传感器检测环(11)的径向外侧是径向传感器(4)，径向传感器(4)的探头与下传感器检测环(11)之间形成径向探测间隙，径向传感器(4)通过传感器座与底座(9)固连；四自由度磁轴承(1)的转子的径向外侧是轮体(8)，两者采用过盈配合，轮体(8)的下端安装有高速电机(2)的内转子铁心和外转子铁心，高速电机(2)的定子与内转子铁心和外转子铁心之间形成磁间隙，并通过连接板固定在底座(9)上，壳体(12)与底座(9)通过螺钉相连，用以将轮体密封起来。
2.根据权利要求1所述的四自由度磁悬浮飞轮，其特征在于：所述的四自由度磁轴承(1)由被动部分转子导磁环(101)、转子永磁体(102)、转子导磁体(103)、转子铁心(104)、气隙(105)、定子铁心(106)、定子导磁环(107)、定子永磁体(108)、线圈(109)、被动部分定子导磁环(110)和被动部分气隙(111)组成，其中每个定子铁心(106)由4个磁极组成，两个定子铁心(106)组成磁轴承上下两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子铁心(106)的磁极上绕制有线圈(109)，定子铁心(106)外部为转子铁心(104)，转子铁心(104)外部为转子导磁体(103)，转子铁心(104)内表面与定子铁心(106)外表面留有一定的间隙，形成气隙(105)，定子铁心(106)的径向内部为定子导磁环(107)，两个被动部分定子导磁环(110)位于两个定子铁心(106)之间，定子铁心(106)与被动部分定子导磁环(110)之间有两个定子永磁体(108)，两个被动部分定子导磁环(110)之间有一个定子永磁体(108)，被动部分定子导磁环(110)的径向外部为被动部分转子导磁环(101)，两个转子导磁体(103)之间为转子永磁体(102)，被动部分转子导磁环(101)的内表面与被动部分定子导磁环(110)的外表面之间留有一定间隙，形成被动部分气隙(111)。
3.根据权利要求2所述的四自由度磁悬浮飞轮，其特征在于：所述的每个定子铁心(106)的磁极绕制有线圈(109)为独立控制。
4.根据权利要求2所述的四自由度磁悬浮飞轮，其特征在于：所述的转子永磁体(102)和每个定子永磁体(108)为轴向圆环，沿轴向充磁，且体积相等。
5.根据权利要求2所述的四自由度磁悬浮飞轮，其特征在于：所述的被动部分转子导磁环(101)和被动部分定子导磁环(110)由实心整环导磁材料制成。
6.根据权利要求2所述的四自由度磁悬浮飞轮，其特征在于：所述的被动部分转子导磁环(101)和被动部分定子导磁环(110)为两个、四个、六个或八个。
7.根据权利要求1所述的四自由度磁悬浮飞轮，其特征在于：所述的径轴一体化传感器(3)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(8)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(8)的两个径向平动广义位移的检测。
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