CN104613951B - 一种磁路解耦的磁悬浮陀螺仪 - Google Patents

一种磁路解耦的磁悬浮陀螺仪 Download PDF

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Abstract

一种磁路解耦的磁悬浮陀螺仪主要由定子系统和转子系统两部分组成，定子系统主要包括：芯轴、底座、保护轴承、径向磁轴承定子、轴向磁轴承定子、电机定子、偏转磁轴承定子、位移传感器；转子系统主要包括：飞轮轮体、保护轴承盖、径向磁轴承转子、轴向磁轴承转子、电机转子、偏转磁轴承转子。本发明采用磁轴承支承技术，避免了机械轴承带来的摩擦磨损，采用磁轴承各通道磁路解耦设计，消除了磁轴承三个平动控制对径向两个偏转控制的干扰力矩，提高了陀螺仪的敏感精度。

Description

一种磁路解耦的磁悬浮陀螺仪
技术领域
本发明涉及一种磁路解耦的磁悬浮陀螺仪，采用磁轴承无接触悬浮支承技术，避免了机械轴承带来的摩擦磨损，采用磁轴承各通道磁路解耦设计，消除了磁轴承三个平动控制对径向两个偏转控制的干扰力矩，提高了陀螺仪的敏感精度，适用于新一代高精度长寿命对地观测平台、运载火箭以及弹道导弹的姿态控制系统。
技术背景
惯性导航系统由于其完全自主式导航等优点，广泛应用于运载火箭、弹道导弹、航天器等各类飞行器的姿态控制系统。陀螺仪作为惯性导航系统的核心器件，用于敏感和测量物体的角运动，其体积、精度、稳定性都对惯性导航系统有着决定性的影响。
减小轴承干扰力矩是制造高精度陀螺仪的首要关键技术，传统的机械陀螺仪由于误差较大，提供的信息可靠性低，在很多领域已经趋于淘汰。磁悬浮陀螺仪采用磁悬浮非接触悬浮支承，消除了机械轴承带来的摩擦磨损，降低了振动噪音，无需润滑系统，具有无摩擦、高转速、高精度、高稳定性等优点。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有磁悬浮陀螺仪的不足，提出了一种磁轴承各通道磁路解耦、转子敏感精度更高的磁悬浮陀螺仪。
本发明的技术解决方案是：一种磁路解耦的磁悬浮陀螺仪，主要由定子系统和转子系统两部分组成，其特征在于，定子系统主要包括：芯轴、底座、上保护轴承、下保护轴承、保护轴承锁母、径向磁轴承定子、键、轴向磁轴承定子、电机定子、偏转磁轴承定子、位移传感器；转子系统主要包括：径向磁轴承转子、轴向磁轴承转子、电机转子、偏转磁轴承转子、飞轮轮体、上保护轴承盖、下保护轴承盖、径向磁轴承转子锁母、轴向磁轴承内转子锁母、轴向磁轴承外转子锁母、电机内转子锁母、电机外转子锁母、偏转磁轴承内转子锁母、偏转磁轴承外转子锁母；磁悬浮转子系统和磁悬浮定子系统之间通过径向磁轴承、轴向磁轴承、偏转磁轴承实现非机械接触的稳定悬浮，芯轴位于底座的上部径向内侧，并通过紧固螺钉安装在底座上，芯轴位于上保护轴承、下保护轴承、保护轴承锁母和径向磁轴承定子的径向内侧，上保护轴承和下保护轴承分别位于芯轴上端和下端，径向磁轴承定子位于上保护轴承和下保护轴承之间，上保护轴承、下保护轴承和径向磁轴承定子通过保护轴承锁母安装在芯轴上，键位于径向磁轴承定子和芯轴的径向凹槽内，并防止径向磁轴承定子绕芯轴转动，轴向磁轴承定子位于径向磁轴承定子径向外侧和底座上部，并通过紧固螺钉安装在底座上，电机定子位于轴向磁轴承定子径向外侧和底座上部，并通过紧固螺钉安装在底座上，偏转磁轴承定子位于电机定子径向外侧和底座上部，并通过紧固螺钉安装在底座上，位移传感器位于底座上部外侧，并通过紧固螺钉安装在底座上；径向磁轴承转子位于径向磁轴承定子径向外侧，并通过径向磁轴承转子锁母安装在飞轮轮体上，轴向磁轴承内转子位于轴向磁轴承定子径向内侧，并通过轴向磁轴承内转子锁母安装在飞轮轮体上，轴向磁轴承外转子位于轴向磁轴承定子径向外侧，并通过轴向磁轴承外转子锁母安装在飞轮轮体上，电机内转子位于电机定子径向内侧，并通过电机内转子锁母安装在飞轮轮体上，电机外转子位于电机定子径向外侧，并通过电机外转子锁母安装在飞轮轮体上，偏转磁轴承内转子位于偏转磁轴承定子径向内侧，并通过偏转磁轴承内转子锁母安装在飞轮轮体上，偏转磁轴承外转子位于偏转磁轴承定子径向外侧，并通过偏转磁轴承外转子锁母安装在飞轮轮体上，上保护轴承盖和下保护轴承盖分别位于上保护轴承和下保护轴承的径向外侧，并通过紧固螺钉安装在飞轮轮体上。
所述的径向磁轴承为纯电磁轴承或永磁偏置磁轴承。所述的轴向磁轴承为洛伦兹力磁轴承。所述的偏转磁轴承为洛伦兹力磁轴承。
本发明的原理是：如图1所示，陀螺仪处于工作状态下，通过径向磁轴承、轴向磁轴承，保持转子系统与定子系统的径向和轴向间隙，当转子系统受到某一干扰后，转子系统产生径/轴向的平动，转子系统的径/轴向间隙发生变化，径/轴向位移传感器及时检测径/轴向间隙的变化量，并将其转换为数字量传递至磁轴承控制器，通过控制径/轴向磁轴承线圈电流的大小，增加/减小径/轴向磁轴承的电磁力，维持磁悬浮系统的径/轴向间隙均匀，消除干扰影响，实现转子系统的完全悬浮支承，随后启动电机，利用电机驱动转子高速转动。通过偏转磁轴承控制转子系统赤道面的万向偏转，当转子系统受到某一干扰后，转子系统产生赤道面的偏转，轴向位移传感器及时检测轴向间隙的变化量，并将其转换为数字量传递至磁轴承控制器，通过控制偏转磁轴承线圈电流的大小，产生一对大小相等、方向相反的安培力，形成力偶，维持磁转子系统赤道面的稳定，消除干扰影响。通过磁轴承各通道磁路解耦设计，有效避免了转子平动对转动的干扰力矩，在角动量一定的条件下，增加了陀螺仪的品质因素，从而提高了陀螺仪敏感精度。
本发明的方案与现有方案相比，主要优点在于：(1)采用磁轴承支承技术，消除了机械轴承的摩擦磨损，无需润滑，提高了陀螺仪转子的转速，延长了陀螺仪的使用寿命；(2)采用磁轴承各通道磁路解耦设计，与现有磁悬浮陀螺仪相比，消除了磁轴承三个平动控制对径向两个偏转控制的干扰力矩，从而提高了陀螺仪的敏感精度。
附图说明
图1为本发明技术解决方案的磁悬浮陀螺仪的剖视图；
图2a为本发明技术解决方案的径向磁轴承的剖视图；
图2b为本发明技术解决方案的径向磁轴承的端面图；
图3为本发明技术解决方案的轴向磁轴承的剖视图；
图4为本发明技术解决方案的电机的剖视图；
图5a为本发明技术解决方案的偏转磁轴承的剖视图；
图5b为本发明技术解决方案的偏转磁轴承的端面图。
具体实施方案
如图1所示，该种磁悬浮陀螺仪主要由定子系统和转子系统两部分组成，其特征在于，定子系统主要包括：芯轴1、底座2、上保护轴承3A、下保护轴承3B、保护轴承锁母4、径向磁轴承5定子、键6、轴向磁轴承7定子、电机8定子、偏转磁轴承9定子、位移传感器10；转子系统主要包括：径向磁轴承5转子、轴向磁轴承7转子、电机8转子、偏转磁轴承9转子、飞轮轮体11、上保护轴承盖12A、下保护轴承盖12B、径向磁轴承转子锁母13、轴向磁轴承内转子锁母14、轴向磁轴承外转子锁母15、电机内转子锁母16、电机外转子锁母17、偏转磁轴承内转子锁母18、偏转磁轴承外转子锁母19；磁悬浮转子系统和磁悬浮定子系统之间通过径向磁轴承5、轴向磁轴承7、偏转磁轴承9实现非机械接触的稳定悬浮，芯轴1位于底座2的上部径向内侧，并通过紧固螺钉安装在底座2上，芯轴1位于上保护轴承3A、下保护轴承3B、保护轴承锁母4和径向磁轴承5定子的径向内侧，上保护轴承3A和下保护轴承3B分别位于芯轴1上端和下端，径向磁轴承5定子位于上保护轴承3A和下保护轴承3B之间，上保护轴承3A、下保护轴承3B和径向磁轴承5定子通过保护轴承锁母4安装在芯轴1上，键6位于径向磁轴承5定子和芯轴1的径向凹槽内，并防止径向磁轴承5定子绕芯轴1转动，轴向磁轴承7定子位于径向磁轴承5定子径向外侧和底座2上部，并通过紧固螺钉安装在底座2上，电机8定子位于轴向磁轴承7定子径向外侧和底座2上部，并通过紧固螺钉安装在底座2上，偏转磁轴承9定子位于电机8定子径向外侧和底座2上部，并通过紧固螺钉安装在底座2上，位移传感器10位于底座2上部外侧，并通过紧固螺钉安装在底座2上；径向磁轴承5转子位于径向磁轴承5定子径向外侧，并通过径向磁轴承转子锁母13安装在飞轮轮体11上，轴向磁轴承7内转子位于轴向磁轴承7定子径向内侧，并通过轴向磁轴承内转子锁母14安装在飞轮轮体11上，轴向磁轴承7外转子位于轴向磁轴承7定子径向外侧，并通过轴向磁轴承外转子锁母15安装在飞轮轮体11上，电机8内转子位于电机8定子径向内侧，并通过电机内转子锁母16安装在飞轮轮体11上，电机8外转子位于电机8定子径向外侧，并通过电机外转子锁母17安装在飞轮轮体11上，偏转磁轴承9内转子位于偏转磁轴承9定子径向内侧，并通过偏转磁轴承内转子锁母18安装在飞轮轮体11上，偏转磁轴承9外转子位于偏转磁轴承9定子径向外侧，并通过偏转磁轴承外转子锁母19安装在飞轮轮体11上，上保护轴承盖12A和下保护轴承盖12B分别位于上保护轴承3A和下保护轴承3B的径向外侧，并通过紧固螺钉安装在飞轮轮体11上。
图2a为本发明中径向磁轴承5的剖视图，图2b为本发明中径向磁轴承5的端面图，径向磁轴承5主要包括：径向磁轴承定子套筒501、径向磁轴承定子铁心502、径向磁轴承定子隔磁块503、径向磁轴承绕组线圈504、径向磁轴承定子锁母505、径向磁轴承转子铁心506，其中，径向磁轴承转子铁心506为径向磁轴承5的转动部分，其余为静止部分。径向磁轴承定子铁心502位于径向磁轴承定子套筒501的径向外侧，并通过径向磁轴承定子锁母505安装在径向磁轴承定子套筒501上，径向磁轴承定子隔磁块503位于径向磁轴承定子铁心502上端径向内侧，通过紧固螺钉安装在径向磁轴承定子铁心502上，径向磁轴承绕组线圈504位于径向磁轴承定子铁心502径向外侧，并通过间隙配合安装在径向磁轴承定子铁心502上。
图3为本发明中轴向磁轴承7的剖视图，轴向磁轴承7主要包括：轴向磁轴承定子骨架701、轴向磁轴承绕组线圈702、轴向磁轴承内导磁环703、轴向磁轴承磁钢704、轴向磁轴承隔磁环705、轴向磁轴承外导磁环706，其中，轴向磁轴承定子骨架701和轴向磁轴承绕组线圈702为静止部分，其余为转动部分。轴向磁轴承绕组线圈702位于轴向磁轴承定子骨架701的径向外侧，并通过间隙配合安装在轴向磁轴承定子骨架701上；轴向磁轴承内导磁环703位于轴向磁轴承定子骨架701的径向内侧，轴向磁轴承磁钢704位于轴向磁轴承定子骨架701的径向外侧，并通过轴向磁轴承隔磁环705隔为上下两部分，轴向磁轴承外导磁环706位于轴向磁轴承磁钢704的径向外侧。
图4为本发明中电机8的剖视图，电机8主要包括：电机杯形定子骨架801、电机绕组802、电机内转子叠层803、电机磁钢804、电机外转子叠层805，其中，电机杯形定子骨架801和电机绕组802为静止部分，其余为转动部分。电机绕组802位于电机杯形定子骨架801的径向外侧，并通过间隙配合安装在电机杯形定子骨架801上；电机内转子叠层803位于电机杯形定子骨架801的径向内侧，电机磁钢804位于电机杯形定子骨架801的径向外侧，电机外转子叠层805位于电机磁钢804的径向外侧。
图5a为本发明中偏转磁轴承9的剖视图，图5b为本发明技术解决方案的偏转磁轴承的端面图，偏转磁轴承9主要包括：偏转磁轴承定子骨架901、偏转磁轴承绕组线圈902、偏转磁轴承内保护环903、偏转磁轴承内磁钢904、偏转磁轴承内隔磁环905、偏转磁轴承内导磁环906、偏转磁轴承外磁钢907、偏转磁轴承外隔磁环908、偏转磁轴承外导磁环909，其中，偏转磁轴承定子骨架901和偏转磁轴承绕组线圈902为静止部分，其余为转动部分。偏转磁轴承绕组线圈902位于偏转磁轴承定子骨架901的径向外侧，并通过间隙配合安装在偏转磁轴承定子骨架901上；偏转磁轴承内保护环903位于偏转磁轴承定子骨架901的径向内侧，偏转磁轴承内磁钢904位于偏转磁轴承内保护环903的径向内侧，并通过偏转磁轴承内隔磁环905隔为上下两部分，偏转磁轴承内导磁环906位于偏转磁轴承内磁钢904的径向内侧；偏转磁轴承外磁钢907位于偏转磁轴承定子骨架901的径向外侧，并通过偏转磁轴承外隔磁环908隔为上下两部分，偏转磁轴承外导磁环909位于偏转磁轴承外磁钢907的径向外侧。
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 (4)

1.一种磁路解耦的磁悬浮陀螺仪主要由定子系统和转子系统两部分组成，其特征在于，定子系统主要包括：芯轴(1)、底座(2)、上保护轴承(3A)、下保护轴承(3B)、保护轴承锁母(4)、径向磁轴承(5)定子、键(6)、轴向磁轴承(7)定子、电机(8)定子、偏转磁轴承(9)定子、位移传感器(10)；转子系统主要包括：径向磁轴承(5)转子、轴向磁轴承(7)转子、电机(8)转子、偏转磁轴承(9)转子、飞轮轮体(11)、上保护轴承盖(12A)、下保护轴承盖(12B)、径向磁轴承转子锁母(13)、轴向磁轴承内转子锁母(14)、轴向磁轴承外转子锁母(15)、电机内转子锁母(16)、电机外转子锁母(17)、偏转磁轴承内转子锁母(18)、偏转磁轴承外转子锁母(19)；磁悬浮转子系统和磁悬浮定子系统之间通过径向磁轴承(5)、轴向磁轴承(7)、偏转磁轴承(9)实现非机械接触的稳定悬浮，芯轴(1)位于底座(2)的上部径向内侧，并通过紧固螺钉安装在底座(2)上，芯轴(1)位于上保护轴承(3A)、下保护轴承(3B)、保护轴承锁母(4)和径向磁轴承(5)定子的径向内侧，上保护轴承(3A)和下保护轴承(3B)分别位于芯轴(1)上端和下端，径向磁轴承(5)定子位于上保护轴承(3A)和下保护轴承(3B)之间，上保护轴承(3A)、下保护轴承(3B)和径向磁轴承(5)定子通过保护轴承锁母(4)安装在芯轴(1)上，键(6)位于径向磁轴承(5)定子和芯轴(1)的径向凹槽内，并防止径向磁轴承(5)定子绕芯轴(1)转动，轴向磁轴承(7)定子位于径向磁轴承(5)定子径向外侧和底座(2)上部，并通过紧固螺钉安装在底座(2)上，电机(8)定子位于轴向磁轴承(7)定子径向外侧和底座(2)上部，并通过紧固螺钉安装在底座(2)上，偏转磁轴承(9)定子位于电机(8)定子径向外侧和底座(2)上部，并通过紧固螺钉安装在底座(2)上，位移传感器(10)位于底座(2)上部外侧，并通过紧固螺钉安装在底座(2)上；径向磁轴承(5)转子位于径向磁轴承(5)定子径向外侧，并通过径向磁轴承转子锁母(13)安装在飞轮轮体(11)上，轴向磁轴承(7)内转子位于轴向磁轴承(7)定子径向内侧，并通过轴向磁轴承内转子锁母(14)安装在飞轮轮体(11)上，轴向磁轴承(7)外转子位于轴向磁轴承(7)定子径向外侧，并通过轴向磁轴承外转子锁母(15)安装在飞轮轮体(11)上，电机(8)内转子位于电机(8)定子径向内侧，并通过电机内转子锁母(16)安装在飞轮轮体(11)上，电机(8)外转子位于电机(8)定子径向外侧，并通过电机外转子锁母(17)安装在飞轮轮体(11)上，偏转磁轴承(9)内转子位于偏转磁轴承(9)定子径向内侧，并通过偏转磁轴承内转子锁母(18)安装在飞轮轮体(11)上，偏转磁轴承(9)外转子位于偏转磁轴承(9)定子径向外侧，并通过偏转磁轴承外转子锁母(19)安装在飞轮轮体(11)上，上保护轴承盖(12A)和下保护轴承盖(12B)分别位于上保护轴承(3A)和下保护轴承(3B)的径向外侧，并通过紧固螺钉安装在飞轮轮体(11)上。
2.根据权利要求1所述的磁路解耦的磁悬浮陀螺仪，其特征在于：所述的径向磁轴承(5)为纯电磁磁轴承或永磁偏置磁轴承。
3.根据权利要求1所述的磁路解耦的磁悬浮陀螺仪，其特征在于：所述的轴向磁轴承(7)为洛伦兹力磁轴承。
4.根据权利要求1所述的磁路解耦的磁悬浮陀螺仪，其特征在于：所述的偏转磁轴承(9)为洛伦兹力磁轴承。
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