CN104697509B - 一种七通道磁路解耦的磁悬浮陀螺仪 - Google Patents

一种七通道磁路解耦的磁悬浮陀螺仪 Download PDF

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Abstract

一种七通道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、电机定子、轴向‑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、电机转子、轴向‑偏转磁轴承转子。本发明采用七通道磁路结构磁悬浮轴承支承技术，消除了三轴平动控制度对两自由度偏转控制的干扰，实现了径向+x和、‑x、+y和‑y间的磁路解耦，避免了径向四个平动通道间电磁力的相互干扰，更有利于实现陀螺转子真正意义上的自由，提高了磁悬浮陀螺仪敏感精度。

Description

一种七通道磁路解耦的磁悬浮陀螺仪
技术领域
本发明涉及一种七通道磁路解耦的磁悬浮陀螺仪，采用七通道磁路结构磁悬浮轴承支承技术，消除了三轴平动控制度对两自由度偏转控制的干扰，实现了径向+x和、-x、+y和-y间的磁路解耦，避免了径向四个平动通道间电磁力的相互干扰，更有利于实现陀螺转子真正意义上的自由，提高了陀螺仪敏感精度，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
陀螺仪作为惯性导航系统的核心器件，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。陀螺仪的原理是利用陀螺定轴向和进动性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。
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。减小磁轴承干扰力矩是制造高精度陀螺仪的首要关键技术，实现转子径向平动、径向扭动、轴向平动之间电磁力的解耦是减小磁轴承干扰力矩的主要途径。
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，提出了一种七通道磁路解耦的磁悬浮陀螺仪，避免了径向四个平动通道间电磁力的相互干扰。
本发明的技术解决方案是：本发明的技术解决方案：一种七通道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、电机定子、轴向-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、电机转子、轴向-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、电机内转子锁母、电机外转子锁母、轴向-偏转磁轴承内转子锁母、轴向-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-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，径向磁轴承定子和芯轴通过键相连，并防止径向磁轴承定子绕芯轴转动，电机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，轴向-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，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，轴向-偏转磁轴承内转子位于轴向-偏转磁轴承定子径向内侧，并通过轴向-偏转磁轴承内转子锁母安装在飞轮轮体上，轴向-偏转磁轴承外转子位于轴向-偏转磁轴承定子径向外侧，并通过轴向-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磁轴承或永磁偏置磁轴承，磁极面为球面，径向磁轴承定子采用四对极结构，实现了径向+x和、-x、+y和-y间的磁路解耦。
所述的轴向-偏转磁轴承为洛伦兹力磁轴承，采用轴向-偏转磁轴承共用磁钢设计减小了陀螺的体积和质量，降低了陀螺功耗。
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-偏转磁轴承，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，通过控制径向磁轴承线圈和轴向-偏转磁轴承轴向线圈电流的大小，增加/减小径/轴向-偏转磁轴承的电磁力，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。通过轴向-偏转磁轴承控制转子系统的径向偏转，当转子系统受到某一干扰后，转子系统产生径向偏转，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，通过控制轴向-偏转磁轴承偏转线圈电流的大小，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。通过七通道磁路结构设计，消除了三轴平动控制度对两自由度偏转控制的干扰，实现了径向+x和、-x、+y和-y间的磁路解耦，避免了径向四个平动通道间电磁力的相互干扰，增加了陀螺仪的品质因素，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)采用七通道磁路结构磁悬浮轴承支承技术，消除了三轴平动控制度对两自由度偏转控制的干扰，实现了径向+x和、-x、+y和-y间的磁路解耦，避免了径向四个平动通道间电磁力的相互干扰，提高了陀螺仪敏感精度；(2)采用轴向-偏转磁轴承共用磁钢设计，减小了陀螺的体积和质量，降低了陀螺功耗。
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2c为本发明技术解决方案的径向磁轴承定子铁心的端面图；
图3为本发明技术解决方案的电机的剖视图；
图4a为本发明技术解决方案的轴向-偏转磁轴承的剖视图；
图4b为本发明技术解决方案的轴向-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、电机7定子、轴向-偏转磁轴承8定子、位移传感器9；转子系统主要包括：径向磁轴承5转子、电机7转子、轴向-偏转磁轴承8转子、飞轮轮体10、上保护轴承盖11A、下保护轴承盖11B、径向磁轴承转子锁母12、电机内转子锁母13、电机外转子锁母14、轴向-偏转磁轴承内转子锁母15、轴向-偏转磁轴承外转子锁母16；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-偏转磁轴承8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，径向磁轴承5定子和芯轴1通过键6相连，并防止径向磁轴承5定子绕芯轴1转动，电机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，轴向-偏转磁轴承8定子位于电机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，位移传感器9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12安装在飞轮轮体10上，电机7内转子位于电机7定子径向内侧，并通过电机内转子锁母13安装在飞轮轮体10上，电机7外转子位于电机7定子径向外侧，并通过电机外转子锁母14安装在飞轮轮体10上，轴向-偏转磁轴承8内转子位于轴向-偏转磁轴承8定子径向内侧，并通过轴向-偏转磁轴承内转子锁母15安装在飞轮轮体10上，轴向-偏转磁轴承8外转子位于轴向-偏转磁轴承8定子径向外侧，并通过轴向-偏转磁轴承外转子锁母16安装在飞轮轮体10上，上保护轴承盖11A和下保护轴承盖11B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10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，图2c为本发明中径向磁轴承5定子铁心的端面图，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、径向磁轴承绕组线圈503、径向磁轴承定子锁母504、径向磁轴承转子铁心505，其中，径向磁轴承转子铁心505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504安装在径向磁轴承定子套筒501上，径向磁轴承绕组线圈503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。径向磁轴承(5)定子采用四对极结构，如图2c所示，径向磁轴承(5)定子磁轭很薄，以至于通过磁轭部分的磁通可以忽略，从而实现了径向+x和、-x、+y和-y间的磁路解耦。
图3为本发明中电机7的剖视图，电机7主要包括：电机杯形定子骨架701、电机绕组702、电机内转子叠层703、电机磁钢704、电机外转子叠层705，其中，电机杯形定子骨架701和电机绕组702为静止部分，其余为转动部分。电机绕组702位于电机杯形定子骨架701的径向外侧，并通过间隙配合安装在电机杯形定子骨架701上；电机内转子叠层703位于电机杯形定子骨架701的径向内侧，电机磁钢704位于电机杯形定子骨架701的径向外侧，电机外转子叠层705位于电机磁钢704的径向外侧。
图4a为本发明中轴向-偏转磁轴承8的剖视图，图4b为本发明技术解决方案的轴向-偏转磁轴承8的端面图，轴向-偏转磁轴承8主要包括：轴向-偏转磁轴承定子骨架801、轴向-偏转磁轴承偏转绕组线圈802、轴向-偏转磁轴承轴向绕组线圈803、轴向-偏转磁轴承内保护环804、轴向-偏转磁轴承内磁钢805、轴向-偏转磁轴承内隔磁环806、轴向-偏转磁轴承内导磁环807、轴向-偏转磁轴承外磁钢808、轴向-偏转磁轴承外隔磁环809、轴向-偏转磁轴承外导磁环810，其中，轴向-偏转磁轴承定子骨架801、轴向-偏转磁轴承偏转绕组线圈802和、轴向-偏转磁轴承轴向绕组线圈803为静止部分，其余为转动部分。轴向-偏转磁轴承偏转绕组线圈802位于轴向-偏转磁轴承定子骨架801的径向外侧，并通过间隙配合安装在轴向-偏转磁轴承定子骨架801上，轴向-偏转磁轴承轴向绕组线圈802位于轴向-偏转磁轴承定子骨架801的径向外侧，并通过间隙配合安装在轴向-偏转磁轴承定子骨架801上；轴向-偏转磁轴承内保护环804位于轴向-偏转磁轴承定子骨架801的径向内侧，轴向-偏转磁轴承内磁钢805位于轴向-偏转磁轴承内保护环804的径向内侧，并通过轴向-偏转磁轴承内隔磁环806隔为上下两部分，轴向-偏转磁轴承内导磁环807位于轴向-偏转磁轴承内磁钢805和轴向-偏转磁轴承内隔磁环806的径向内侧；轴向-偏转磁轴承外磁钢808位于轴向-偏转磁轴承定子骨架801的径向外侧，并通过轴向-偏转磁轴承外隔磁环809隔为上下两部分，轴向-偏转磁轴承外导磁环810位于轴向-偏转磁轴承外磁钢808和轴向-偏转磁轴承外隔磁环809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 (5)

1.一种七通道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)、电机(7)定子、轴向-偏转磁轴承(8)定子、位移传感器(9)；转子系统主要包括：径向磁轴承(5)转子、电机(7)转子、轴向-偏转磁轴承(8)转子、飞轮轮体(10)、上保护轴承盖(11A)、下保护轴承盖(11B)、径向磁轴承转子锁母(12)、电机内转子锁母(13)、电机外转子锁母(14)、轴向-偏转磁轴承内转子锁母(15)、轴向-偏转磁轴承外转子锁母(16)；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-偏转磁轴承(8)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，径向磁轴承(5)定子和芯轴(1)通过键(6)相连，并防止径向磁轴承(5)定子绕芯轴(1)转动，电机(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，轴向-偏转磁轴承(8)定子位于电机(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，位移传感器(9)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(12)安装在飞轮轮体(10)上，电机(7)内转子位于电机(7)定子径向内侧，并通过电机内转子锁母(13)安装在飞轮轮体(10)上，电机(7)外转子位于电机(7)定子径向外侧，并通过电机外转子锁母(14)安装在飞轮轮体(10)上，轴向-偏转磁轴承(8)内转子位于轴向-偏转磁轴承(8)定子径向内侧，并通过轴向-偏转磁轴承内转子锁母(15)安装在飞轮轮体(10)上，轴向-偏转磁轴承(8)外转子位于轴向-偏转磁轴承(8)定子径向外侧，并通过轴向-偏转磁轴承外转子锁母(16)安装在飞轮轮体(10)上，上保护轴承盖(11A)和下保护轴承盖(11B)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(10)上。
2.根据权利要求1所述的七通道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，磁极面为球面，定子采用四对极结构。
3.根据权利要求1或2所述的七通道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)定子铁心磁轭很薄，以至于通过磁轭部分的磁通可以忽略，从而实现了径向+x和、-x、+y和-y间的磁路解耦。
4.根据权利要求1所述的七通道磁路解耦的磁悬浮陀螺仪，其特征在于：所述的轴向-偏转磁轴承(8)为洛伦兹力磁轴承，采用轴向-偏转磁轴承共用磁钢设计减小了陀螺的体积和质量，降低了陀螺功耗。
5.根据权利要求1或4所述的七通道磁路解耦的磁悬浮陀螺仪，其特征在于：所述的轴向-偏转磁轴承(8)当轴向绕组线圈通电工作时，实现对陀螺转子的轴向平动控制，当偏转绕组线圈通电工作时，实现对陀螺转子的径向偏转控制。
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