CN105141089A - 一种磁流体动量球 - Google Patents

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Abstract

一种磁流体动量球，用于卫星姿态调整，所述磁流体动量球包含定子和一个球壳；所述定子分为三组，三组定子的轴线相互正交，每组包括两个定子，每组中的两个定子以球壳的球心对称布置，定子内表面为球面；所述球壳采用两个半球壳组合而成，球壳材料为非铁磁性材料，定子内表面紧贴球壳外表面，球壳和定子内表面无相对运动，球壳内填充磁流体。本发明中采用磁流体的转动进行卫星姿态调整，体积和质量小，成本低，各轴之间耦合小；本发明中磁流体动量球的球壳不转动，制造简单，结构紧凑；磁流体与球壳之间的摩擦小、损耗低，可靠性和效率高。

Description

一种磁流体动量球
技术领域
本发明涉及一种磁流体动量球，用于卫星姿态调整的执行器，属于航空航天技术领域。
背景技术
在轨卫星承担特定的探测、开发和利用空间的任务，此类任务对卫星姿态控制提出了姿态稳定或姿态机动的需求。卫星姿态稳定与机动的执行机构作为卫星姿态控制的一项关键技术一直广受关注，基于动量矩守恒原理的动量轮是常用的一种技术方案。现有成熟技术为机械滚珠轴承动量轮，机械滚珠轴承动量轮存在较大的机械摩擦损耗、体积与质量大、结构复杂、成本高，此外一个卫星需搭载多个动量轮实现卫星三轴姿态调整，多动量轮之间耦合较大，并进一步降低了卫星的有效载荷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁流体动量球，通过磁流体的转动为卫星提供绕任意轴的动量矩，实现卫星的三轴姿态调整。
本发明的技术方案如下：
一种磁流体动量球，所述磁流体动量球包含定子和一个球壳；所述定子分为三组，三组定子的轴线相互正交，每组包括两个定子，每组中的两个定子以球壳的球心对称布置，定子内表面为球面；所述球壳采用两个半球壳组合而成，球壳材料为非铁磁性材料，其特征在于：定子内表面紧贴球壳外表面，球壳和定子内表面无相对运动，球壳内填充磁流体。
每个定子包含定子电机和磁轮，磁轮安装在定子电机上并由定子电机驱动旋转；定子电机的上表面为定子内表面，定子内表面紧贴球壳外表面；磁轮的上表面是与定子电机的上表面同心的球面，且其球面半径大于定子电机的上表面球面半径，磁轮和球壳之间留有气隙，磁轮为NS永磁阵列磁轮或Halbach永磁阵列磁轮。
每个定子包含定子铁芯和线圈阵列；所述定子铁芯的上表面为定子内表面，定子铁芯的上表面紧贴球壳外表面，定子铁芯沿径向开有通槽，该通槽在定子铁芯的圆周上均匀分布。
所述线圈阵列采用盘式电机定子绕组，线圈阵列中每个线圈的两个有效边分别放置于定子铁芯的两个通槽内，每个定子的线圈数量是通槽数量的一半或与通槽数量相等。
在球壳内嵌入由铁磁性材料制成的内球壳，内球壳的外表面与球壳的内表面之间有间隙，间隙中填充磁流体。
本发明与现有技术方案相比，具有以下优点及突出性的技术效果：本发明中采用磁流体的转动进行卫星姿态调整，具有体积和质量小，成本低，各轴之间耦合小等优点；本发明中磁流体动量球的球壳不转动，制造简单，结构紧凑；磁流体与球壳之间的摩擦小、损耗低，可靠性和效率高。
附图说明
图1是本发明提供的磁流体动量球实施例整体结构示意图。
图2是本发明提供的采用永磁驱动的磁流体动量球实施例示意图。
图3是本发明提供的采用永磁驱动的磁流体动量球实施例中定子结构示意图。
图4是实施例中球壳结构示意图。
图5是实施例中内球壳结构示意图。
图6是本发明提供的采用电磁驱动的磁流体动量球实施例示意图。
图7是本发明提供的采用电磁驱动的磁流体动量球实施例中定子结构示意图。
图中：1-定子；2-球壳；3-半球壳；4-定子铁芯；5-线圈阵列；6-线圈；7-线圈有效边；8-通槽；9-磁轮；10-定子电机；11-定子内表面；12-内球壳。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细描述。
图1是本发明提供的磁流体动量球实施例整体结构示意图，磁流体动量球包含一个球壳2和定子1，定子1分为三组，三组定子的轴线相互正交，每组包括两个定子，每组中的两个定子以球壳2的球心对称布置。
图2是本发明提供的采用永磁驱动的磁流体动量球实施例示意图。图3是本发明提供的采用永磁驱动的磁流体动量球实施例中定子结构示意图。本实施例中的每个定子包含定子电机10和磁轮9，磁轮9安装在定子电机10上并由定子电机10驱动旋转；定子电机10的上表面为定子内表面11，定子内表面11为球面并其紧贴球壳2外表面，球壳2和定子内表面11无相对运动。磁轮9的上表面是与定子电机10的上表面同心的球面，且其球面半径大于定子电机的上表面球面半径，磁轮9和球壳2之间留有气隙，磁轮9为NS永磁阵列磁轮或Halbach永磁阵列磁轮。在采用永磁驱动的磁流体动量球实施例中，每个定子1的定子电机10驱动磁轮9旋转，以在球壳2的内腔形成绕该定子轴线的旋转磁场。
图4是实施例中球壳结构示意图。球壳2采用两个半球壳3组合而成，球壳材料为非铁磁性材料，球壳2内填充磁流体。
图5是实施例中内球壳结构示意图，在球壳2内嵌入由铁磁性材料制成的内球壳12，内球壳12的外表面与球壳2的内表面之间有间隙，间隙中填充磁流体，铁磁性内球壳12使磁路闭合，增大间隙中的磁感应强度，有利于提高磁流体所受的转矩。
图6是本发明提供的另一种采用电磁驱动的磁流体动量球实施例示意图。采用电磁驱动的磁流体动量球和采用永磁驱动的磁流体动量球区别在于定子的不同，图7是本发明提供的采用电磁驱动的磁流体动量球实施例中定子结构示意图，每个定子1包含定子铁芯4和线圈阵列5；本实施例中定子铁芯4的上表面为定子内表面11，定子内表面11为球面，定子内表面11紧贴球壳2外表面，球壳2和定子内表面11无相对运动。定子铁芯4沿径向开有通槽8，通槽8在定子铁芯4的圆周上均匀分布，本实施例中共24个通槽；所述线圈阵列5可采用盘式电机定子绕组，每个定子1的线圈6的数量是通槽8数量的一半或与通槽8数量相等，采用双层绕组时，线圈6的数量和通槽8的数量相等，采用单层绕组时，线圈6的数量是通槽8的数量的一半，本实施例中采用单层绕组，共12个线圈，线圈6在圆周上均匀排列。每个线圈6包含两条有效边7，两个有效边7分别放在两个通槽内，本实施例中两通槽中间相隔4个通槽，两条有效边7在定子轴线方向上一高一低，位置高的有效边放置于其中一个通槽的上半部分，位置低的直边放置于另一通槽的下半部分，相邻两个线圈之间相隔一个通槽。本实施例中，每个定子1的线圈阵列5中相邻两个线圈6中的交电流相差相同的电角度π/3，以在球壳内腔形成绕该定子轴线的旋转磁场。
当某个定子1工作时，即电磁驱动的磁流体动量球中的线圈阵列5通入电流或永磁驱动的磁流体动量球中的定子电机10驱动磁轮9旋转，则在球壳2内腔形成绕该定子轴线的旋转磁场，磁流体在旋转磁场中受力，在力作用下紧贴球壳2内表面绕该定子轴线转动，产生绕该定子轴线的动量矩。
当两个或两个以上定子1工作时，每个定子1均在球壳2内腔形成绕该定子轴线的旋转磁场，磁流体在旋转磁场中受力，在力作用下紧贴球壳2内表面转动，从而可以为卫星提供绕任意轴的动量矩，实现卫星的三轴姿态调整。

Claims (5)

1.一种磁流体动量球，所述磁流体动量球包含定子(1)和一个球壳(2)；所述定子分为三组，三组定子的轴线相互正交，每组包括两个定子，每组中的两个定子以球壳的球心对称布置，定子内表面(11)为球面；所述球壳采用两个半球壳(3)组合而成，球壳材料为非铁磁性材料，其特征在于：定子内表面紧贴球壳外表面，球壳和定子内表面无相对运动，球壳内填充磁流体。
2.根据权利要求1所述的一种磁流体动量球，其特征在于：每个定子包含定子电机(10)和磁轮(9)，磁轮安装在定子电机上并由定子电机驱动旋转；定子电机的上表面为定子内表面，定子内表面紧贴球壳外表面；磁轮的上表面是与定子电机的上表面同心的球面，且其球面半径大于定子电机的上表面球面半径，磁轮和球壳之间留有气隙，磁轮为NS永磁阵列磁轮或Halbach永磁阵列磁轮。
3.根据权利要求1所述的一种磁流体动量球，其特征在于：每个定子包含定子铁芯(4)和线圈阵列(5)；所述定子铁芯的上表面为定子内表面，定子铁芯的上表面紧贴球壳外表面，定子铁芯沿径向开有通槽(8)，该通槽在定子铁芯的圆周上均匀分布。
4.根据权利要求3所述的一种磁流体动量球，其特征在于：所述线圈阵列采用盘式电机定子绕组，线圈阵列中每个线圈(6)的两个有效边(7)分别放置于定子铁芯的两个通槽内，每个定子的线圈数量是通槽数量的一半或与通槽数量相等。
5.根据权利要求1～4任一权利要求所述的一种磁流体动量球，其特征在于：在球壳内嵌入由铁磁性材料制成的内球壳(12)，内球壳的外表面与球壳的内表面之间有间隙，间隙中填充磁流体。
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