CN105302149B - 一种内转子磁悬浮球面陀螺飞轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内转子磁悬浮球面陀螺飞轮，包括静止部分和转动部分，静止部分包括：上陀螺房、中陀螺房、下陀螺房、密封圈、轴向球面磁轴承定子、保护轴承、电机组件定子、轴向位移传感器组件、径向位移传感器组件、径向球面磁轴承定子和洛伦兹力磁轴承定子；转动部分包括：陀螺外转盘组件、陀螺内转轴、球心调整垫环和陀螺转子锁母；本发明采用球面磁轴承作为支承部件，能够实现磁悬浮陀螺飞轮的五自由度全主动悬浮，消除了转子三个平动控制对径向两个扭动控制的干扰，从而提高了陀螺飞轮输出瞬间大陀螺力矩的力矩精度。

Description

一种内转子磁悬浮球面陀螺飞轮

技术领域

本发明涉及一种可作为敏捷机动卫星平台的姿态控制系统的惯性执行机构，尤其涉及一种内转子磁悬浮球面陀螺飞轮。

背景技术

由于动量交换系统可提供很高的姿态控制精度，被广泛用于卫星、探测器等航天器的姿态控制系统。飞轮系统通过控制转子转速来改变角动量的大小产生所需要的控制力矩，从而精确地控制航天器的姿态。增加转速可以提高飞轮输出力矩范围，但随着转速的提高，传统机械轴承支撑的飞轮系统寿命将会受到影响。同时由于机械轴承的摩擦，转子速度不可能很高，要提高飞轮角动量，只能提高转子角动量和重量，这将增加航天器的载荷。传统机械轴承已经不能满足现代航天器姿态控制的要求。磁悬浮飞轮采用磁轴承支承技术，消除了机械轴承带来的摩擦损耗，克服了高速转子对姿控系统的振动干扰，增加了其使用寿命，是航天器的姿态控制理想惯性执行机构。

磁悬浮飞轮在转速方面的优势，使得其既能工作在反作用状态用于反作用飞轮，又能工作在偏置状态用于偏置动量轮，进一步提高转速，还可以用于姿控/储能两用飞轮。对于五自由度全主动控制的磁悬浮飞轮还可用作大力矩偏置动量轮，即陀螺飞轮，能输出瞬间大控制力矩。论文《一种磁悬浮陀螺飞轮方案设计与关键技术分析》所述的磁悬浮陀螺飞轮,采用洛伦兹力磁轴承支承方式实现了五自由度全主动悬浮，与磁阻式磁轴承相比，虽然控制精度较高，但是洛伦兹力磁轴承承载力较低，限制了陀螺飞轮转子重量和转动惯量，其转子角动量较小，导致陀螺飞轮输出的陀螺控制力矩较小。中国专利201110253688.0所述的大力矩磁悬浮飞轮，采用洛伦兹力磁轴承和磁阻式磁轴承复合支承方式，利用洛伦兹力磁轴承控制转子径向两自由度扭动，利用径向磁阻式解耦锥形磁轴承控制转子轴向单自由度平动和径向两自由度平动。由于采用了磁阻式解耦锥形磁轴承进行转子平动悬浮控制，提高了支承系统的承载力和转子角动量，能够输出较大的陀螺控制力矩。但磁阻式解耦锥形磁轴承磁极处的磁间隙为锥壳气隙，当转子处于平衡位置时，磁极处的磁间隙具有很好的均匀性，即磁极表面产生的电磁力均匀性较好；当转子发生偏转时，单个磁极处的磁间隙一端较大另一端较小，较大磁间隙处的磁极产生较小的电磁力，较小磁间隙处的磁极产生较大的电磁力，从而产生一定的偏转力矩，即转子偏转状态下磁阻式解耦锥形磁轴承会产生一定的偏转干扰力矩。该偏转力矩与洛伦兹力磁轴承输出的偏转控制力矩进行叠加，降低了转子偏转机动精度，从而降低了陀螺飞轮输出力矩精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种大惯量、易于控制、力矩精度高，实现了平动控制与扭动控制完全解耦的内转子磁悬浮球面陀螺飞轮。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的内转子磁悬浮球面陀螺飞轮，包括静止部分和转动部分，静止部分主要包括：上陀螺房、中陀螺房、下陀螺房、上密封圈、下密封圈、上轴向球面磁轴承定子、下轴向球面磁轴承定子、上保护轴承、下保护轴承、电机组件定子、上轴向位移传感器组件、下轴向位移传感器组件、径向位移传感器组件、径向球面磁轴承定子和洛伦兹力磁轴承定子；转动部分主要包括：陀螺外转盘组件、陀螺内转轴、球心调整垫环和陀螺转子锁母；上陀螺房位于中陀螺房轴向上端，并通过螺钉紧固在中陀螺房上，下陀螺房位于中陀螺房轴向下端，并通过螺钉紧固在中陀螺房上，上密封圈位于中陀螺房轴向上端的环形凹槽内，并通过上陀螺房轴向下端平面压紧在中陀螺房轴向上端的环形凹槽内，下密封圈位于中陀螺房轴向下端的环形凹槽内，并通过下陀螺房轴向上端平面压紧在中陀螺房轴向下端的环形凹槽内，上陀螺房、中陀螺房、下陀螺房、上密封圈和下密封圈组成一个封闭空间，为陀螺飞轮转子提供一个真空密封环境，上轴向球面磁轴承定子位于上陀螺房的轴向上端凹槽内，并通过螺钉紧固在上陀螺房上，下轴向球面磁轴承定子位于下陀螺房轴向下端凹槽内，并通过螺钉紧固在下陀螺房上，上保护轴承位于上陀螺房轴向下端环形台内，并通过锁母固定安装在上陀螺房轴向下端的环形台内，下保护轴承位于下陀螺房轴向上端环形台内，并通过锁母固定安装在下陀螺房轴向上端的环形台内，电机组件定子位于上陀螺房轴向下端和上保护轴承径向外侧，并通过螺钉紧固在上陀螺房上，上轴向位移传感器组件位于上陀螺房轴向下端和电机组件定子的径向外侧，并通过环氧树脂胶固化安装在上陀螺房轴向下端的凸台上，下轴向位移传感器组件位于下陀螺房轴向上端，并通过环氧树脂胶固化安装在下陀螺房轴向上端的凸台上，径向位移传感器组件位于径向球面磁轴承定子内圆柱面内侧，并通过径向球面磁轴承定子的凹槽固定安装在径向球面磁轴承定子内圆柱面上，径向球面磁轴承定子位于中陀螺房的径向内侧，并通过锁母固定安装在中陀螺房上，洛伦兹力磁轴承定子位于陀螺外转盘组件径向凹槽内，并通过螺钉固定安装在下陀螺房上，陀螺外转盘组件位于径向球面磁轴承定子径向内侧和陀螺内转轴径向外侧，陀螺内转轴位于上轴向球面磁轴承定子轴向下端和下轴向球面磁轴承定子轴向上端，球心调整垫环位于陀螺内转轴径向外侧和陀螺外转盘组件径向内侧上端，陀螺外转盘组件和球心调整垫环通过陀螺转子锁母和陀螺内转轴之间的螺纹配合固定安装在陀螺内转轴上，上轴向球面磁轴承定子球面和下轴向球面磁轴承定子球面与陀螺内转轴球面间留有一定的球壳间隙，形成轴向球壳气隙，径向球面磁轴承定子球面和陀螺外转盘组件球面间留有一定的球壳间隙，形成径向球壳气隙。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的内转子磁悬浮球面陀螺飞轮，由于采用了磁阻式球面磁轴承实现三自由度平动悬浮控制，与洛伦兹力磁轴承支承的陀螺飞轮相比，其承载力更大，转子质量、角动量可进一步提高，便于增加陀螺控制力矩范围；与径向解耦锥形磁轴承支承的陀螺飞轮相比，其球面磁轴承气隙为球壳形状，转子偏转不会引起球壳气隙形状的变化，任意时刻磁极表面磁通分布均匀，避免了磁偏拉力和负力矩的产生，提高了转子悬浮精度；此外，五个悬浮控制通道完全解耦，便于高精度悬浮控制，同时轴向球面磁轴承磁极球面的球心和径向球面磁轴承磁极球面的球心与陀螺飞轮转子质心完全重合，使得磁轴承作用于转子的电磁力始终经过转子质心，即电磁力不会对转子产生偏转干扰力矩，进一步提高了悬浮精度和控制力矩精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的内转子磁悬浮球面陀螺飞轮的径向剖视结构示意图；

图2为本发明实施例中陀螺外转盘组件的剖视结构示意图；

图3a为本发明实施例中上轴向球面磁轴承的剖视结构示意图；

图3b为本发明实施例中上轴向球面磁轴承定子的剖视结构示意图；

图4a为本发明实施例中径向球面磁轴承的径向X向剖视结构示意图；

图4b为本发明实施例中径向球面磁轴承的径向Y向剖视结构示意图；

图5a为本发明实施例中洛伦兹力磁轴承的径向X向剖视结构示意图；

图5b为本发明实施例中洛伦兹力磁轴承的径向Y向剖视结构示意图；

图6为本发明实施例中电机组件和上陀螺房之间的连接截面局部结构示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的内转子磁悬浮球面陀螺飞轮，其较佳的具体实施方式是：

包括静止部分和转动部分，静止部分主要包括：上陀螺房、中陀螺房、下陀螺房、上密封圈、下密封圈、上轴向球面磁轴承定子、下轴向球面磁轴承定子、上保护轴承、下保护轴承、电机组件定子、上轴向位移传感器组件、下轴向位移传感器组件、径向位移传感器组件、径向球面磁轴承定子和洛伦兹力磁轴承定子；转动部分主要包括：陀螺外转盘组件、陀螺内转轴、球心调整垫环和陀螺转子锁母；上陀螺房位于中陀螺房轴向上端，并通过螺钉紧固在中陀螺房上，下陀螺房位于中陀螺房轴向下端，并通过螺钉紧固在中陀螺房上，上密封圈位于中陀螺房轴向上端的环形凹槽内，并通过上陀螺房轴向下端平面压紧在中陀螺房轴向上端的环形凹槽内，下密封圈位于中陀螺房轴向下端的环形凹槽内，并通过下陀螺房轴向上端平面压紧在中陀螺房轴向下端的环形凹槽内，上陀螺房、中陀螺房、下陀螺房、上密封圈和下密封圈组成一个封闭空间，为陀螺飞轮转子提供一个真空密封环境，上轴向球面磁轴承定子位于上陀螺房的轴向上端凹槽内，并通过螺钉紧固在上陀螺房上，下轴向球面磁轴承定子位于下陀螺房轴向下端凹槽内，并通过螺钉紧固在下陀螺房上，上保护轴承位于上陀螺房轴向下端环形台内，并通过锁母固定安装在上陀螺房轴向下端的环形台内，下保护轴承位于下陀螺房轴向上端环形台内，并通过锁母固定安装在下陀螺房轴向上端的环形台内，电机组件定子位于上陀螺房轴向下端和上保护轴承径向外侧，并通过螺钉紧固在上陀螺房上，上轴向位移传感器组件位于上陀螺房轴向下端和电机组件定子的径向外侧，并通过环氧树脂胶固化安装在上陀螺房轴向下端的凸台上，下轴向位移传感器组件位于下陀螺房轴向上端，并通过环氧树脂胶固化安装在下陀螺房轴向上端的凸台上，径向位移传感器组件位于径向球面磁轴承定子内圆柱面内侧，并通过径向球面磁轴承定子的凹槽固定安装在径向球面磁轴承定子内圆柱面上，径向球面磁轴承定子位于中陀螺房的径向内侧，并通过锁母固定安装在中陀螺房上，洛伦兹力磁轴承定子位于陀螺外转盘组件径向凹槽内，并通过螺钉固定安装在下陀螺房上，陀螺外转盘组件位于径向球面磁轴承定子径向内侧和陀螺内转轴径向外侧，陀螺内转轴位于上轴向球面磁轴承定子轴向下端和下轴向球面磁轴承定子轴向上端，球心调整垫环位于陀螺内转轴径向外侧和陀螺外转盘组件径向内侧上端，陀螺外转盘组件和球心调整垫环通过陀螺转子锁母和陀螺内转轴之间的螺纹配合固定安装在陀螺内转轴上，上轴向球面磁轴承定子球面和下轴向球面磁轴承定子球面与陀螺内转轴球面间留有一定的球壳间隙，形成轴向球壳气隙，径向球面磁轴承定子球面和陀螺外转盘组件球面间留有一定的球壳间隙，形成径向球壳气隙。

所述的上轴向球面磁轴承和下轴向球面磁轴承均为纯电磁磁轴承，包括定子部分和转子部分，其中定子部分包括轴向球面定子铁心和轴向线圈，转子部分为陀螺内转轴端部球面，轴向线圈通过环氧树脂胶固化安装在轴向球面定子铁心的环形槽内。

所述的上轴向位移传感器组件和下轴向位移传感器组件都有四个探头，且均按X轴和Y轴的正、负方向对称放置。

所述的径向位移传感器组件有四个探头，且沿圆周正交分布。

所述的径向球面磁轴承为纯电磁磁轴承，包括定子部分和转子部分，其中定子部分包括左球面定子铁心、右球面定子铁心、前球面定子铁心、后球面定子铁心、左激磁线圈、右激磁线圈、前激磁线圈、后激磁线圈、上定子锁盘、下定子锁盘和定子套筒，转子部分为陀螺外转盘组件的外环形球面。

所述的洛伦兹力磁轴承包括定子部分和转子部分，其中定子部分包括轴承定子骨架、左力矩线圈、右力矩线圈、前力矩线圈、后力矩线圈，转子部分包括陀螺外转盘、外垫环、上外磁钢、外隔磁环、下外磁钢、外锁母、内垫环、上内磁钢、内隔磁环、下内磁钢、内锁母和内保护环。

所述的内转子磁悬浮球面陀螺飞轮转动部分的质心与陀螺外转盘组件外球面球心和陀螺内转轴两端球面的球心重合。

所述的洛伦兹力磁轴承转子部分的上外磁钢、下外磁钢、上内磁钢、下内磁钢均为径向充磁，充磁方向依次为：内N外S、内S外N、内N外S、内S外N，或为内S外N、内N外S、内S外N、内N外S。

本发明的原理是：

如图1所示，磁悬浮球面陀螺飞轮工作时，在轴向平动方向，通过上/下轴向传感器检测转子位移，将其反馈至轴向磁轴承控制器，并通过控制器调节上/下轴向球面磁轴承线圈电流的大小和方向实现轴向平动稳定悬浮；在径向平动方向，利用径向位移传感器检测转子位移，将其反馈至径向磁轴承控制器，并通过控制器调节径向球面磁轴承线圈电流的大小和方向实现径向稳定悬浮；径向偏转方向，上/下轴向位移传感器检测到的偏转差分角位移，将其反馈至洛伦兹力磁轴承控制器，并通过控制器调节洛伦兹力磁轴承线圈电流的大小和方向，从而实现偏转稳定悬浮。待陀螺飞轮转动部分实现五自由度稳定悬浮后，利用电机驱动转子升、降、稳速。当陀螺飞轮转动部分处于一额定高转速时，星务系统力矩器指令发送至洛伦兹力磁轴承控制器，控制洛伦兹力磁轴承线圈电流的大小和方向，产生所需的瞬间偏转悬浮力矩，驱动陀螺飞轮转动部分的旋转轴发生小角度偏转，使转动部分发生小角度进动，输出所需的瞬间大陀螺控制力矩。由于上/下轴向球面磁轴承和径向球面磁轴承均采用球面磁极结构，其磁间隙为球壳气隙，陀螺飞轮转动部分偏转前后，磁间隙的球壳形状保持不变，偏转前后磁极处的气隙具有很好的均匀性和一致性，即偏转不产生偏转负力矩。此外，上/下轴向球面磁轴承和径向球面磁轴承的定转子球面磁极的球心完全重合，且球心与陀螺飞轮转动部分的质心完全重合。所以上/下轴向球面磁轴承和径向球面磁轴承作用于陀螺飞轮转动部分的电磁力都经过陀螺飞轮转动部分的质心，即磁阻式磁轴承产生的电磁力不会产生负的偏转干扰力矩，从而提高了陀螺飞轮输出陀螺控制力矩的精度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明采用了磁阻式球面磁轴承实现三自由度平动悬浮控制，与洛伦兹力磁轴承支承的陀螺飞轮相比，其承载力更大，转子质量、角动量可进一步提高，便于增加陀螺控制力矩范围；与径向解耦锥形磁轴承支承的陀螺飞轮相比，其球面磁轴承气隙为球壳形状，转子偏转不会引起球壳气隙形状的变化，任意时刻磁极表面磁通分布均匀，避免了磁偏拉力和负力矩的产生，提高了转子悬浮精度；此外，五个悬浮控制通道完全解耦，便于高精度悬浮控制，同时轴向球面磁轴承磁极球面的球心、径向球面磁轴承磁极球面的球心、陀螺飞轮转子质心完全重合，使得磁轴承作用于转子的电磁力始终经过转子质心，即电磁力不会对转子产生偏转干扰力矩，进一步提高了悬浮精度和控制力矩精度。

具体实施例：

如图1所示，本发明主要由静止部分和转动部分组成，静止部分主要包括：上陀螺房1、中陀螺房2、下陀螺房3、上密封圈4A、下密封圈4B、上轴向球面磁轴承5A定子、下轴向球面磁轴承5B定子、上保护轴承6A、下保护轴承6B、电机组件7定子、上轴向位移传感器组件8A、下轴向位移传感器组件8B、径向位移传感器组件9、径向球面磁轴承10定子和洛伦兹力磁轴承11定子；转动部分主要包括：陀螺外转盘组件12、陀螺内转轴13、球心调整垫环14和陀螺转子锁母15；上陀螺房1位于中陀螺房2轴向上端，并通过螺钉紧固在中陀螺房2上，下陀螺房3位于中陀螺房2轴向下端，并通过螺钉紧固在中陀螺房2上，上密封圈4A位于中陀螺房2轴向上端的环形凹槽内，并通过上陀螺房1轴向下端平面压紧在中陀螺房2轴向上端的环形凹槽内，下密封圈4B位于中陀螺房2轴向下端的环形凹槽内，并通过下陀螺房3轴向上端平面压紧在中陀螺房2轴向下端的环形凹槽内，上陀螺房1、中陀螺房2、下陀螺房3、上密封圈4A和下密封圈4B组成一个封闭空间，为陀螺飞轮转子提供一个真空密封环境，上轴向球面磁轴承5A定子位于上陀螺房1的轴向上端凹槽内，并通过螺钉紧固在上陀螺房1上，下轴向球面磁轴承5B定子位于下陀螺房3轴向下端凹槽内，并通过螺钉紧固在下陀螺房3上，上保护轴承6A位于上陀螺房1轴向下端环形台内，并通过锁母固定安装在上陀螺房1轴向下端的环形台内，下保护轴承6B位于下陀螺房3轴向上端环形台内，并通过锁母固定安装在下陀螺房3轴向上端的环形台内，电机组件7定子位于上陀螺房1轴向下端和上保护轴承6A径向外侧，并通过螺钉紧固在上陀螺房1上，上轴向位移传感器组件8A位于上陀螺房1轴向下端和电机组件7定子的径向外侧，并通过环氧树脂胶固化安装在上陀螺房1轴向下端的凸台上，下轴向位移传感器组件8B位于下陀螺房3轴向上端，并通过环氧树脂胶固化安装在下陀螺房3轴向上端的凸台上，径向位移传感器组件9位于径向球面磁轴承10定子内圆柱面内侧，并通过径向球面磁轴承10定子的凹槽固定安装在径向球面磁轴承10定子内圆柱面上，径向球面磁轴承10定子位于中陀螺房2的径向内侧，并通过锁母固定安装在中陀螺房2上，洛伦兹力磁轴承11定子位于陀螺外转盘组件12径向凹槽内，并通过螺钉固定安装在下陀螺房3上，陀螺外转盘组件12位于径向球面磁轴承10定子径向内侧和陀螺内转轴13径向外侧，陀螺内转轴13位于上轴向球面磁轴承5A定子轴向下端和下轴向球面磁轴承5B定子轴向上端，球心调整垫环14位于陀螺内转轴13径向外侧和陀螺外转盘组件12径向内侧上端，陀螺外转盘组件12和球心调整垫环14通过陀螺转子锁母15和陀螺内转轴13之间的螺纹配合固定安装在陀螺内转轴13上，上轴向球面磁轴承5A定子球面和下轴向球面磁轴承5B定子球面与陀螺内转轴13球面间留有一定的球壳间隙，形成轴向球壳气隙16，径向球面磁轴承10定子球面和陀螺外转盘组件12球面间留有一定的球壳间隙，形成径向球壳气隙17。

图2为本发明中陀螺外转盘组件12的剖视图，具体包括：陀螺外转盘1201、外垫环1103、上外磁钢1104、外隔磁环1105、下外磁钢1106、外锁母1107、内垫环1108、上内磁钢1109、内隔磁环1110、下内磁钢1111、内锁母1112、内保护环1113、电机转子锁母73、电机磁钢74和电机转子垫环75。外垫环1103、上外磁钢1104、外隔磁环1105、下外磁钢1106和外锁母1107位于陀螺外转盘1201外环形槽的内圆柱面内，从上至下依次为，外垫环1103、上外磁钢1104、外隔磁环1105、下外磁钢1106、外锁母1107，外垫环1103、上外磁钢1104、外隔磁环1105和下外磁钢1106通过陀螺外转盘1201与外锁母1107的螺纹配合固定安装在陀螺外转盘1201上，内垫环1108、上内磁钢1109、内隔磁环1110、下内磁钢1111和内锁母1112位于陀螺外转盘1201外环形槽的外圆柱面内，从上至下依次为，内垫环1108、上内磁钢1109、内隔磁环1110、下内磁钢1111、内锁母1112，内保护环1113位于内垫环1108、上内磁钢1109、内隔磁环1110和下内磁钢1111的径向外侧，内垫环1108、上内磁钢1109、内隔磁环1110、下内磁钢1111和内保护环1113通过陀螺外转盘1201与内锁母1112的螺纹配合固定安装在陀螺外转盘1201上，电机转子锁母73、电机磁钢74和电机转子垫环75位于陀螺外转盘1201内环形槽的内圆柱面内，从上至下依次为，电机转子锁母73、电机磁钢74、电机转子垫环75，电机磁钢74和电机转子垫环75通过陀螺外转盘1201与电机转子锁母73的螺纹配合固定安装在陀螺外转盘1201上。

图3a为本发明中上轴向球面磁轴承5A的剖视图，图3b为本发明中上轴向球面磁轴承5A定子的剖视图，其定子部分主要包括上轴向定子铁心51、上轴向线圈52，转子部分为陀螺内转轴13上端球面，上轴向线圈52缠绕在上轴向定子铁心51径向内侧凸台上，上轴向球面磁轴承5A定子与陀螺内转轴13之间形成轴向球壳气隙16，其电磁磁路为：磁通从上轴向定子铁心51外环内球面磁极出发，穿过轴向球壳气隙16到达陀螺内转轴13球面磁极外球面，经过陀螺内转轴13球面磁极表层，从陀螺内转轴13球面磁极外球面中心出发，穿过轴向球壳气隙16，到达上轴向定子铁心51内凸台内球面磁极，回到上轴向定子铁心51定子铁心外环内球面磁极。

图4a为本发明中径向球面磁轴承10的径向X向剖视图，图4b为本发明中径向球面磁轴承10的径向Y向剖视图，其定子部分主要包括左球面定子铁心101A、右球面定子铁心101B、前球面定子铁心101C、后球面定子铁心101D、左激磁线圈102A、右激磁线圈102B、前激磁线圈102C、后激磁线圈102D、上定子锁盘103A、下定子锁盘103B和定子套筒104，转子部分为陀螺外转盘组件12的外环形球面，径向球面磁轴承10磁极球面与陀螺外转盘组件12之间形成球壳气隙17，其+X通道的电磁磁路为：磁通从左球面定子铁心101A上磁极内球面出发，经过径向球壳气隙17上端、陀螺外转盘组件12、径向球壳气隙17下端、左球面定子铁心101A下磁极内球面回到左球面定子铁心101A上磁极内球面；其-X通道的电磁磁路为：磁通从右球面定子铁心101B上磁极内球面出发，经过径向球壳气隙17上端、陀螺外转盘组件12、径向球壳气隙17下端、右球面定子铁心101B下磁极内球面回到右球面定子铁心101B上磁极内球面。径向球面磁轴承10沿Y方向磁路如图5b所示，其磁路与沿X方向类似。

图5a为本发明中洛伦兹力磁轴承11的径向X向剖视图，图5b为本发明中洛伦兹力磁轴承的径向Y向剖视图，其定子部分主要包括：轴承定子骨架1101、左力矩线圈1102A、右力矩线圈1102B、前力矩线圈1102C、后力矩线圈1102D，转子部分主要包括：陀螺外转盘1201、外垫环1103、上外磁钢1104、外隔磁环1105、下外磁钢1106、外锁母1107、内垫环1108、上内磁钢1109、内隔磁环1110、下内磁钢1111、内锁母1112和内保护环1113，其+X通道的永磁磁路为：磁通从上内磁钢1103的N极出发，穿过柱壳气隙1114上端、左力矩线圈1102A上端和内保护环1113上端，到达上内磁钢1109的S极，并从上内磁钢1109的N极流出，经过陀螺外转盘1201到达下内磁钢1111的S极，并从下内磁钢1111的N极流出，穿过柱壳气隙1114下端、左力矩线圈1102A下端和内保护环1113下端，到达下外磁钢1106的S极，并从下外磁钢1106的N极流出，经过陀螺外转盘1201回到上内磁钢1103的S极。洛伦兹力磁轴承11的-X、+Y和-Y通道的永磁磁路与+X通道类似。

图6为本发明中电机组件7和上陀螺房1之间的连接截面局部示意图。电机组件7主要由定子和转子部分组成，其中定子部分主要包括电机定子骨架71和电机线圈72，转子部分主要包括电机转子锁母73、电机磁钢74、电机转子垫环75和陀螺外转盘组件1201。电机线圈72通过环氧树脂胶经过24小时真空固化安装在电机定子骨架71上，电机组件7的定子部分通过螺钉固定安装在上陀螺房1轴向下端，电机转子锁母73、电机磁钢74和电机转子垫环75位于陀螺外转盘1201内环形槽的内圆柱面内，从上至下依次为，电机转子锁母73、电机磁钢74、电机转子垫环75，电机磁钢74和电机转子垫环75通过陀螺外转盘1201与电机转子锁母73的螺纹配合固定安装在陀螺外转盘1201上。

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，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种内转子磁悬浮球面陀螺飞轮，包括静止部分和转动部分，其特征在于：

所述静止部分包括：

上陀螺房(1)、中陀螺房(2)、下陀螺房(3)、上密封圈(4A)、下密封圈(4B)、上轴向球面磁轴承(5A)定子、下轴向球面磁轴承(5B)定子、上保护轴承(6A)、下保护轴承(6B)、电机组件(7)定子、上轴向位移传感器组件(8A)、下轴向位移传感器组件(8B)、径向位移传感器组件(9)、径向球面磁轴承(10)定子和洛伦兹力磁轴承(11)定子；

所述转动部分包括：

陀螺外转盘组件(12)、陀螺内转轴(13)、球心调整垫环(14)和陀螺转子锁母(15)；

所述上陀螺房(1)位于中陀螺房(2)轴向上端，并通过螺钉紧固在中陀螺房(2)上，下陀螺房(3)位于中陀螺房(2)轴向下端，并通过螺钉紧固在中陀螺房(2)上，上密封圈(4A)位于中陀螺房(2)轴向上端的环形凹槽内，并通过上陀螺房(1)轴向下端平面压紧在中陀螺房(2)轴向上端的环形凹槽内，下密封圈(4B)位于中陀螺房(2)轴向下端的环形凹槽内，并通过下陀螺房(3)轴向上端平面压紧在中陀螺房(2)轴向下端的环形凹槽内，上陀螺房(1)、中陀螺房(2)、下陀螺房(3)、上密封圈(4A)和下密封圈(4B)组成一个封闭空间，为陀螺飞轮转子提供一个真空密封环境，上轴向球面磁轴承(5A)定子位于上陀螺房(1)的轴向上端凹槽内，并通过螺钉紧固在上陀螺房(1)上，下轴向球面磁轴承(5B)定子位于下陀螺房(3)轴向下端凹槽内，并通过螺钉紧固在下陀螺房(3)上，上保护轴承(6A)位于上陀螺房(1)轴向下端环形台内，并通过锁母固定安装在上陀螺房(1)轴向下端的环形台内，下保护轴承(6B)位于下陀螺房(3)轴向上端环形台内，并通过锁母固定安装在下陀螺房(3)轴向上端的环形台内，电机组件(7)定子位于上陀螺房(1)轴向下端和上保护轴承(6A)径向外侧，并通过螺钉紧固在上陀螺房(1)上，上轴向位移传感器组件(8A)位于上陀螺房(1)轴向下端和电机组件(7)定子的径向外侧，并通过环氧树脂胶固化安装在上陀螺房(1)轴向下端的凸台上，下轴向位移传感器组件(8B)位于下陀螺房(3)轴向上端，并通过环氧树脂胶固化安装在下陀螺房(3)轴向上端的凸台上，径向位移传感器组件(9)位于径向球面磁轴承(10)定子内圆柱面内侧，并通过径向球面磁轴承(10)定子的凹槽固定安装在径向球面磁轴承(10)定子内圆柱面上，径向球面磁轴承(10)定子位于中陀螺房(2)的径向内侧，并通过锁母固定安装在中陀螺房(2)上，洛伦兹力磁轴承(11)定子位于陀螺外转盘组件(12)径向凹槽内，并通过螺钉固定安装在下陀螺房(3)上，陀螺外转盘组件(12)位于径向球面磁轴承(10)定子径向内侧和陀螺内转轴(13)径向外侧，陀螺内转轴(13)位于上轴向球面磁轴承(5A)定子轴向下端和下轴向球面磁轴承(5B)定子轴向上端，球心调整垫环(14)位于陀螺内转轴(13)径向外侧和陀螺外转盘组件(12)径向内侧上端，陀螺外转盘组件(12)和球心调整垫环(14)通过陀螺转子锁母(15)和陀螺内转轴(13)之间的螺纹配合固定安装在陀螺内转轴(13)上，上轴向球面磁轴承(5A)定子球面和下轴向球面磁轴承(5B)定子球面与陀螺内转轴(13)球面间留有一定的球壳间隙，形成轴向球壳气隙(16)，径向球面磁轴承(10)定子球面和陀螺外转盘组件(12)球面间留有一定的球壳间隙，形成径向球壳气隙(17)。

2.根据权利要求1所述的内转子磁悬浮球面陀螺飞轮，其特征在于：所述的上轴向球面磁轴承(5A)和下轴向球面磁轴承(5B)为纯电磁磁轴承，包括定子部分和转子部分，所述定子部分包括轴向球面定子铁心(51)和轴向线圈(52)，所述转子部分为陀螺内转轴(13)端部球面，轴向线圈(52)通过环氧树脂胶固化安装在轴向球面定子铁心(51)的环形槽内。

3.根据权利要求1所述的内转子磁悬浮球面陀螺飞轮，其特征在于：所述的上轴向位移传感器组件(8A)和下轴向位移传感器组件(8B)都有四个探头，且均按X轴和Y轴的正、负方向对称放置。

4.根据权利要求1所述的内转子磁悬浮球面陀螺飞轮，其特征在于：所述的径向位移传感器组件(9)有四个探头，且沿圆周正交分布。

5.根据权利要求1所述的内转子磁悬浮球面陀螺飞轮，其特征在于：所述的径向球面磁轴承(10)为纯电磁磁轴承，包括定子部分和转子部分，所述定子部分包括左球面定子铁心(101A)、右球面定子铁心(101B)、前球面定子铁心(101C)、后球面定子铁心(101D)、左激磁线圈(102A)、右激磁线圈(102B)、前激磁线圈(102C)、后激磁线圈(102D)、上定子锁盘(103A)、下定子锁盘(103B)和定子套筒(104)，所述转子部分为陀螺外转盘组件(12)的外环形球面。

6.根据权利要求1所述的内转子磁悬浮球面陀螺飞轮，其特征在于：所述的洛伦兹力磁轴承(11)包括定子部分和转子部分组成，所述定子部分包括轴承定子骨架(1101)、左力矩线圈(1102A)、右力矩线圈(1102B)、前力矩线圈(1102C)、后力矩线圈(1102D)，所述转子部分包括陀螺外转盘(1201)、外垫环(1103)、上外磁钢(1104)、外隔磁环(1105)、下外磁钢(1106)、外锁母(1107)、内垫环(1108)、上内磁钢(1109)、内隔磁环(1110)、下内磁钢(1111)、内锁母(1112)和内保护环(1113)。

7.根据权利要求1所述的内转子磁悬浮球面陀螺飞轮，其特征在于：所述的内转子磁悬浮球面陀螺飞轮转动部分的质心与陀螺外转盘组件(12)外球面球心和陀螺内转轴(13)两端球面的球心重合。

8.根据权利要求6所述的内转子磁悬浮球面陀螺飞轮，其特征在于：所述的洛伦兹力磁轴承(11)转子部分的上外磁钢(1104)、下外磁钢(1106)、上内磁钢(1109)、下内磁钢(1111)均为径向充磁，充磁方向依次为：内N外S、内S外N、内N外S、内S外N，或为内S外N、内N外S、内S外N、内N外S。