CN106059226A - 一种基于盘式结构的动量轮 - Google Patents

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Abstract

一种基于盘式结构的动量轮，包括下层定子和上层定子，上层定子和下层定子平行固定，之间形成气隙，气隙内设置转子，转子的外侧为质量块，内部径向上下平面分别开有扇环形状的凹槽，凹槽内固定永磁体，上下两层永磁体充磁方向相同，为N极和S极交替排列，上层定子和下层定子上开有定子齿槽，线圈绕制在定子槽内，定子与轴承外侧相固定，转子中心为电机中轴，轴承套接在中轴之上，中轴顶部装有光电编码器；本发明动量轮在运行过程中，输入为三相电源，由于采用轴向磁场结构永磁电机，动量轮能够输出较大的转矩；由于动量轮的盘式结构，使得动量轮结构紧密，有效地减小了动量轮的轴向尺寸；由于采用分数槽结构绕组，能够有效地减小动量轮的齿槽转矩，使得动量轮运行更平稳；同时采用光电编码器，可以精确地测量动量轮的转动情况。

Description

一种基于盘式结构的动量轮
技术领域
本发明涉及动量轮技术领域，具体涉及一种基于盘式结构的动量轮。
背景技术
现有动量轮主要采用径向磁场永磁电机作为动量轮的驱动电机，这些径向磁场永磁电机的工作原理为：定子为铁芯，其上绕有线圈绕组，通入三相正弦或是方波电压，三相之间相位差为120度。转子为永磁体固定于转子托盘上，N极和S极交替排列。工作时，通入三相电源，通电线圈在定转子之间的气隙中产生旋转的磁场，带动转子转动。其作为动量轮的缺点为：结构不够紧密，难以适用于对动量轮尺寸有要求的场合；输出转矩和比转矩较小，难以应用于对转矩要求较高的敏捷姿态控制系统。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于盘式结构的动量轮。动量轮整体采用盘式结构，使得动量轮轴向尺寸小，整体机构紧密；动量轮在运行过程中，输入为三相交流方波，采用分数槽绕组结构，动量轮齿槽转矩小，运行平稳；由于动量轮永磁体采用钕铁硼材料，因此线圈所在气隙中磁通密度很高，动量轮能够在一定的输入电压下提供较高的输出转矩；动量轮采用光电编码器，可以精确地测量动量轮的转动情况。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于盘式结构的动量轮，包括下层定子2和上层定子1，两个转轴6的内圈分别固定于上层定子1和下层定子2上，所述上层定子1与下层定子2之间形成气隙，气隙内设置转子3，所述转子3中间部分为电机中轴，两个轴承6分别套接在电机中轴之上，转子3边缘为质量块，内部上下平面沿径向分别开有扇环槽3-1，所述扇环槽3-1内固定永磁体4，上下两层的永磁体4充磁方向为轴向且方向相同，为N极和S极交替排列，所述上层定子1和下层定子2上开有定子齿和定子槽，线圈5绕制在定子槽内，光电编码器7固定于转子3的电机中轴顶部。
所述上层定子1和下层定子2之上均匀分布12个圆心角为15°的定子齿1-1，定子齿1-1之间为定子槽，定子齿1-1的形状为扇环形，四个角做圆角处理。
所述线圈5分为三相，分别按顺序绕制于上层定子1和下层定子2的定子槽内。
所述转轴6的轴承采用滚珠轴承，为中空环形。
所述上层定子1、下层定子2和转子3的材料为45号钢。
所述永磁体4的材料为钕铁硼。
所述转子3内部上下平面沿径向分别开有10个对称分布的扇环槽3-1，扇环槽3-1的圆心角为25°，永磁体4采用环氧材料粘贴在转子3的扇环槽3-1内，转子3单面的永磁体4的磁极数为10个。
所述光电编码器7固定于转子3的中轴顶部。
和现有技术相比，本发明的优点如下：
1.本发明动量轮在运行过程中，输入为三相电源，由于整体采用盘式结构，动量轮能够输出较大的转矩，也使得动量轮结构紧密，有效地减小了动量轮的轴向尺寸。
2.由于定子和转子为径向平面分布，动量轮的轴向尺寸较小，适用于对轴向尺寸有限制的场合。同时，在动量轮中，定子、转子和气隙互相平行，可以根据不同需求对动量轮中的气隙厚度，定转子数量等进行调节。
3.由于转子边缘增加了质量块的结构，使得动量轮转子在整体半径有限的情况下，依然可以拥有较大的转动惯量，从而使得动量轮能够提供更高的角动量。
4.由于动量轮径向尺寸较大，线圈和磁极的位置靠近动量轮外侧，同时，采用了钕铁硼永磁体，气隙磁通密度较大，在同样的外加电压情况下，动量轮可以输出更高的转矩，增强姿态控制系统的敏捷姿态控制性能。
5.由于动量轮定子槽数为12，磁极数为10，其槽数与磁极数之比为分数，可以有效地减小动量轮运行时的齿槽转矩，保证了动量轮转动的稳定性，减小了动量轮运行时的噪声。
附图说明
图1为本发明基于盘式结构的动量轮截面示意图。
图2为本发明中定子铁芯及线圈上视剖面示意图。
图3为本发明中转子上视剖面示意图。
具体实施方式
下面结合图1、图2、图3和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1、图2和图3所示，本发明一种基于盘式结构的动量轮，包括下层定子2和上层定子1,两个轴承6的外圈分别固定于上层定子1和下层定子2上，所述上层定子1与下层定子2之间形成气隙，气隙内设置转子3，所述转子3中间部分为电机中轴，两个轴承6分别套接在电机中轴之上，转子3边缘为质量块，内部径向上下平面分别开有扇环槽3-1，所述扇环槽3-1内固定永磁体4，上下两层永磁体4充磁方向为轴向且方向相同，为N极和S极交替排列，所述上层定子1和下层定子2上绕有线圈5，上层定子1和下层定子2上开有定子齿和定子槽，线圈5绕制在定子槽内，光电编码器7固定于转子3的电机中轴顶部。
作为本发明的优选实施方式，所述上层定子1和下层定子2之上均匀分布12个圆心角为15°的定子齿1-1，定子齿1-1之间为定子槽，定子齿1-1的形状为扇环形，四个角做圆角处理。
作为本发明的优选实施方式，所述线圈4分为三相，分别按顺序绕制于上层定子1和下层定子2的定子槽内。
作为本发明的优选实施方式，所述转轴6的轴承采用滚珠轴承，为中空环形，两个转轴6套接在转子3中间部分的上下，两个转轴6的内圈分别固定于上层定子1以及下层定子2上，外圈转动部分与转子3固连。
作为本发明的优选实施方式，所述上层定子1，下层定子2和转子3的材料为45号钢。
作为本发明的优选实施方式，所述永磁体4的材料为钕铁硼。
作为本发明的优选实施方式，所述转子3内部上下平面沿径向分别开有10个对称分布的扇环槽3-1，扇环槽3-1的圆心角为25°，永磁体4采用环氧材料粘贴在转子3的扇环槽3-1内，转子3单面的永磁体4的磁极数为10个。
本发明的工作原理为：
由于本动量轮采用盘式结构，上下两层为动量轮定子，绕有线圈，中间一层为固定有钕铁硼永磁体的转子，因此，动量轮的运行原理和传统无刷永磁电机相似，可以通过控制输出的三相电源来控制动量轮的转动。
动量轮工作时，向线圈通入三相的正弦波或方波，定子与转子之间的气隙中产生一个旋转的轴向磁场，转子表面固定的永磁体磁极在旋转的磁场中受到切向力，从而进行圆周运动。
动量轮工作后，可以通过中轴顶部安装的光电编码器测量转子的转动情况，如转速和位置信息，通过控制动量轮的输入三相波的幅值和频率，改变气隙中旋转磁场的磁感应强度和旋转速度，从而改变动量轮的运行状态。

Claims (7)

1.一种基于盘式结构的动量轮，其特征在于：包括下层定子(2)和上层定子(1)，两个转轴(6)的外圈分别固定于上层定子(1)和下层定子(2)上，所述上层定子(1)与下层定子(2)之间形成气隙，气隙内设置转子(3)，所述转子(3)中间部分为电机中轴，两个轴承(6)分别套接在电机中轴之上，转子(3)边缘为质量块，内部上下平面沿径向分别开有扇环槽(3-1)，所述扇环槽(3-1)内固定永磁体(4)，上下两层的永磁体(4)充磁方向为轴向且方向相同，为N极和S极交替排列，所述上层定子(1)和下层定子(2)上开有定子齿和定子槽，线圈(5)绕制在定子槽内，光电编码器(7)固定于转子(3)的电机中轴顶部。
2.根据权利要求1所述的一种基于盘式结构的动量轮，其特征在于：所述上层定子(1)和下层定子(2)之上均匀分布12个圆心角为15°的定子齿(1-1)，定子齿(1-1)之间为定子槽，定子齿(1-1)的形状为扇环形，四个角做圆角处理。
3.根据权利要求1所述的一种基于盘式结构的动量轮，其特征在于：所述线圈(5)分为三相，分别按顺序绕制于上层定子(1)和下层定子(2)的定子槽内。
4.根据权利要求1所述的一种基于盘式结构的动量轮，其特征在于：所述转轴(6)的轴承采用滚珠轴承，为中空环形。
5.根据权利要求1所述的一种基于盘式结构的动量轮，其特征在于：所述上层定子(1)、下层定子(2)和转子(3)的材料为45号钢。
6.根据权利要求1所述的一种基于盘式结构的动量轮，其特征在于：所述永磁体(4)的材料为钕铁硼。
7.根据权利要求1所述的一种基于盘式结构的动量轮，其特征在于：所述转子(3)内部上下平面沿径向分别开有10个对称分布的扇环槽(3-1)，扇环槽(3-1)的圆心角为25°，永磁体(4)采用环氧树脂胶粘贴在转子(3)的扇环槽(3-1)内，转子(3)单面的永磁体(4)的磁极数为10个。
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