CN107607099B - 一种检控共位的磁悬浮控制敏感陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检控共位的磁悬浮控制敏感陀螺，包括静止部分和转动部分，静止部分包括：上密封盖、中陀螺房、下密封盖、密封圈、上陀螺房、下陀螺房、电机组件定子、洛伦兹力磁轴承定子、轴向球面磁轴承定子、调整垫环、径向球面磁轴承定子、偏转位移传感器组件、保护轴承；转动部分包括：陀螺内转轴、陀螺外转盘组件和陀螺转子锁母。本发明提出的位移检测点与磁轴承控制点共位的磁悬浮控制敏感陀螺，消除了传感器与磁轴承转换矩阵引起的误差，提高了陀螺控制力矩精度和姿态敏感精度。此外，定转子间保护间隙和磁间隙均为球壳状，消除了平动磁轴承因转子偏转引起的负力矩，增加了转子偏转角度，提升了陀螺控制力矩大小和作用时间。

Description

一种检控共位的磁悬浮控制敏感陀螺

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮控制敏感陀螺，特别是一种转子位移检测点与磁轴承平动控制点重合共位的内转子磁悬浮球面控制敏感陀螺，可用于甚稳超静天基平台的姿态控制与姿态检测。

背景技术

基于动量交换的惯性机构具有控制精度高、寿命长等优势，已广泛应用于航天器平台的姿态控制。传统机械轴承支承的惯性机构存在过零摩擦、粘滞力矩和机械振动，且振动不可控，控制力矩精度偏低。磁悬浮惯性机构采用磁悬浮轴承支承技术，消除了机械摩擦，无需润滑，且能够对航天器平台进行主动振动抑制，提高了控制力矩精度和航天器平台稳定度。磁悬浮控制敏感陀螺同时具有高精度的姿态控制功能和径向两自由度姿态敏感功能，是更具发展潜力的新一代集姿态控制与敏感为一体的惯性机构，是天基平台实现甚稳超静的一种技术途径。

论文《磁悬浮飞轮位移传感器谐波扰动的主动抑制》介绍了一种纯磁阻力构型的五自由度主动控制的磁悬浮飞轮，可通过轴向三自由度磁轴承驱使高速转子产生偏转，改变转子角动量方向，输出陀螺控制力矩，具有陀螺控制力矩大、功耗低等优势。但磁阻力磁轴承的电磁悬浮力与电流成平方关系，控制精度较低，导致进动力矩精度较低。为提高控制力矩精度，授权专利ZL200910241243.3所述的一种磁悬浮陀螺飞轮，采用洛仑兹力磁轴承实现了转子五自由度全主动悬浮支承，提高了陀螺控制力矩精度，但由于洛仑兹力磁轴承承载力较低，导致陀螺飞轮承重功耗较高。综合磁阻力磁轴承承载力大、功耗低的优势与洛伦兹力磁轴承控制精度高的优点，授权专利ZL201110253688.0提出一种大力矩磁悬浮飞轮，利用洛伦兹力磁轴承控制转子径向两自由度偏转，利用磁阻式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，具有控制力矩大、功耗低等优势。但磁阻力锥形磁轴承利用锥面磁极产生的电磁力控制转子三个平动自由度，在径向平动和轴向平动控制通道存在耦合，降低了转子平动悬浮精度。此外，转子偏转状态下，磁阻力锥形磁轴承锥面磁极的锥壳气隙形状发生改变，导致气隙磁密不均匀，产生拉偏干扰力矩，进一步降低了平动悬浮精度，进而降低了控制力矩精度。为提高控制力矩精度，申请专利ZL201510811186.3所述的一种外转子磁悬浮锥形球面陀螺，采用磁阻力-洛伦兹力混合构型，通过洛伦兹力磁轴承控制转子的轴向平动与径向偏转和锥形球面磁阻力磁轴承控制转子径向平动，其锥形球面磁阻力磁轴承克服了转子偏转状态下的拉偏干扰力矩，提高了陀螺控制力矩精度。但该陀螺飞轮的轴向悬浮力与偏转悬浮力存在耦合，限制了陀螺控制力矩精度的进一步提高。同时，转子为外转子结构，需采用螺钉联接方式，螺钉质量的不确定性增加了转子的不平衡度，制约了控制力矩精度的提升。为进一步提高控制力矩精度，授权专利ZL201510006597.5所述的一种磁悬浮控制敏感陀螺，将轴向洛伦兹力磁轴承与偏转洛伦兹力磁轴承分离，实现转子轴向平动悬浮与偏转悬浮的解耦，提高了控制力矩精度。但洛伦兹力磁轴磁承载力较低，导致该陀螺飞轮系统承重功耗较高。为降低系统功耗，申请专利ZL201510813055.9所述的一种内转子磁悬浮球面陀螺飞轮，采用球面磁阻力磁轴承控制转子轴向单自由度和径向两自由度平动悬浮，利用洛伦兹力磁轴承实现转子的偏转悬浮控制，提高了陀螺力矩精度，降低了系统功耗。上述方案中，所述陀螺转子的位移检测点与控制点异位，需要转换矩阵来估计转子磁力控制点的位移。由于转换矩阵存在测量误差，且该误差随时间、温度、应力变化，降低了陀螺转子平动悬浮精度和偏转角度精度，进而影响控制敏感陀螺的陀螺控制力矩精度。此外，上述方案的保护轴承均采用圆柱状深沟球轴承，当陀螺转子进动输出陀螺控制力矩时，保护轴承会限制陀螺转子的偏转角度，从而降低了陀螺控制力矩输出时间，进而降低了瞬间陀螺控制力矩输出的大小。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种位移检测点与磁轴承平动控制点共位的磁悬浮控制敏感陀螺，具有平动悬浮精度高、偏转角度大、控制力矩精度高、控制力矩作用时间长等优点，可作为甚稳超静天基平台姿控系统用惯性执行/测量机构。

本发明的技术解决方案为：一种检控共位的磁悬浮控制敏感陀螺，包括静止部分和转动部分，其特征在于，静止部分包括：上密封盖、中陀螺房、下密封盖、上密封圈、下密封圈、上陀螺房、下陀螺房、电机组件定子、洛伦兹力磁轴承定子、上轴向球面磁轴承定子、下轴向球面磁轴承定子、上调整垫环、下调整垫环、径向球面磁轴承定子、偏转位移传感器组件、上保护轴承、下保护轴承；转动部分包括：陀螺内转轴、陀螺外转盘组件和陀螺转子锁母；上密封盖位于中陀螺房轴向上端，并通过螺钉固定在中陀螺房上端面，下密封盖位于中陀螺房轴向下端，并通过螺钉固定在中陀螺房下端面，上密封圈位于中陀螺房轴向上端凹槽内，并通过上密封盖将其压紧在中陀螺房轴向上端凹槽内，下密封圈位于中陀螺房轴向下端凹槽内，并通过下密封盖将其压紧在中陀螺房轴向下端凹槽内，上密封盖、中陀螺房、下密封盖、上密封圈和下密封圈为控制敏感陀螺提供一个真空的密封环境，上陀螺房位于上密封盖径向内侧和中陀螺房轴向上端，并通过螺钉固定在中陀螺房上端面，下陀螺房位于下密封盖径向内侧和中陀螺房轴向下端，并通过螺钉固定在中陀螺房轴向下端面，电机组件定子位于上陀螺房轴向下端，并通过螺钉固定在上陀螺房上，洛伦兹力磁轴承定子位于下陀螺房轴向上端，并通过螺钉固定在下陀螺房上，上轴向球面磁轴承定子位于上调整垫环轴向上端和上陀螺房径向内侧，并通过螺钉固定在上陀螺房上，下轴向球面磁轴承定子位于下调整垫环轴向下端和下陀螺房径向内侧，并通过螺钉固定在下陀螺房上，径向球面磁轴承定子位于中陀螺房径向内侧，并通过锁母固定在中陀螺房上，偏转位移传感器组件位于上陀螺房轴向上端，并通过螺钉固定在上陀螺房上，上保护轴承位于上陀螺房轴向下端环形台内，并通过锁母固定在上陀螺房上，下保护轴承位于下陀螺房轴向上端环形台内，并通过锁母固定在下陀螺房上，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，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，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内球面和下轴向球面磁轴承定子内球面与陀螺内转轴外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内球面和陀螺外转盘组件外球面间留有一定的球壳间隙，形成径向球壳气隙。

所述的洛伦兹力磁轴承由转子部分和定子部分组成，转子部分包括：陀螺外转盘、外安装套、外磁钢、外上导磁环、外下导磁环、外上挡环、外下挡环、外挡环锁母、外组件锁母、内安装套、内磁钢、内上导磁环、内下导磁环、内上挡环、内下挡环、内挡环锁母和内组件锁母；定子部分包括：磁轴承定子骨架、左偏转线圈、右偏转线圈、前偏转线圈、后偏转线圈、左敏感线圈、右敏感线圈、前敏感线圈、后敏感线圈和铝基板。通过左敏感线圈、右敏感线圈、前敏感线圈和后敏感线圈检测转子的偏转角位移，将检测信号反馈给洛伦兹力控制器，通过洛伦兹力控制器调节洛伦兹力磁轴承左偏转线圈、右偏转线圈、前偏转线圈和后偏转线圈电流的大小和方向，从而实现转子偏转角位移检测点与控制点的检控共位。所述的洛伦兹力磁轴承转子部分的外磁钢、内磁钢的充磁方向依次为：上N下S、上S下N，或为上S下N、上N下S。所述的上轴向球面磁轴承、下轴向球面磁轴承均为纯电磁磁轴承，由定子部分和转子部分组成，定子部分包括：轴向磁轴承球面定子铁心、轴向磁轴承激磁线圈、轴向磁轴承传感器线圈、轴向磁轴承传感器骨架、轴向磁轴承屏蔽线和轴向磁轴承传感器屏蔽筒；转子部分为陀螺内转轴端部球面。轴向磁轴承传感器骨架轴线与轴向磁轴承球面定子铁心轴线重合，实现了轴向位移检测点与控制点共位。所述的径向球面磁轴承为纯电磁磁轴承，由定子部分和转子部分组成，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、径向磁轴承激磁线圈、径向磁轴承传感器骨架、径向磁轴承传感器线圈、径向磁轴承屏蔽线、径向磁轴承传感器屏蔽筒、定子套筒、上定子锁紧盘和下定子锁紧盘；转子部分为陀螺外转盘。径向磁轴承传感器骨架的轴线分别与左球面定子铁心、右球面定子铁心、前球面定子铁心和后球面定子铁心的中心孔轴线重合，实现了径向位移检测点与控制点共位。所述的偏转位移传感器组件有四个探头，按X轴和Y轴的正、负方向对称放置。所述的上保护轴承、下保护轴承均为球面滑动保护轴承。上保护轴承内球面和下保护轴承内球面与陀螺内转轴外球面间留有一定的球壳间隙，形成轴向球壳保护气隙。所述的电机组件转子部分球面、洛伦兹力磁轴承转子部分球面、陀螺内转轴端部球面和陀螺外转盘腰部外球面的球心重合，且与一种检控共位的磁悬浮控制敏感陀螺的转动部分的球心重合。所述的电机组件定子部分球面、洛伦兹力磁轴承定子部分球面、上轴向球面磁轴承定子部分内球面、下轴向球面磁轴承定子部分内球面、径向球面磁轴承定子部分内球面、上保护轴承部分内球面、下保护轴承部分内球面的球心重合，且与与一种检控共位的磁悬浮控制敏感陀螺的转动部分的球心重合。所述的洛伦兹力磁轴承组件和电机组件的气隙均为球壳形状，轴向球面磁轴承和径向球面磁轴承的气隙均为球壳形状。

上述方案的原理是：磁悬浮控制敏感陀螺工作时，在轴向平动方向，通过上/下轴向磁轴承内部与磁轴承发力点共位的位移传感器检测转子位移，无需借助转换矩阵，直接将信号传递给轴向磁轴承控制器，并通过控制器调节上/下轴向磁轴承线圈电流的大小与方向，实现转子轴向方向上稳定悬浮；在径向平动方向，通过径向磁轴承内部与磁轴承发力点共位的位移传感器检测转子位移，无需借助转换矩阵，直接将信号传递到径向磁轴承控制器，并通过控制器调节径向磁轴承线圈电流的大小与方向，实现转子径向方向上稳定悬浮；径向偏转方向上，在不平衡振动抑制之前，通过偏转位移传感器检测到转子偏转角位移，将其反馈到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控制线圈电流的大小和方向，从而实现偏转稳定悬浮。待控制敏感陀螺转动部分实现五自由度稳定悬浮后，利用电机驱动转子升速、降速与稳速。在不平衡振动抑制之后，通过洛伦兹力磁轴承的敏感线圈检测转子的偏转角位移，并将检测信号反馈的洛伦兹力控制器，通过控制器调节洛伦兹力磁轴承控制线圈电流的大小和方向，从而实现转子偏转角位移检测点与控制点的共位。当控制敏感陀螺转动部分处于额定高转速时，星务系统力矩器指令发送至洛仑兹力磁轴承控制器，控制洛仑兹力磁轴承控制线圈电流的大小和方向，产生所需的瞬间偏转悬浮力矩，驱动控制敏感陀螺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，输出所需的瞬间大控制力矩，实现天基平台的姿态控制。此外，当天基平台姿态发生偏转时，洛伦兹力磁轴承的敏感线圈可检测天基平台的偏转角度，实现天基平台的姿态敏感。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，且上/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，其偏转前后磁极处的球壳气隙具有很好的均匀性和一致性，同时上/下轴向球面磁轴承和径向球面磁轴承作用于控制敏感陀螺转动部分的电磁力都经过控制敏感陀螺转动部分的质心，消除了磁阻式磁轴承产生的偏转干扰力矩，从而提高了控制敏感陀螺输出陀螺控制力矩的精度和敏感精度。此外，转子的平动位移和角位移检测点均与控制点共位，消除了因借助转换矩阵估计磁轴承发力点处位移带来的误差，提高了转子稳定悬浮精度，进一步提高了控制敏感陀螺的输出陀螺控制力矩精度和敏感精度。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明提出一种磁阻力-洛伦兹力混合力构型检控共位的磁悬浮控制敏感陀螺，与磁阻力构型的磁悬浮陀螺飞轮相比，具有线性度好、陀螺控制力矩精度高等优势；与洛仑兹力构型的磁悬浮控制敏感陀螺相比，具有承载力更大、承重功耗低等优势；与现有磁阻力-洛伦兹力混合构型的磁悬浮控制敏感陀螺相比，实现了转子位移检测点与磁轴承平动控制点共位，具有平动悬浮精度高、偏转角度大、控制力矩精度高、控制力矩作用时间长等优点。

附图说明

图1为本发明技术解决方案的一种检控共位的磁悬浮控制敏感陀螺的径向剖视图；

图2为本发明技术解决方案的陀螺外转盘组件的剖视图；

图3a为本发明技术解决方案的洛伦兹力磁轴承的径向X向剖视图；

图3b为本发明技术解决方案的洛伦兹力磁轴承的径向Y向剖视图；

图4为本发明技术解决方案的上轴向球面磁轴承的剖视图；

图5a为本发明技术解决方案的径向球面磁轴承的径向X向剖视图；

图5b为本发明技术解决方案的径向球面磁轴承的径向Y向剖视图；

图6为本发明技术解决方案的保护轴承安装示意图；

图7为本发明技术解决方案的电机组件和上陀螺房之间的连接截面局部示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种检控共位的磁悬浮控制敏感陀螺，包括静止部分和转动部分，其特征在于，静止部分包括：上密封盖1、中陀螺房2、下密封盖3、上密封圈4A、下密封圈4B、上陀螺房5、下陀螺房6、电机组件7定子、洛伦兹力磁轴承8定子、上轴向球面磁轴承9A定子、下轴向球面磁轴承9B定子、上调整垫环10A、下调整垫环10B、径向球面磁轴承11定子、偏转位移传感器组件12、上保护轴承13A、下保护轴承13B；转动部分包括：陀螺内转轴14、陀螺外转盘组件15和陀螺转子锁母16；上密封盖1位于中陀螺房2轴向上端，并通过螺钉固定在中陀螺房2上端面，下密封盖3位于中陀螺房2轴向下端，并通过螺钉固定在中陀螺房2下端面，上密封圈4A位于中陀螺房2轴向上端凹槽内，并通过上密封盖1将其压紧在中陀螺房2轴向上端凹槽内，下密封圈4B位于中陀螺房2轴向下端凹槽内，并通过下密封盖3将其压紧在中陀螺房2轴向下端凹槽内，上密封盖1、中陀螺房2、下密封盖3、上密封圈4A和下密封圈4B为控制敏感陀螺提供一个真空的密封环境，上陀螺房5位于上密封盖1径向内侧和中陀螺房2轴向上端，并通过螺钉固定在中陀螺房2上端面，下陀螺房6位于下密封盖3径向内侧和中陀螺房2轴向下端，并通过螺钉固定在中陀螺房2轴向下端面，电机组件7定子位于上陀螺房5轴向下端，并通过螺钉固定在上陀螺房5上，洛伦兹力磁轴承8定子位于下陀螺房6轴向上端，并通过螺钉固定在下陀螺房6上，上轴向球面磁轴承9A定子位于上调整垫环10A轴向上端和上陀螺房5径向内侧，并通过螺钉固定在上陀螺房5上，下轴向球面磁轴承9B定子位于下调整垫环10B轴向下端和下陀螺房6径向内侧，并通过螺钉固定在下陀螺房6上，径向球面磁轴承11定子位于中陀螺房2径向内侧，并通过锁母固定在中陀螺房2上，偏转位移传感器组件12位于上陀螺房5轴向上端，并通过螺钉固定在上陀螺房5上，上保护轴承13A位于上陀螺房5轴向下端环形台内，并通过锁母固定在上陀螺房5上，下保护轴承13B位于下陀螺房6轴向上端环形台内，并通过锁母固定在下陀螺房6上，陀螺内转轴14位于上轴向球面磁轴承9A定子轴向下端和下轴向球面磁轴承9B定子轴向上端，陀螺外转盘组件15位于径向球面磁轴承11定子径向内侧和陀螺内转轴14径向外侧，通过陀螺转子锁母16和陀螺内转轴14之间的螺纹配合固定安装在陀螺内转轴14上，上轴向球面磁轴承9A定子内球面和下轴向球面磁轴承9B定子内球面与陀螺内转轴14外球面间留有一定的球壳间隙，形成轴向球壳气隙17，径向球面磁轴承11定子内球面和陀螺外转盘组件15外球面间留有一定的球壳间隙，形成径向球壳气隙18。

图2为本发明中陀螺外转盘组件15的剖视图，具体包括：陀螺外转盘1501、电机转子外锁母71、电机转子外磁钢72、电机转子外垫环73、电机转子内锁母74、电机转子内磁钢75、电机转子内垫环76、外安装套801、外磁钢802、外上导磁环803A、外下导磁环803B、外上挡环804A、外下挡环804B、外挡环锁母805、外组件锁母806、内安装套807、内磁钢808、内上导磁环809A、内下导磁环809B、内上挡环810A、内下挡环810B、内挡环锁母811和内组件锁母812。电机转子外锁母71、电机转子外磁钢72和电机转子外垫环73位于陀螺外转盘1501内环形槽外圆柱面径向内侧，从上至下依次为，电机转子外锁母71、电机转子外磁钢72和电机转子外垫环73，电机转子外磁钢72和电机转子外垫环73通过电机转子外锁母71与陀螺外转盘1501之间的螺纹配合固定安装在陀螺外转盘1501上，电机转子内锁母74、电机转子内磁钢75和电机转子内垫环76位于陀螺外转盘1501内环形槽内圆柱面径向外侧，从上至下依次为，电机转子内锁母74、电机转子内磁钢75和电机转子内垫环76，电机转子内磁钢75和电机转子内垫环76通过电机转子内锁母74与陀螺外转盘1501之间的螺纹配合固定安装在陀螺外转盘1501上，外安装套801位于陀螺外转盘1501外环形槽外圆柱面径向内侧，外磁钢802位于外安装套801的径向内侧中心位置，外上导磁环803A位于外磁钢802的轴向上端，外下导磁环803B位于外磁钢802的轴向下端，外上挡环804A位于外上导磁环803A的上端，外下挡环804B位于外下导磁环803B的下端，外磁钢802、外上导磁环803A、外下导磁环803B、外上挡环804A和外下挡环804B通过外挡环锁母805与外安装套801的螺纹配合固定安装在外安装套801径向内侧上，外安装套801、外磁钢802、外上导磁环803A、外下导磁环803B、外上挡环804A、外下挡环804B和外挡环锁母805通过外组件锁母806与陀螺外转盘1501的螺纹配合固定安装在陀螺外转盘1501外环形槽外圆柱面径向内侧，内安装套807位于陀螺外转盘1501外环形槽内圆柱面径向外侧，内磁钢808位于内安装套807的径向外侧中心位置，内上导磁环809A位于内磁钢808的轴向上端，内下导磁环809B位于内磁钢808的轴向下端，内上挡环810A位于内上导磁环809A的上端，内下挡环810B位于内下导磁环809B的下端，内磁钢808、内上导磁环809A、内下导磁环809B、内上挡环810A和内下挡环810B通过内挡环锁母811与内安装套807的螺纹配合固定安装在内安装套807径向外侧上，内安装套807、内磁钢808、内上导磁环809A、内下导磁环809B、内上挡环810A、内下挡环810B和内挡环锁母811通过内组件锁母812与陀螺外转盘1501的螺纹配合固定安装在陀螺外转盘1501外环形槽内圆柱面径向外侧。

图3a为本发明中洛伦兹力磁轴承8的径向X向剖视图，图3b为本发明中洛伦兹力磁轴承8的径向Y向剖视图，其转子部分包括：陀螺外转盘1501、外安装套801、外磁钢802、外上导磁环803A、外下导磁环803B、外上挡环804A、外下挡环804B、外挡环锁母805、外组件锁母806、内安装套807、内磁钢808、内上导磁环809A、内下导磁环809B、内上挡环810A、内下挡环810B、内挡环锁母811和内组件锁母812，定子部分包括：磁轴承定子骨架813、左偏转线圈814A、右偏转线圈814B、前偏转线圈814C、后偏转线圈814D、左敏感线圈815A、右敏感线圈815B、前敏感线圈815C、后敏感线圈815D和铝基板816，左偏转线圈814A和左敏感线圈815A缠绕在磁轴承定子骨架813左端径向外侧的凸台上，右偏转线圈814B和右敏感线圈815B缠绕在磁轴承定子骨架813右端径向外侧的凸台上，前偏转线圈814C和前敏感线圈815C缠绕在磁轴承定子骨架813前端径向外侧的凸台上，后偏转线圈814D和后敏感线圈815D缠绕在磁轴承定子骨架813后端径向外侧的凸台上，左敏感线圈815A、右敏感线圈815B、前敏感线圈815C和后敏感线圈815D分别位于左偏转线圈814A、右偏转线圈814B、前偏转线圈814C和后偏转线圈814D的径向内侧，左偏转线圈814A、右偏转线圈814B、前偏转线圈814C、后偏转线圈814D、左敏感线圈815A、右敏感线圈815B、前敏感线圈815C和后敏感线圈815D均通过环氧树脂胶固化安装在磁轴承定子骨架813上，铝基板816位于磁轴承定子骨架813下方径向外侧，并通过环氧树脂胶固化安装在磁轴承定子骨架813上，外磁钢802、外上导磁环803A、外下导磁环803B、外上挡环804A、外下挡环804B和外挡环锁母805的内球面与内磁钢808、内上导磁环809A、内下导磁环809B、内上挡环810A、内下挡环810B和内挡环锁母811的外球面之间形成球壳气隙817。

图4为本发明中上轴向球面磁轴承9A剖视图，由定子部分和转子部分组成，其定子部分包括轴向磁轴承球面定子铁心91、轴向磁轴承激磁线圈92、轴向磁轴承传感器线圈93、轴向磁轴承传感器骨架94、轴向磁轴承屏蔽线95和轴向磁轴承传感器屏蔽筒96，转子部分为陀螺内转轴14端部球面，轴向磁轴承球面定子铁心91内部有一环形槽，轴向磁轴承激磁线圈92绕制在轴向磁轴承球面定子铁心91的环形槽内，并通过环氧树脂胶固化在轴向磁轴承球面定子铁心91上，轴向磁轴承传感器线圈93、轴向磁轴承传感器骨架94、轴向磁轴承屏蔽线95和轴向磁轴承传感器屏蔽筒96位于轴向磁轴承球面定子铁心91的中心通孔内，轴向磁轴承传感器线圈93绕制在轴向磁轴承传感器骨架94端部的凹槽上，并通过环氧树脂胶固化在轴向磁轴承传感器骨架94上，轴向磁轴承屏蔽线95连接轴向磁轴承传感器线圈93并通过轴向磁轴承传感器骨架94上的穿线孔引到轴向磁轴承传感器骨架94外部，轴向磁轴承传感器线圈93、轴向磁轴承传感器骨架94和轴向磁轴承屏蔽线95位于轴向磁轴承传感器屏蔽筒96的安装孔内，并通过环氧树脂胶固化在轴向磁轴承传感器屏蔽筒96内，轴向磁轴承传感器线圈93、轴向磁轴承传感器骨架94、轴向磁轴承屏蔽线95和轴向磁轴承传感器屏蔽筒96通过轴向磁轴承球面定子铁心91与轴向磁轴承传感器屏蔽筒96的螺纹配合安装在轴向磁轴承球面定子铁心91上，上轴向球面磁轴承9A轴向磁轴承球面定子铁心91与陀螺内转轴14端部球面之间形成轴向球壳气隙17。

图5a为本发明中径向球面磁轴承11的径向X向剖视图，图5b为本发明中径向球面磁轴承的径向Y向剖视图，其定子部分包括：左球面定子铁心1101A、右球面定子铁心1101B、前球面定子铁心1101C、后球面定子铁心1101D、径向磁轴承激磁线圈1102、径向磁轴承传感器骨架1103、径向磁轴承传感器线圈1104、径向磁轴承屏蔽线1105、径向磁轴承传感器屏蔽筒1106、定子套筒1107、上定子锁紧盘1108和下定子锁紧盘1109，转子部分为陀螺外转盘1501，左球面定子铁心1101A组成两个磁极，右球面定子铁心1101B组成两个磁极，前球面定子铁心1101C组成两个磁极，后球面定子铁心1101D组成两个磁极，左球面定子铁心1101A、右球面定子铁心1101B、前球面定子铁心1101C和后球面定子铁心1101D组成磁轴承左右前后8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个磁极绕制有径向磁轴承激磁线圈1102，径向磁轴承激磁线圈1102通过环氧树脂胶固化在左球面定子铁心1101A、右球面定子铁心1101B、前球面定子铁心1101C、后球面定子铁心1101D上，径向磁轴承传感器骨架1103端部有一凹槽，径向磁轴承传感器线圈1104绕制在径向磁轴承传感器骨架1103的凹槽内，并通过环氧树脂胶固化在径向磁轴承传感器骨架1103上，径向磁轴承屏蔽线1105连接径向磁轴承传感器线圈1104，并通过径向磁轴承传感器骨架1103上的走线槽引到径向磁轴承传感器骨架1103外部，径向磁轴承传感器骨架1103、径向磁轴承传感器线圈1104和径向磁轴承屏蔽线1105位于径向磁轴承传感器屏蔽筒1106的安装孔内，并通过环氧树脂胶固化在径向磁轴承传感器屏蔽筒1106内，径向磁轴承传感器骨架1103、径向磁轴承传感器线圈1104、径向磁轴承屏蔽线1105和径向磁轴承传感器屏蔽筒1106均位于左球面定子铁心1101A、右球面定子铁心1101B、前球面定子铁心1101C和后球面定子铁心1101D中心通孔内，并通过径向磁轴承传感器屏蔽筒1106与左球面定子铁心1101A、右球面定子铁心1101B、前球面定子铁心1101C和后球面定子铁心1101D的螺纹配合固定安装在左球面定子铁心1101A、右球面定子铁心1101B、前球面定子铁心1101C和后球面定子铁心1101D上，左球面定子铁心1101A、右球面定子铁心1101B、前球面定子铁心1101C、后球面定子铁心1101D、径向磁轴承激磁线圈1102、径向磁轴承传感器骨架1103、径向磁轴承传感器线圈1104、径向磁轴承屏蔽线1105和径向磁轴承传感器屏蔽筒1106均位于定子套筒1107的径向内侧，左球面定子铁心1101A、右球面定子铁心1101B、前球面定子铁心1101C和后球面定子铁心1101D通过定子套筒1107内侧的定位槽限制其径向角位置，并通过上定子锁紧盘1108和下定子锁紧盘1109与定子套筒1107之间的螺纹连接固定在定子套筒1107上，左球面定子铁心1101A、右球面定子铁心1101B、前球面定子铁心1101C和后球面定子铁心1101D的内球面与陀螺外转盘1501外球面一定的间隙形成径向球壳气隙18。

图6为本发明中保护轴承的安装示意图，即上保护轴承13A与上陀螺房5的安装示意图和下保护轴承13B与下陀螺房6的安装示意图，上保护轴承13A由上柔性部分131A和上耐磨层132A组成，上陀螺房5中心轴线位置处有一台阶孔，上柔性部分131A位于上陀螺房5中心台阶孔的径向内侧下方，上耐磨层132A位于上柔性部分131A的径向内侧，上自锁螺母133A位于上柔性部分131A和上耐磨层132A的轴向下端，上柔性部分131A和上耐磨层132A通过上自锁螺母133A和上陀螺房5之间的螺纹配合固定安装在上陀螺房5上，下保护轴承13B由下柔性部分131B和下耐磨层132B组成，下陀螺房6中心轴线位置处有一台阶孔，下柔性部分131B位于下陀螺房6中心台阶孔的径向内侧上方，下耐磨层132B位于下柔性部分131B的径向内侧，下自锁螺母133B位于下柔性部分131B和下耐磨层132B的轴向上端，下柔性部分131B和下耐磨层132B通过下自锁螺母133B和下陀螺房6之间的螺纹配合固定安装在下陀螺房6上，上耐磨层132A和下耐磨层132B的内表面均为球面结构，当磁悬浮控制敏感陀螺转动部分稳定悬浮时，上耐磨层132A的内表面和下耐磨层132B的内表面分别与陀螺内转轴14的上端部球面和下端部球面形成轴向球壳保护气隙19。

图7为本发明中电机组件7与上陀螺房5之间的连接截面局部示意图，电机组件7由转子部分和定子部分组成，其中转子部分包括：电机转子外锁母71、电机转子外磁钢72、电机转子外垫环73、电机转子内锁母74、电机转子内磁钢75、电机转子内垫环76和陀螺外转盘1501，定子部分包括：电机定子骨架77和电机线圈78，电机转子外锁母71、电机转子外磁钢72和电机转子外垫环73位于陀螺外转盘1501内环形槽的外圆柱面径向内侧，从上至下依次为，电机转子外锁母71、电机转子外磁钢72和电机转子外垫环73，电机转子外磁钢72和电机转子外垫环73通过电机转子外锁母71与陀螺外转盘1501的螺纹配合固定安装在陀螺外转盘1501上，电机转子内锁母74、电机转子内磁钢75和电机转子内垫环76位于陀螺外转盘1501内环形槽的内圆柱面内，从上至下依次为，电机转子内锁母74、电机转子内磁钢75和电机转子内垫环76，电机转子内磁钢75和电机转子内垫环76通过陀螺外转盘1501与电机转子内锁母74的螺纹配合固定安装在陀螺外转盘1501上，电机线圈78通过环氧树脂胶固化安装在电机定子骨架77上，电机组件7定子通过螺钉固定安装在上陀螺房5轴向下端。

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。本发明的上述实施例是对方案的说明而不能用于限制本发明，与本发明有保护范围相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在本发明保护的范围内。

Claims (1)

1.一种检控共位的磁悬浮控制敏感陀螺，包括静止部分和转动部分，其特征在于，静止部分包括：上密封盖(1)、中陀螺房(2)、下密封盖(3)、上密封圈(4A)、下密封圈(4B)、上陀螺房(5)、下陀螺房(6)、电机组件(7)定子、洛伦兹力磁轴承(8)定子、上轴向球面磁轴承(9A)定子、下轴向球面磁轴承(9B)定子、上调整垫环(10A)、下调整垫环(10B)、径向球面磁轴承(11)定子、偏转位移传感器组件(12)、上保护轴承(13A)、下保护轴承(13B)；转动部分包括：陀螺内转轴(14)、陀螺外转盘组件(15)和陀螺转子锁母(16)；上密封盖(1)位于中陀螺房(2)轴向上端，并通过螺钉固定在中陀螺房(2)上端面，下密封盖(3)位于中陀螺房(2)轴向下端，并通过螺钉固定在中陀螺房(2)下端面，上密封圈(4A)位于中陀螺房(2)轴向上端凹槽内，并通过上密封盖(1)将其压紧在中陀螺房(2)轴向上端凹槽内，下密封圈(4B)位于中陀螺房(2)轴向下端凹槽内，并通过下密封盖(3)将其压紧在中陀螺房(2)轴向下端凹槽内，上密封盖(1)、中陀螺房(2)、下密封盖(3)、上密封圈(4A)和下密封圈(4B)为控制敏感陀螺提供一个真空的密封环境，上陀螺房(5)位于上密封盖(1)径向内侧和中陀螺房(2)轴向上端，并通过螺钉固定在中陀螺房(2)上端面，下陀螺房(6)位于下密封盖(3)径向内侧和中陀螺房(2)轴向下端，并通过螺钉固定在中陀螺房(2)轴向下端面，电机组件(7)定子位于上陀螺房(5)轴向下端，并通过螺钉固定在上陀螺房(5)上，洛伦兹力磁轴承(8)定子位于下陀螺房(6)轴向上端，并通过螺钉固定在下陀螺房(6)上，上轴向球面磁轴承(9A)定子位于上调整垫环(10A)轴向上端和上陀螺房(5)径向内侧，并通过螺钉固定在上陀螺房(5)上，下轴向球面磁轴承(9B)定子位于下调整垫环(10B)轴向下端和下陀螺房(6)径向内侧，并通过螺钉固定在下陀螺房(6)上，径向球面磁轴承(11)定子位于中陀螺房(2)径向内侧，并通过锁母固定在中陀螺房(2)上，偏转位移传感器组件(12)位于上陀螺房(5)轴向上端，并通过螺钉固定在上陀螺房(5)上，上保护轴承(13A)位于上陀螺房(5)轴向下端环形台内，并通过锁母固定在上陀螺房(5)上，下保护轴承(13B)位于下陀螺房(6)轴向上端环形台内，并通过锁母固定在下陀螺房(6)上，陀螺内转轴(14)位于上轴向球面磁轴承(9A)定子轴向下端和下轴向球面磁轴承(9B)定子轴向上端，陀螺外转盘组件(15)位于径向球面磁轴承(11)定子径向内侧和陀螺内转轴(14)径向外侧，通过陀螺转子锁母(16)和陀螺内转轴(14)之间的螺纹配合固定安装在陀螺内转轴(14)上，上轴向球面磁轴承(9A)定子内球面和下轴向球面磁轴承(9B)定子内球面与陀螺内转轴(14)外球面间留有一定的球壳间隙，形成轴向球壳气隙(17)，径向球面磁轴承(11)定子内球面和陀螺外转盘组件(15)外球面间留有一定的球壳间隙，形成径向球壳气隙(18)；所述的洛伦兹力磁轴承(8)由转子部分和定子部分组成，转子部分包括：陀螺外转盘(1501)、外安装套(801)、外磁钢(802)、外上导磁环(803A)、外下导磁环(803B)、外上挡环(804A)、外下挡环(804B)、外挡环锁母(805)、外组件锁母(806)、内安装套(807)、内磁钢(808)、内上导磁环(809A)、内下导磁环(809B)、内上挡环(810A)、内下挡环(810B)、内挡环锁母(811)和内组件锁母(812)；定子部分包括：磁轴承定子骨架(813)、左偏转线圈(814A)、右偏转线圈(814B)、前偏转线圈(814C)、后偏转线圈(814D)、左敏感线圈(815A)、右敏感线圈(815B)、前敏感线圈(815C)、后敏感线圈(815D)和铝基板(816)；通过左敏感线圈(815A)、右敏感线圈(815B)、前敏感线圈(815C)和后敏感线圈(815D)检测转子的偏转角位移，将检测信号反馈给洛伦兹力控制器，通过洛伦兹力控制器调节洛伦兹力磁轴承左偏转线圈(814A)、右偏转线圈(814B)、前偏转线圈(814C)和后偏转线圈(814D)电流的大小和方向，从而实现转子偏转角位移检测点与控制点的检控共位；

所述的洛伦兹力磁轴承(8)转子部分的外磁钢(802)、内磁钢(808)的充磁方向依次为：上N下S、上S下N；或为上S下N、上N下S；

所述的上轴向球面磁轴承(9A)、下轴向球面磁轴承(9B)均为纯电磁磁轴承，由定子部分和转子部分组成，定子部分包括：轴向磁轴承球面定子铁心(91)、轴向磁轴承激磁线圈(92)、轴向磁轴承传感器线圈(93)、轴向磁轴承传感器骨架(94)、轴向磁轴承屏蔽线(95)和轴向磁轴承传感器屏蔽筒(96)；转子部分为陀螺内转轴(14)端部球面；轴向磁轴承传感器骨架(94)轴线与轴向磁轴承球面定子铁心(91)轴线重合，实现了轴向位移检测点与控制点共位；

所述的径向球面磁轴承(11)为纯电磁磁轴承，由定子部分和转子部分组成，定子部分包括：左球面定子铁心(1101A)、右球面定子铁心(1101B)、前球面定子铁心(1101C)、后球面定子铁心(1101D)、径向磁轴承激磁线圈(1102)、径向磁轴承传感器骨架(1103)、径向磁轴承传感器线圈(1104)、径向磁轴承屏蔽线(1105)、径向磁轴承传感器屏蔽筒(1106)、定子套筒(1107)、上定子锁紧盘(1108)和下定子锁紧盘(1109)；转子部分为陀螺外转盘(1501)；径向磁轴承传感器骨架(1103)的轴线分别与左球面定子铁心(1101A)、右球面定子铁心(1101B)、前球面定子铁心(1101C)和后球面定子铁心(1101D)的中心孔轴线重合，实现了径向位移检测点与控制点共位；

所述的偏转位移传感器组件(12)有四个探头，按X轴和Y轴的正、负方向对称放置；

所述的上保护轴承(13A)、下保护轴承(13B)均为球面滑动保护轴承；上保护轴承(13A)内球面和下保护轴承(13B)内球面与陀螺内转轴(14)外球面间留有一定的球壳间隙，形成轴向球壳保护气隙(19)；

所述的电机组件(7)转子部分球面、洛伦兹力磁轴承(8)转子部分球面、陀螺内转轴(14)端部球面和陀螺外转盘(1501)腰部外球面的球心重合，且与所述转动部分的球心重合；

所述的电机组件(7)定子部分球面、洛伦兹力磁轴承(8)定子部分球面、上轴向球面磁轴承(9A)定子部分内球面、下轴向球面磁轴承(9B)定子部分内球面、径向球面磁轴承(11)定子部分内球面、上保护轴承(13A)部分内球面、下保护轴承(13B)部分内球面的球心重合，且与所述转动部分的球心重合。

Images