CN107792397A - 一种完全非接触的双框架磁悬浮控制力矩陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种完全非接触的双框架磁悬浮控制力矩陀螺，主要由磁悬浮高速转子系统、内框架系统和外框架系统三大部分组成。磁悬浮高速转子系统主要由上下陀螺房、陀螺高速转子、径向磁轴承、轴向磁轴承、高速驱动电机、径向轴向位移传感器、保护轴承等组成；磁悬浮内框架系统和外框架系统主要由内外框架、内外框架三自由度磁轴承、内外框架径向传感器、内外框架电机、内外框架保护轴承、内外框架轴向传感器、内外框架轴等组成。本发明的高速转子系统由磁轴承支撑，可提高高速转子的工作转速和使用寿命；同时内、外框架系统均采用磁轴承支撑的方式，消除了机械摩擦，提高了系统的控制精度。

Description

一种完全非接触的双框架磁悬浮控制力矩陀螺

技术领域

本发明涉及控制力矩陀螺的技术领域，具体涉及一种完全非接触的双框架磁悬浮控制力矩陀螺，可作为航天器的姿态执行机构，可用于大型航天器如空间站、小型快响应大机动航天器如敏捷机动卫星的姿态控制。

背景技术

随着载人航天、对地观测、科学研究的发展，相应的空间站、卫星平台或小型航天器对姿态控制的要求越来越高，具体体现在姿态控制的稳定性和大角度机动的灵活性。现有的姿态控制执行机构主要包括推力器、惯性执行机构和环境力矩执行机构三大类。相比于其它两类执行机构，惯性执行机构是利用动量交换定理来实现姿态控制的，具有无需消耗工质、控制力矩精度高的优点。惯性执行机构可分为惯性动量轮和控制力矩陀螺两大类。惯性动量轮只能输出单方向的较小力矩且存在饱和问题，而控制力矩陀螺具有力矩放大倍数大、动态性能好、输出力矩连续且精度高。按照框架的转动自由度，控制力矩陀螺可分为单框架控制力矩陀螺和双框架控制力矩陀螺。单框架控制力矩陀螺结构相对简单，输出力矩大，但其控制能力局限于单个自由度；而双框架控制力矩陀螺可输出两个方向的力矩，具有两自由度控制能力的优点，因此可作为大型航天器或小型快响应大机动航天器的主要姿态控制执行机构。现有的双框架控制力矩陀螺，高速转子系统和内、外框架系统一般采用机械轴承支承，机械轴承有摩擦、磨损、需要润滑等缺点，这些缺点对高速转子系统的影响体现在转速受限问题、发热问题、润滑导致的污染问题和无法维护导致的寿命有限问题等；这些缺点对框架系统的影响体现在框架轴所受非线性的摩擦力矩给航天器系统带来一个干扰力矩，从而影响航天器的稳定性。

专利CN201410383894.7《一种四自由度单框架磁悬浮控制力矩陀螺》和专利CN200710065550.1《单端支撑式单框架磁悬浮控制力矩陀螺》中，采用了磁悬浮支撑的转子，但框架系统采用了单框架的机械轴承支撑的方式，单框架系统限制了输出力矩的方向，机械轴承支撑的框架轴受摩擦力矩影响导致系统的非线性不易被克服。专利CN200710065551.6《完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺》中采用了磁悬浮支撑的转子系统和框架系统，但框架采用单端支撑的方式，不利于框架刚度的提高，进而影响整个系统的振动特性。专利CN201410384117.4《一种四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺》和专利CN200710304236.4《双框架磁悬浮控制力矩陀螺》中的磁悬浮控制力矩陀螺，其框架系统虽然采用了双框架形式，但其双端机械轴承支撑的方式没有实现框架的无摩擦悬浮。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，将磁悬浮支承技术同时应用于控制力矩陀螺的高速转子系统和内、外框架系统中，提供了一种完全非接触的双框架磁悬浮控制力矩陀螺，可作为航天器的姿态执行机构用于大型航天器如空间站、小型快响应大机动航天器如敏捷机动卫星的姿态控制。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种完全非接触的双框架磁悬浮控制力矩陀螺，主要由磁悬浮高速转子系统、磁悬浮内框架系统和磁悬浮外框架系统三大部分组成，其中磁悬浮高速转子系统分为静止部分和转动部分，静止部分由上陀螺房、下陀螺房、电器接插件、轴向磁轴承、高速驱动电机的定子部分、径向磁轴承的定子部分、径向位移传感器、轴向位移传感器、保护轴承、保护轴承压板、保护轴承座和密封盖组成；转动部分由陀螺高速转子、高速驱动电机的转子部分和径向磁轴承的转子部分组成；其中，陀螺高速转子为扁平状的飞轮并沿轴向有上、下轴伸端，其飞轮两侧面分别固定有高速驱动电机的转子部分，高速驱动电机的转子部分内外转子之间通过电机气隙连接有高速驱动电机的定子部分，高速驱动电机的定子部分分别固定在上陀螺房和下陀螺房上；高速驱动电机的定子部分径向外侧固定有轴向磁轴承，轴向磁轴承的转子部分即是陀螺高速转子扁平状的飞轮；陀螺高速转子的上、下轴伸端分别固定有径向磁轴承的转子部分，径向磁轴承的转子部分径向外侧通过磁轴承气隙连接有径向磁轴承的定子部分，径向磁轴承的定子部分分别固定在上陀螺房和下陀螺房上；径向磁轴承的定子部分轴向外侧有径向位移传感器，径向位移传感器分别固定在上陀螺房和下陀螺房上；径向位移传感器轴向外侧有保护轴承，保护轴承外圈通过保护轴承压板和保护轴承座分别固定在上陀螺房和下陀螺房上，保护轴承内圈通过保护间隙保护陀螺高速转子；保护轴承轴向外侧有轴向位移传感器，轴向位移传感器通过保护轴承座分别固定在上陀螺房和下陀螺房上；轴向位移传感器轴向外侧有密封盖，密封盖分别固定在上陀螺房和下陀螺房上；磁悬浮内框架系统主要由内框架、内框架保护轴承座、内框架磁轴承座、内框架三自由度磁轴承、内框架径向传感器、内框架电机、内框架保护轴承、内框架轴向传感器、内框架左轴、内框架右轴、内导电滑环、内角位置传感器、内传感器压板和内导电滑环座组成；磁悬浮外框架系统主要由外框架底座、底座把手、外框架保护轴承座、外框架磁轴承座、外框架三自由度磁轴承、外框架径向传感器、外框架电机、外框架保护轴承、外框架轴向传感器、外框架下轴、外框架上轴、外导电滑环、外角位置传感器和外导电滑环座组成；其中，外框架底座通过机械接口与航天器本体相连，外框架底座上固定有底座把手；外框架保护轴承座固定在外框架底座上，外框架保护轴承外圈通过螺纹压环固定在外框架保护轴承座上；外框架保护轴承轴向外侧有外框架电机的定子部分，外框架电机的定子部分通过螺纹压环固定在外框架保护轴承座上；外框架电机的定子部分轴向外侧有外框架径向传感器，外框架径向传感器固定在外框架磁轴承座上；外框架径向传感器轴向外侧有外框架三自由度磁轴承的定子部分，外框架三自由度磁轴承的定子部分固定在外框架磁轴承座上；外框架三自由度磁轴承的定子部分轴向外侧有外框架轴向传感器，外框架轴向传感器固定在外框架磁轴承座上，外框架磁轴承座固定在外框架保护轴承座上；外框架三自由度磁轴承的转子部分、外框架电机的转子部分分别安装在外框架下轴和外框架上轴上，外框架保护轴承通过保护间隙保护外框架下轴和外框架上轴，外框架下轴和外框架上轴通过螺钉和内框架固定连接；内框架保护轴承座固定在内框架上，内框架保护轴承外圈通过螺纹压环固定在内框架保护轴承座上；内框架保护轴承轴向外侧有内框架电机的定子部分，内框架电机的定子部分通过螺纹压环固定在内框架保护轴承座上；内框架电机的定子部分轴向外侧有内框架径向传感器，内框架径向传感器固定在内框架磁轴承座上；内框架径向传感器轴向外侧有内框架三自由度磁轴承的定子部分，内框架三自由度磁轴承的定子部分固定在内框架磁轴承座上；内框架三自由度磁轴承的定子部分轴向外侧有内框架轴向传感器，内框架轴向传感器固定在内框架磁轴承座上，内框架磁轴承座固定在内框架保护轴承座上；内框架三自由度磁轴承的转子部分、内框架电机的转子部分分别安装在内框架左轴和内框架右轴上，内框架保护轴承通过保护间隙保护内框架左轴和内框架右轴，内框架左轴和内框架右轴通过螺钉和上陀螺房固定连接。

其中，所述的磁悬浮内框架系统中的内框架三自由度磁轴承和磁悬浮外框架系统中的外框架三自由度磁轴承为非机械接触轴承，可以是纯电磁磁轴承或永磁偏置、电磁控制的混合磁轴承或纯永磁被动磁轴承，具体尺寸参数应根据实际工作要求计算得到。

其中，所述的内框架三自由度磁轴承和外框架三自由度磁轴承的一个实施例可采用相同的永磁偏置、电磁控制的混合磁轴承形式，包括转动部分和静止部分，由三自由度径向定子、三自由度径向线圈、三自由度径向转子、三自由度永磁体、三自由度内导磁环、三自由度外导磁环、三自由度轴向线圈和三自由度轴向转子组成，其中三自由度径向转子和三自由度轴向转子为转动部分，其余为静止部分。

其中，所述的内框架三自由度磁轴承和外框架三自由度磁轴承为没有推力盘的结构形式，三自由度轴向转子端面起到推力盘的作用。

其中，所述的三自由度内导磁环、三自由度外导磁环、三自由度轴向转子是实心结构的软磁材料，三自由度径向定子、三自由度径向转子可以是软磁材料叠层叠压而成，也可以是实心结构的软磁材料。

其中，所述的内框架系统中的内框架左轴和内框架右轴、外框架系统中的外框架下轴和外框架上轴不再通过机械轴承支撑，而是各自通过两个内框架三自由度磁轴承和两个外框架三自由度磁轴承无接触地支撑，进而分别实现高速转子系统和内框架系统五个自由度的主动可控悬浮，并分别通过内框架电机和外框架电机驱动高速转子系统和内框架系统旋转。

其中，所述的内框架电机和外框架电机为无刷直流电机，或永磁同步电机。

其中，所述的内框架径向传感器和外框架径向传感器可以是电涡流式位移传感器，也可以是电感式位移传感器；框架径向传感器探头与框架检测环之间为径向探测间隙，测量范围为0.5mm～1.2mm，分别检测内框架系统中的内框架左轴和内框架右轴、外框架系统中的外框架下轴和外框架上轴的两个径向平动广义位移和两个径向转动广义位移。

其中，所述的内框架轴向传感器和外框架轴向传感器可以是电涡流式位移传感器，也可以是电感式位移传感器；框架轴向传感器探头与内框架左轴或外框架下轴之间为轴向探测间隙，测量范围为0.6～1.2mm，分别检测内框架左轴和外框架下轴的轴向平动广义位移。

其中，所述的内角位置传感器和外角位置传感器为旋转变压器或者光电码盘。

本发明的原理是：完全非接触的双框架磁悬浮控制力矩陀螺由磁悬浮高速转子系统、磁悬浮内框架系统和磁悬浮外框架系统三大部分组成。在磁悬浮高速转子系统中，通过控制径向磁轴承电磁线圈的电流完成陀螺高速转子两个径向平动和两个径向偏转自由度的控制，通过控制轴向磁轴承电磁线圈的电流完成陀螺高速转子一个轴向平动自由度的控制，这样五个自由度的控制可保持磁悬浮高速转子系统的旋转部分与静止部分径向和轴向间隙均匀；通过高速驱动电机控制陀螺高速转子系统的旋转部分转动，实现陀螺高速转子的稳定旋转。磁悬浮内框架系统和外框架系统的框架轴轴线相互垂直，并通过陀螺高速转子的质心，内、外框架的转动迫使陀螺高速转子的角动量改变方向，此时陀螺高速转子的角动量进动将产生陀螺力矩；陀螺高速转子的进动不限于某个平面内，内、外框架可使陀螺高速转子作两自由度进动，产生两自由度的陀螺力矩。在磁悬浮内、外框架系统中，通过控制内、外框架三自由度磁轴承电磁线圈的电流完成内、外框架轴两个径向平动、两个径向偏转和一个轴向平动共五个自由度的控制，保持磁悬浮内、外框架系统的旋转部分与静止部分径向和轴向间隙均匀；并通过内、外框架电机控制磁悬浮内、外框架系统的旋转部分转动，实现内、外框架轴的稳定旋转。内框架轴与磁悬浮高速转子系统固连，外框架轴与内框架系统固连，当磁悬浮高速转子系统旋转部分保持转速恒定，也即其角动量矢量值恒定时，通过控制内、外框架电机驱动内、外框架轴旋转，进而强行改变磁悬浮高速转子系统旋转部分的角动量矢量方向，由陀螺力矩方程可得，控制力矩陀螺可以实现控制力矩的输出，这个力矩通过框架底座作用到航天器本体上，实现对航天器的姿态控制。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明克服了现有双框架控制力矩陀螺机械轴承支承的摩擦、磨损等缺点，在高速转子系统和内、外框架系统中都采用了无摩擦、无需润滑、可主动振动控制的磁轴承支承，极大地提高了转子的转速，提高了输出力矩，减小了控制力矩陀螺的维护成本、振动和噪声；内、外框架系统中的框架三自由度磁轴承同时提供径向和轴向自由度的主动控制，消除了框架轴所受的非线性摩擦力矩，使输出的控制力矩精度更高，并且显著减小了框架系统的轴向长度。

附图说明

图1为本发明的完全非接触的双框架磁悬浮控制力矩陀螺示意图；

图2为本发明的内框架或外框架三自由度磁轴承轴向截面图；

图3为本发明的内框架或外框径向传感器示意图；

图4为本发明的内框架或外框轴向传感器示意图；

图5为本发明的高速驱动电机轴向截面图。

图中附图标记含义为：1为上陀螺房，2为下陀螺房，3为电器接插件，4为轴向磁轴承，5为高速驱动电机，6为径向磁轴承，7为径向位移传感器，8为陀螺高速转子，9为轴向位移传感器，10为保护轴承，11为保护轴承压板，12为保护轴承座，13为密封盖，14为内框架，15为内框架保护轴承座，16为内框架磁轴承座，17为内框架三自由度磁轴承，18为内框架径向传感器，19为内框架电机，20为内框架保护轴承，21为内框架轴向传感器，22为内框架左轴，23为内框架右轴，24为内导电滑环，25为内角位置传感器，26为内传感器压板，27为内导电滑环座，28为外框架底座，29为底座把手，30为外框架保护轴承座、31为外框架磁轴承座、32为外框架三自由度磁轴承、33为外框架径向传感器、34为外框架电机、35为外框架保护轴承、36为外框架轴向传感器、37为外框架下轴、38为外框架上轴、39为外导电滑环、40为外角位置传感器、41为外导电滑环座，171为三自由度径向定子，172为三自由度永磁体，173为三自由度内导磁环，174为三自由度外导磁环，175为三自由度轴向线圈，176为三自由度轴向转子，177为三自由度径向转子，178为三自由度径向线圈，179为三自由度径向组件径向间隙，1710为三自由度轴向组件径向间隙，1711为三自由度轴向间隙，1712为三自由度轴向转子端面，181为框架径向传感器探头，182为框架径向探测间隙，183为框架径向传感器安装座，184为框架检测环，211为框架轴向传感器探头，212为框架轴向探测间隙，213为框架轴向传感器安装座，214为框架轴向传感器盖，215为框架轴向传感器电路板，216为框架轴向传感器绝缘垫，51为空心杯定子，52为外转子安装套，53为外转子铁心，54为外转子隔环，55为外转子永磁体，56为内转子隔环，57为内转子铁心，58为内转子安装套。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，一种完全非接触的双框架磁悬浮控制力矩陀螺，主要由磁悬浮高速转子系统、磁悬浮内框架系统和磁悬浮外框架系统三大部分组成，其中磁悬浮高速转子系统分为静止部分和转动部分，静止部分由上陀螺房1、下陀螺房2、电器接插件3、轴向磁轴承4、高速驱动电机5的定子部分、径向磁轴承6的定子部分、径向位移传感器7、轴向位移传感器9、保护轴承10、保护轴承压板11、保护轴承座12、密封盖13组成；转动部分由陀螺高速转子8、高速驱动电机5的转子部分、径向磁轴承6的转子部分组成；其中，陀螺高速转子8为扁平状的飞轮并沿轴向有上、下轴伸端，其飞轮两侧面分别固定有高速驱动电机5的转子部分，高速驱动电机5的转子部分内外转子之间通过电机气隙连接有高速驱动电机5的定子部分，高速驱动电机5的定子部分分别固定在上陀螺房1和下陀螺房2上；高速驱动电机5的定子部分径向外侧固定有轴向磁轴承4，轴向磁轴承4的转子部分即是陀螺高速转子8扁平状的飞轮；陀螺高速转子8的上、下轴伸端分别固定有径向磁轴承6的转子部分，径向磁轴承6的转子部分径向外侧通过磁轴承气隙连接有径向磁轴承6的定子部分，径向磁轴承6的定子部分分别固定在上陀螺房1和下陀螺房2上；径向磁轴承6的定子部分轴向外侧有径向位移传感器7，径向位移传感器7分别固定在上陀螺房1和下陀螺房2上；径向位移传感器7轴向外侧有保护轴承10，保护轴承10外圈通过保护轴承压板11和保护轴承座12分别固定在上陀螺房1和下陀螺房2上，保护轴承10内圈通过保护间隙保护陀螺高速转子8；保护轴承10轴向外侧有轴向位移传感器9，轴向位移传感器9通过保护轴承座12分别固定在上陀螺房1和下陀螺房2上；轴向位移传感器9轴向外侧有密封盖13，密封盖13分别固定在上陀螺房1和下陀螺房2上；磁悬浮内框架系统主要由内框架14、内框架保护轴承座15、内框架磁轴承座16、内框架三自由度磁轴承17、内框架径向传感器18、内框架电机19、内框架保护轴承20、内框架轴向传感器21、内框架左轴22、内框架右轴23、内导电滑环24、内角位置传感器25、内传感器压板26、内导电滑环座27组成；磁悬浮外框架系统主要由外框架底座28、底座把手29、外框架保护轴承座30、外框架磁轴承座31、外框架三自由度磁轴承32、外框架径向传感器33、外框架电机34、外框架保护轴承35、外框架轴向传感器36、外框架下轴37、外框架上轴38、外导电滑环39、外角位置传感器40、外导电滑环座41组成；其中，外框架底座28通过机械接口与航天器本体相连，外框架底座28上固定有底座把手29；外框架保护轴承座30固定在外框架底座28上，外框架保护轴承35外圈通过螺纹压环固定在外框架保护轴承座30上；外框架保护轴承35轴向外侧有外框架电机34的定子部分，外框架电机34的定子部分通过螺纹压环固定在外框架保护轴承座30上；外框架电机34的定子部分轴向外侧有外框架径向传感器33，外框架径向传感器33固定在外框架磁轴承座31上；外框架径向传感器33轴向外侧有外框架三自由度磁轴承32的定子部分，外框架三自由度磁轴承32的定子部分固定在外框架磁轴承座31上；外框架三自由度磁轴承32的定子部分轴向外侧有外框架轴向传感器36，外框架轴向传感器36固定在外框架磁轴承座31上，外框架磁轴承座31固定在外框架保护轴承座30上；外框架三自由度磁轴承32的转子部分、外框架电机34的转子部分分别安装在外框架下轴37和外框架上轴38上，外框架保护轴承35通过保护间隙保护外框架下轴37和外框架上轴38，外框架下轴37和外框架上轴38通过螺钉和内框架14固定连接；内框架保护轴承座15固定在内框架14上，内框架保护轴承20外圈通过螺纹压环固定在内框架保护轴承座15上；内框架保护轴承20轴向外侧有内框架电机19的定子部分，内框架电机19的定子部分通过螺纹压环固定在内框架保护轴承座15上；内框架电机19的定子部分轴向外侧有内框架径向传感器18，内框架径向传感器18固定在内框架磁轴承座16上；内框架径向传感器18轴向外侧有内框架三自由度磁轴承17的定子部分，内框架三自由度磁轴承17的定子部分固定在内框架磁轴承座16上；内框架三自由度磁轴承17的定子部分轴向外侧有内框架轴向传感器21，内框架轴向传感器21固定在内框架磁轴承座16上，内框架磁轴承座16固定在内框架保护轴承座15上；内框架三自由度磁轴承17的转子部分、内框架电机19的转子部分分别安装在内框架左轴22和内框架右轴23上，内框架保护轴承20通过保护间隙保护内框架左轴22和内框架右轴23，内框架左轴22和内框架右轴23通过螺钉和上陀螺房1固定连接。

本发明的磁悬浮内框架系统中的内框架三自由度磁轴承17和磁悬浮外框架系统中的外框架三自由度磁轴承32为非机械接触轴承，可以是纯电磁磁轴承或永磁偏置、电磁控制的混合磁轴承或纯永磁被动磁轴承。如图2所示，给出了永磁偏置、电磁控制形式的内框架三自由度磁轴承17或外框架三自由度磁轴承32，它包括转动部分和静止部分，由三自由度径向定子171、三自由度径向线圈178、三自由度径向转子177、三自由度永磁体172、三自由度内导磁环173、三自由度外导磁环174、三自由度轴向线圈175、三自由度轴向转子176组成，其中三自由度径向转子177和三自由度轴向转子176为转动部分，其余为静止部分。三自由度径向转子177和三自由度轴向转子176安装在内框架系统中的内框架左轴22和内框架右轴23、外框架系统中的外框架下轴37和外框架上轴38上，内框架左轴22和内框架右轴23分别与磁悬浮高速转子系统固连，外框架下轴37和外框架上轴38上分别与内框架系统固连。内框架三自由度磁轴承17或外框架三自由度磁轴承32为没有推力盘的结构形式，三自由度轴向转子端面1712起到推力盘的作用。三自由度径向定子171和三自由度径向转子177之间是三自由度径向组件径向间隙179，三自由度内导磁环173和三自由度轴向转子176之间是三自由度轴向组件径向间隙1710，三自由度外导磁环174和三自由度轴向转子端面1712之间是三自由度轴向间隙1711。内框架系统中的内框架左轴22和内框架右轴23、外框架系统中的外框架下轴37和外框架上轴38不再通过机械轴承支撑，而是各自通过两个内框架三自由度磁轴承17和两个外框架三自由度磁轴承32无接触地支撑，进而分别实现高速转子系统和内框架系统五个自由度的主动可控悬浮，并分别通过内框架电机19和外框架电机34驱动高速转子系统和内框架系统旋转。

本发明的磁悬浮框架系统中的内框架径向传感器18和外框架径向传感器33可以是电涡流式位移传感器，也可以是电感式位移传感器。如图3所示，框架径向传感器探头181安装在框架径向传感器安装座183上，框架检测环184固定在内框架系统中的内框架左轴22和内框架右轴23、外框架系统中的外框架下轴37和外框架上轴38上，框架径向传感器探头181与框架检测环184之间为框架径向探测间隙182，测量范围为0.5mm～1.2mm，分别检测内框架左轴22和内框架右轴23、外框架下轴37和外框架上轴38的两个径向平动广义位移和两个径向转动广义位移。

本发明的磁悬浮框架系统中的内框架轴向传感器21和外框架轴向传感器36可以是电涡流式位移传感器，也可以是电感式位移传感器。如图4所示，框架轴向传感器探头211安装在框架轴向传感器安装座213上，框架轴向传感器电路板215通过框架轴向传感器绝缘垫216固定在框架轴向传感器安装座213上，另有框架轴向传感器盖214固定在框架轴向传感器安装座213上以起保护作用。框架轴向传感器探头211与内框架左轴22或外框架下轴37为轴向探测间隙，测量范围为0.6～1.2mm，分别检测内框架左轴22和外框架下轴37的轴向平动广义位移。

本发明的高速驱动电机5是磁悬浮高速转子系统的驱动部分，采用无齿槽无定子铁心的空心杯形定子永磁无刷直流电机。如图5所示，高速驱动电机5由空心杯定子51、外转子安装套52、外转子铁心53、外转子隔环54、外转子永磁体55、内转子隔环56、内转子铁心57、内转子安装套58组成，其中空心杯定子51是静止部分，其余是旋转部分。静止部分和旋转部分之间是高速驱动电机5的气隙部分，空心杯定子51通过螺钉固定在上陀螺房1或下陀螺房2上，内转子铁心57套在内转子安装套58外并通过内转子隔环56压紧，外转子永磁体55和外转子铁心53套在外转子安装套52内并通过外转子隔环54压紧，内转子安装套58和外转子安装套52分别过盈配合连接到陀螺高速转子8上。

本发明的内框架电机19和外框架电机34(图1)为无刷直流电机或永磁同步电机，分别驱动内框架左轴22和外框架下轴37旋转，进而分别驱动磁悬浮高速转子系统和磁悬浮内框架系统旋转。

本发明的内角位置传感器25和外角位置传感器40(图1)为旋转变压器或光电码盘，分别用来检测内、外框架轴的角位置，为磁悬浮内、外框架系统的控制提供角位置信号。

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。

Claims (10)

1.一种完全非接触的双框架磁悬浮控制力矩陀螺，主要由磁悬浮高速转子系统、磁悬浮内框架系统和磁悬浮外框架系统三大部分组成，其中磁悬浮高速转子系统分为静止部分和转动部分，其特征在于：静止部分由上陀螺房(1)、下陀螺房(2)、电器接插件(3)、轴向磁轴承(4)、高速驱动电机(5)的定子部分、径向磁轴承(6)的定子部分、径向位移传感器(7)、轴向位移传感器(9)、保护轴承(10)、保护轴承压板(11)、保护轴承座(12)和密封盖(13)组成；转动部分由陀螺高速转子(8)、高速驱动电机(5)的转子部分和径向磁轴承(6)的转子部分组成；其中，陀螺高速转子(8)为扁平状的飞轮并沿轴向有上、下轴伸端，其飞轮两侧面分别固定有高速驱动电机(5)的转子部分，高速驱动电机(5)的转子部分内外转子之间通过电机气隙连接有高速驱动电机(5)的定子部分，高速驱动电机(5)的定子部分分别固定在上陀螺房(1)和下陀螺房(2)上；高速驱动电机(5)的定子部分径向外侧固定有轴向磁轴承(4)，轴向磁轴承(4)的转子部分即是陀螺高速转子(8)扁平状的飞轮；陀螺高速转子(8)的上、下轴伸端分别固定有径向磁轴承(6)的转子部分，径向磁轴承(6)的转子部分径向外侧通过磁轴承气隙连接有径向磁轴承(6)的定子部分，径向磁轴承(6)的定子部分分别固定在上陀螺房(1)和下陀螺房(2)上；径向磁轴承(6)的定子部分轴向外侧有径向位移传感器(7)，径向位移传感器(7)分别固定在上陀螺房(1)和下陀螺房(2)上；径向位移传感器(7)轴向外侧有保护轴承(10)，保护轴承(10)外圈通过保护轴承压板(11)和保护轴承座(12)分别固定在上陀螺房(1)和下陀螺房(2)上，保护轴承(10)内圈通过保护间隙保护陀螺高速转子(3)；保护轴承(10)轴向外侧有轴向位移传感器(9)，轴向位移传感器(9)通过保护轴承座(12)分别固定在上陀螺房(1)和下陀螺房(2)上；轴向位移传感器(9)轴向外侧有密封盖(13)，密封盖(13)分别固定在上陀螺房(1)和下陀螺房(2)上；磁悬浮内框架系统主要由内框架(14)、内框架保护轴承座(15)、内框架磁轴承座(16)、内框架三自由度磁轴承(17)、内框架径向传感器(18)、内框架电机(19)、内框架保护轴承(20)、内框架轴向传感器(21)、内框架左轴(22)、内框架右轴(23)、内导电滑环(24)、内角位置传感器(25)、内传感器压板(26)和内导电滑环座(27)组成；磁悬浮外框架系统主要由外框架底座(28)、底座把手(29)、外框架保护轴承座(30)、外框架磁轴承座(31)、外框架三自由度磁轴承(32)、外框架径向传感器(33)、外框架电机(34)、外框架保护轴承(35)、外框架轴向传感器(36)、外框架下轴(37)、外框架上轴(38)、外导电滑环(39)、外角位置传感器(40)和外导电滑环座(41)组成；其中，外框架底座(28)通过机械接口与航天器本体相连，外框架底座(28)上固定有底座把手(29)；外框架保护轴承座(30)固定在外框架底座(28)上，外框架保护轴承(35)外圈通过螺纹压环固定在外框架保护轴承座(30)上；外框架保护轴承(35)轴向外侧有外框架电机(34)的定子部分，外框架电机(34)的定子部分通过螺纹压环固定在外框架保护轴承座(30)上；外框架电机(34)的定子部分轴向外侧有外框架径向传感器(33)，外框架径向传感器(33)固定在外框架磁轴承座(31)上；外框架径向传感器(33)轴向外侧有外框架三自由度磁轴承(32)的定子部分，外框架三自由度磁轴承(32)的定子部分固定在外框架磁轴承座(31)上；外框架三自由度磁轴承(32)的定子部分轴向外侧有外框架轴向传感器(36)，外框架轴向传感器(36)固定在外框架磁轴承座(31)上，外框架磁轴承座(31)固定在外框架保护轴承座(30)上；外框架三自由度磁轴承(32)的转子部分、外框架电机(34)的转子部分分别安装在外框架下轴(37)和外框架上轴(38)上，外框架保护轴承(35)通过保护间隙保护外框架下轴(37)和外框架上轴(38)，外框架下轴(37)和外框架上轴(38)通过螺钉和内框架(14)固定连接；内框架保护轴承座(15)固定在内框架(14)上，内框架保护轴承(20)外圈通过螺纹压环固定在内框架保护轴承座(15)上；内框架保护轴承(20)轴向外侧有内框架电机(19)的定子部分，内框架电机(19)的定子部分通过螺纹压环固定在内框架保护轴承座(15)上；内框架电机(19)的定子部分轴向外侧有内框架径向传感器(18)，内框架径向传感器(18)固定在内框架磁轴承座(16)上；内框架径向传感器(18)轴向外侧有内框架三自由度磁轴承(17)的定子部分，内框架三自由度磁轴承(17)的定子部分固定在内框架磁轴承座(16)上；内框架三自由度磁轴承(17)的定子部分轴向外侧有内框架轴向传感器(21)，内框架轴向传感器(21)固定在内框架磁轴承座(16)上，内框架磁轴承座(16)固定在内框架保护轴承座(15)上；内框架三自由度磁轴承(17)的转子部分、内框架电机(19)的转子部分分别安装在内框架左轴(22)和内框架右轴(23)上，内框架保护轴承(20)通过保护间隙保护内框架左轴(22)和内框架右轴(23)，内框架左轴(22)和内框架右轴(23)通过螺钉和上陀螺房(1)固定连接。

2.根据权利要求1所述的完全非接触的双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：所述的磁悬浮内框架系统中的内框架三自由度磁轴承(17)和磁悬浮外框架系统中的外框架三自由度磁轴承(32)为非机械接触轴承，可以是纯电磁磁轴承或永磁偏置、电磁控制的混合磁轴承或纯永磁被动磁轴承，具体尺寸参数应根据实际工作要求计算得到。

3.根据权利要求2所述的完全非接触的双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：所述的内框架三自由度磁轴承(17)和外框架三自由度磁轴承(32)的一个实施例可采用相同的永磁偏置、电磁控制的混合磁轴承形式，包括转动部分和静止部分，由三自由度径向定子(171)、三自由度径向线圈(178)、三自由度径向转子(177)、三自由度永磁体(172)、三自由度内导磁环(173)、三自由度外导磁环(174)、三自由度轴向线圈(175)和三自由度轴向转子(176)组成，其中三自由度径向转子(177)和三自由度轴向转子(176)为转动部分，其余为静止部分。

4.根据权利要求3所述的完全非接触的双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：所述的内框架三自由度磁轴承(17)和外框架三自由度磁轴承(32)为没有推力盘的结构形式，三自由度轴向转子端面(1712)起到推力盘的作用。

5.根据权利要求3所述的完全非接触的双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：所述的三自由度内导磁环(173)、三自由度外导磁环(174)、三自由度轴向转子(176)是实心结构的软磁材料，三自由度径向定子(171)、三自由度径向转子(177)可以是软磁材料叠层叠压而成，也可以是实心结构的软磁材料。

6.根据权利要求1所述的完全非接触的双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：所述的内框架系统中的内框架左轴(22)和内框架右轴(23)、外框架系统中的外框架下轴(37)和外框架上轴(38)不再通过机械轴承支撑，而是各自通过两个内框架三自由度磁轴承(17)和两个外框架三自由度磁轴承(32)无接触地支撑，进而分别实现高速转子系统和内框架系统五个自由度的主动可控悬浮，并分别通过内框架电机(19)和外框架电机(34)驱动高速转子系统和内框架系统旋转。

7.根据权利要求1或6所述的完全非接触的双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：所述的内框架电机(19)和外框架电机(34)为无刷直流电机，或永磁同步电机。

8.根据权利要求1所述的完全非接触的双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：所述的内框架径向传感器(18)和外框架径向传感器(33)可以是电涡流式位移传感器，也可以是电感式位移传感器；框架径向传感器探头(181)与框架检测环(184)之间为径向探测间隙，测量范围为0.5mm～1.2mm，分别检测内框架系统中的内框架左轴(22)和内框架右轴(23)、外框架系统中的外框架下轴(37)和外框架上轴(38)的两个径向平动广义位移和两个径向转动广义位移。

9.根据权利要求1所述的完全非接触的双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：所述的内框架轴向传感器(21)和外框架轴向传感器(36)可以是电涡流式位移传感器，也可以是电感式位移传感器；框架轴向传感器探头(211)与内框架左轴(22)或外框架下轴(37)之间为轴向探测间隙，测量范围为0.6～1.2mm，分别检测内框架左轴(22)和外框架下轴(37)的轴向平动广义位移。

10.根据权利要求1所述的完全非接触的双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：所述的内角位置传感器(25)和外角位置传感器(40)为旋转变压器或者光电码盘。