CN109229426B - 一种五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺 - Google Patents

Abstract

一种五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，由径向磁轴承、上轴向磁轴承、下轴向磁轴承、高速电机、径轴一体化传感器、径向传感器、上保护轴承、下保护轴承、芯轴、轮体、底座、上轴向推力盘、下轴向推力盘、壳体、内框框架芯轴、内框框架电机、内框框架、内框框架电机轴、内框机械轴承、内框角位置传感器、内框导电滑环、外框框架芯轴、外框框架电机、外框框架、外框框架电机轴、外框机械轴承、外框角位置传感器、外框导电滑环组成，径向磁轴承控制转子的径向平动，轴向磁轴承控制转子的轴向平动和径向偏转。本发明结构紧凑，减小了系统的体积、重量，削弱了噪声，消除了轴承机械摩擦，有效提高了双框架控制力矩陀螺的承载能力和控制精度。

Description

一种五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺

技术领域

本发明涉及一种双框架磁悬浮控制力矩陀螺，特别是一种五自由度可输出大力矩的双框架磁悬浮控制力矩陀螺，可作为长期在轨运行或要求大机动和快速响应的航天器和空间站等大型航天器的姿态控制系统的执行机构。

背景技术

控制力矩陀螺是在大型航天器上使用的一类姿态控制系统惯性执行机构，主要功能部分是高速旋转转子和框架系统，通过框架伺服系统改变高速转子角动量的方向，利用陀螺效应输出力矩从而实现对航天器的姿态控制。大机动和快速响应性能的航天器以及空间站等大型航天器的姿态控制的执行机构需要输出大力矩、满足高可靠性、快响应速度、高精度、小体积、轻重量、低功耗的要求，这就需要高速转子的转速要高以提高其角动量，缩小体积、减轻重量；需要框架系统的电机具有大输出力矩、高控制精度的特征。与单框架控制力矩陀螺相比，双框架控制力矩陀螺组成的姿态控制系统具有以下优点：动量包络为球体、不存在明显的奇异性、具有简单的构型和控制律、便于操纵，安装过程方便且具有很高的可靠性。当冗余度相同时，双框架控制力矩陀螺组成的姿态系统质量要轻于单框架控制力矩陀螺组成的姿态系统，所以大型航天器姿态控制系统多采用双框架控制力矩陀螺作为关键惯性执行机构。现有双框架控制力矩陀螺采用机械轴承作为支承部件，这从根本上限制了转子转速、控制精度、系统的使用寿命和可靠性，由于转速限制，只能增加控制力矩陀螺的重量和体积来达到控制力矩陀螺所要求的输出角动量值，而且系统存在功耗大，振动和噪声严重的问题，因此需要对双框架控制力矩陀螺改进的部分有减小体积和重量、提高控制精度及可靠性等。现有的五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，采用轴向磁轴承提供轴向平动运动，采用径向磁轴承提供转子的两个平动运动和径向偏转运动，其中径向偏转的实现需要通过增加跨距输出足够力矩，使得芯轴较长，模态降低，限制了转速提升，加剧了振动。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，采用轴向磁轴承实现一个轴向平动和两个径向偏转运动的控制，以减小自身体积重量和功耗，提高承载能力。

本发明的技术解决方案为：一种五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺：由径向磁轴承(1)、上轴向磁轴承(2)、下轴向磁轴承(3)、高速电机(4)、径轴一体化传感器(5)、径向传感器(6)、上保护轴承(7)、下保护轴承(8)、芯轴(9)、轮体(10)、底座(11)、上轴向推力盘(12)、下轴向推力盘(13)、壳体(14)、内框框架芯轴(15)、内框框架电机(16)、内框框架(17)、内框框架电机轴(18)，内框机械轴承(19)、内框角位置传感器(20)、内框滑环(21)、外框框架芯轴(22)、外框框架电机(23)、外框框架(24)、外框框架电机轴(25)，外框机械轴承(26)、外框角位置传感器(27)、外框滑环(28)组成，其中芯轴(9)位于壳体(14)的中心，径向磁轴承(1)的定子部分套放在芯轴(9)上，径向磁轴承(1)定子部分的上端是上轴向磁轴承(2)，上轴向磁轴承(2)由八个轴向磁轴承定子单元组成，每个轴向磁轴承定子单元呈“E”字型，上轴向磁轴承(2)的上端是上保护轴承(7)，上轴向磁轴承(2)和上保护轴承(7)均固定在芯轴(9)上，上保护轴承(7)的径向外侧是上轴向推力盘(12)，上轴向推力盘(12)为“山”字型结构，其内侧和外侧为凹陷部分，中部为凸起部分；上保护轴承(7)与上轴向推力盘(12)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，上轴向推力盘(12)径向外侧是径轴一体化传感器(5)，其中上轴向推力盘(12)与径轴一体化传感器(5)的径向探头之间形成径向探测间隙，上轴向推力盘(12)与径轴一体化传感器(5)的轴向探头之间形成轴向探测间隙，径轴一体化传感器(5)通过传感器座与芯轴(9)固连；径向磁轴承(1)定子的下端是下轴向磁轴承(3)，下轴向磁轴承(3)由八个轴向磁轴承定子单元组成，每个轴向磁轴承定子单元呈“E”字型，下轴向磁轴承(3)的下端为下轴向推力盘(13)，下轴向推力盘(13)上存在“山”字型凹槽，下轴向推力盘(13)的下端为下保护轴承(8)，下轴向磁轴承(3)和下保护轴承(8)也固定在芯轴(9)上，下保护轴承(8)和下轴向推力盘(13)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，下轴向推力盘(13)的径向外侧是径向传感器(6)，下轴向推力盘(13)与径向传感器(6)的探头部分之间形成径向探测间隙，径向传感器(6)通过传感器座与底座(11)固连，底座(11)通过连接板固定高速电机(4)定子部分，高速电机(4)定子的外侧为外转子铁心，内侧为内转子铁心，外转子铁心和内转子铁心均安装在轮体(10)的下部，高速电机(4)的定子分别与内转子铁心和外转子铁心之间形成内侧磁间隙和外侧磁间隙，轮体(10)内侧固连径向磁轴承(1)的转子部分，两者采用过盈配合，轮体(10)的外部是壳体(14)，壳体(14)与底座(11)通过螺钉连接将轮体密封；内框框架芯轴(15)的右端与壳体(14)的凹槽连接，左端通过内框机械轴承(19)与内框框架(17)的左端固连，内框框架(17)的右端通过过盈配合与内框框架电机(16)的定子部分连接，内框框架电机(16)的转子部分与内框框架电机轴(18)的右端相连，内框框架电机轴(18)的左端与壳体(14)相连，内框框架(17)的最左端与内框角位置传感器(20)的定子部分相连，内框角位置传感器(20)的定子部分与内框滑环(21)的定子外环相连，内框角位置传感器(20)的转子部分以及内框滑环(21)的转子与内框框架芯轴(15)固连；内框框架(17)的上端与外框框架芯轴(22)的下端连接，外框框架芯轴(22)的上端与外框框架(24)通过外框机械轴承(26)固连，外框框架(24)的下端与外框框架电机(23)的定子部分相连，外框框架电机(23)的转子部分与外框框架电机轴(25)的下端相连，外框框架电机轴(25)的上端与内框框架(17)相连，外框框架(24)的最上端与外框角位置传感器(27)的定子相连，外框角位置传感器(27)的定子与外框滑环(28)的定子相连；外框角位置传感器(27)的转子以及外框滑环(28)的转子部分与外框框架芯轴(22)上端固连。

所述的径向磁轴承(1)由定子导磁环(101)、定子永磁体(102)、定子铁心(103)、线圈(104)、转子导磁环(105)、转子铁心(106)、气隙(107)组成，其中每个定子铁心(103)由±X、±Y方向4个磁极组成，两个定子铁心(103)组成磁轴承上下两端8个磁极，每个定子铁心(103)的磁极上绕制有线圈(104)，定子铁心(103)外部为转子铁心(106)，转子铁心(106)内表面与定子铁心(103)外表面留有一定的间隙，形成气隙(107)，转子铁心(106)外部为转子导磁体(105)，定子铁心(103)的径向内部为定子导磁环(101)，上下定子导磁环(101)中间是定子永磁体(102)。

所述的上轴向磁轴承(2)由八个轴向磁轴承定子单元组成，每个轴向磁轴承定子单元呈“E”字型，由三个定子磁极构成，内侧磁极是凸出的第一定子磁极，中间磁极是凹陷的第二定子磁极，外侧磁极是凸出的第三定子磁极，分别与上轴向推力盘(12)的“山”字型结构的内侧凹陷，中部凸起，外侧凹陷形成内侧气隙，中部气隙，外侧气隙。八个轴向磁轴承定子单元分别沿±X、±Y、±45°与±135°方向布置，其中±X、±Y方向放置的定子单元第一定子磁极缠绕内线圈(112)，第三定子磁极缠绕外线圈(113)，沿±45°与±135°分布的定子单元在第二定子磁极缠绕中线圈(111)。

所述的下轴向磁轴承(3)与所述的上轴向磁轴承(2)具有相同结构，与所述的上轴向磁轴承(2)对称放置。

所述的径轴一体化传感器(5)具有4个正交放置的径向探头，完成轮体(10)的两个径向平动广义位移的检测。具有4个正交放置的轴向探头，完成轮体(10)的轴向平动、绕X轴径向转动和绕Y轴径向转动三个广义位移的检测。

所述的内框角位置传感器(20)和外框角位置传感器(27)采用旋转变压器，也可以采用光电码盘。

上述方案的原理是：双框架控制力矩陀螺由高速转子系统、内框架系统和外框架系统三部分组成，内框架系统和外框架系统转轴的轴线相互垂直，高速转子系统的质心位于内外框架系统转轴轴线的交点。高速转子系统的转速控制部分控制转子转速恒定，提供角动量。内框架系统和外框架系统的转动改变高速转子的角动量方向，从而利用陀螺效应输出力矩，陀螺力矩值等于高速转子角动量矢量与框架转速矢量的叉积。其中，改变内框架的角度可以使得高速转子作一个自由度的进动，改变外框架的角度可以使得高速转子作另一个自由度的进动，这样通过内框架系统和外框架系统的综合作用控制高速转子两个自由度的进动，产生两个自由度的陀螺力矩。通过一个双框架控制力矩陀螺可对航天器的两个自由度姿态进行控制，通过两个双框架控制力矩陀螺可对航天器的三个自由度姿态进行控制。

高速转子系统所用径向磁轴承的控制原理为：通过控制上下两组定子铁心磁极X和Y通道的线圈电流，实现磁轴承两个径向平动方向(X和Y方向)的控制。定子永磁体给磁轴承提供永磁偏置磁场，承担磁轴承所受的径向力，线圈所产生的磁场起调节作用，用来改变每极下磁场的强弱，保持磁轴承定转子气隙均匀，并使转子得到无接触支撑。其永磁磁路为：磁通从定子永磁体N极出发，经过上部定子导磁环，上定子铁心，上端气隙，上端转子铁心，转子导磁体，下端转子铁心，下端气隙，下端定子铁心，下部定子导磁环，回到定子永磁体的S极构成闭合回路，如附图2所示。电磁磁路为(以Y+方向为例)：磁通从线圈中心，即定子铁心出发，经过气隙，转子铁心，另外三个方向的气隙，回到定子铁心构成闭合回路，如附图3所示。例如当高速转子发生沿Y+方向平动时，Y+方向定子线圈通入控制电流产生与永磁体偏置磁场方向相同的磁场，增强电磁力，Y－方向的定子线圈通入控制电流产生与永磁体偏置磁场方向相反的磁场，削弱电磁力，使得转子向Y-方向移动，回到平衡位置。

轴向磁轴承的控制原理为：上轴向磁轴承和下轴向磁轴承的轴向磁轴承定子单元缠绕的所有线圈首先通入偏置电流产生偏置磁场，当转子发生轴向平动或径向偏转时，线圈中通入控制电流改变电磁力使得转子恢复平衡。其中沿±45°和±135°方向的轴向磁轴承定子单元控制转子轴向平动，沿±X，±Y方向放置的轴向磁轴承定子单元控制转子沿径向上的偏转运动。上轴向磁轴承沿±45°和±135°方向的轴向磁轴承定子单元构成的电磁磁路为：从“E”字型定子中间的第二定子磁极出发，经过上端中部气隙，上轴向推力盘的“山”字型结构中间的凸出部分，再经过“山”字型两侧的凹陷部分，上端气隙，回到“E”字型定子两侧的第一定子磁极和第三定子磁极，再回到线圈中心即“E”字型定子中间的第二定子磁极，构成闭合回路，如附图5a所示。下轴向磁轴承沿±45°和±135°方向轴向磁轴承定子单元构成的磁路与上轴向磁轴承沿±45°和±135°方向的轴向磁轴承定子单元构成的磁路相同，如附图5b所示。当转子沿Z+方向发生轴向平移时，Z+方向上轴向磁轴承与上推力盘之间磁间隙增大，Z-方向下轴向磁轴承与下推力盘之间磁间隙减小，上轴向磁轴承沿±45°和±135°方向的轴向磁轴承定子单元的第二定子磁极绕制的中线圈通入与偏置电流相同方向的控制电流，增强电磁力，下轴向磁轴承沿±45°和±135°方向的轴向磁轴承定子单元的第二定子磁极绕制的中线圈通入与偏置电流相反方向的控制电流，削弱电磁力，使转子回到平衡位置；当转子沿Z－方向发生轴向平移时，作用原理与沿Z+方向发生平移时类似。

当转子发生径向偏转时，上轴向磁轴承沿±X，±Y方向放置的轴向磁轴承定子单元，与下轴向磁轴承沿±X，±Y方向放置的轴向磁轴承定子单元组合使用，通过外线圈电流和内线圈电流产生磁场，独立改变各个线圈的电流值改变电磁力实现转子的径向偏转运动。内线圈产生的电磁磁路分为两部分：第一部分从内线圈中心即“E”字型定子内侧的凸出磁极即第一定子磁极中心出发，经过上端内侧气隙，上轴向推力盘的“山”字型内侧的凹陷部分，再经过“山”字型中间的凸出部分，上端中部气隙，回到“E”字型定子中部的凹陷磁极即第二定子磁极，再回到内线圈中心，构成闭合回路。第二部分从内线圈中心即“E”字型定子内侧的凸出磁极即第一定子磁极中心出发，经过上端内侧气隙，上轴向推力盘的“山”字型内侧的凹陷部分，再经过“山”字型外侧的凹陷部分，上端外侧气隙，回到“E”字型定子外侧的凸出磁极即第三定子磁极，再回到内线圈中心，构成闭合回路，如附图6a所示。下轴向磁轴承沿±X，±Y方向的轴向磁轴承定子单元构成的磁路与上轴向磁轴承沿±X，±Y方向的轴向磁轴承定子单元构成的磁路相同，如附图6b所示。外线圈产生的电磁磁路也分为两部分：第一部分从外线圈中心即“E”字型定子外侧的凸出磁极即第三定子磁极出发，经过“E”字型定子中部的凹陷磁极即第二定子磁极，上端中部气隙，上轴向推力盘的“山”字型中部的凸出部分，再经过“山”字型外侧的凹陷部分，上端外侧气隙，回到“E”字型定子外侧的凸出磁极即第三定子磁极，再回到外线圈中心，构成闭合回路，第二部分从外线圈中心即“E”字型定子外侧的凸出磁极即第三定子磁极出发，经过“E”字型定子内侧的凸出磁极即第一定子磁极，经过上端内侧气隙，上轴向推力盘的“山”字型内侧的凹陷部分，再经过“山”字型外侧的凹陷部分，上端外侧气隙，回到“E”字型定子外侧的凸出磁极即第三定子磁极，再回到外线圈中心，构成闭合回路，如附图7a所示。下轴向磁轴承沿±X，±Y方向的轴向磁轴承定子单元构成的磁路与上轴向磁轴承沿±X，±Y方向的轴向磁轴承定子单元构成的磁路相同，如附图7b所示。当内外线圈同时工作时，磁路由内外线圈产生的磁通共同形成，内外线圈产生的磁通在外侧气隙和内侧气隙处方向相同，相互叠加，在中部气隙处方向相反，相互抵消。通常情况下，第三定子磁极绕制的外线圈与第一定子磁极绕制的内线圈通入的偏置电流大小相同，方向相反，以产生相同方向的磁场；设计时通常要使第三定子磁极绕制的外线圈匝数大于第一定子磁极绕制的内线圈匝数，这样可使内外线圈同时工作时在中部气隙处产生的磁通经相互抵消后的方向与外线圈单独作用时的磁通方向相同，所以内外线圈同时工作时的磁路图与外线圈单独工作时相同，如附图7a和7b所示，但各气隙间磁通大小与外线圈单独作用时不同。

当内框架转动使得转子绕Y轴发生小角度(0-0.8°)偏转时，上端X+方向上轴向磁轴承定子单元与上推力盘之间磁间隙减小，X-方向上轴向磁轴承定子单元与上推力盘之间磁间隙增大，下端X+方向下轴向磁轴承定子单元与下推力盘之间磁间隙增大，X-方向下轴向磁轴承定子单元与下推力盘之间磁间隙减小，此时上轴向磁轴承沿X+方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极绕制的内线圈通入与偏置电流方向相反的控制电流，使得电磁力减小，沿X-方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极绕制的内线圈通入与偏置电流方向相同的控制电流，使得电磁力增大，与此同时，下轴向磁轴承沿X+方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极绕制的内线圈通入与偏置电流方向相同的控制电流，使得电磁力增大，沿X-方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极绕制的内线圈通入与偏置电流方向相反的控制电流，使得电磁力减小，上下轴向磁轴承配合工作控制电磁力，产生Y轴负方向力矩，维持转子平衡；

当外框架转动使得转子绕Y轴发生较大角度(0.8-1.6°)偏转时，上端X+方向上轴向磁轴承定子单元与上推力盘之间磁间隙减小，X-方向上轴向磁轴承定子单元与上推力盘之间磁间隙增大，下端X+方向下轴向磁轴承定子单元与下推力盘之间磁间隙增大，X-方向下轴向磁轴承定子单元与下推力盘之间磁间隙减小，此时，上轴向磁轴承沿X+方向放置的轴向磁轴承定子单元的第三定子磁极绕制的外线圈通入与偏置电流方向相反的控制电流，使得电磁力减小，沿X-方向放置的轴向磁轴承定子单元的第三定子磁极绕制的外线圈通入与偏置电流方向相同的控制电流，使得电磁力增大，下轴向磁轴承沿X+方向放置的轴向磁轴承定子单元的第三定子磁极绕制的外线圈通入与偏置电流方向相同的控制电流，使得电磁力增大，沿X-方向放置的轴向磁轴承定子单元的第三定子磁极绕制的外线圈通入与偏置电流方向相反的控制电流，使得电磁力减小，从而产生沿Y轴负方向的力矩；

当内外框架同时转动使得转子绕Y轴发生大角度(1.6-2.0°)偏转时，上端X+方向上轴向磁轴承定子单元与上推力盘之间磁间隙减小，X-方向上轴向磁轴承定子单元与上推力盘之间磁间隙增大，下端X+方向下轴向磁轴承定子单元与下推力盘之间磁间隙增大，X-方向下轴向磁轴承定子单元与下推力盘之间磁间隙减小，上轴向磁轴承沿X+方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极绕制的内线圈与第三定子磁极绕制的外线圈同时通入与偏置电流方向相反的控制电流，使得电磁力减小，沿X-方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极绕制的内线圈与第三定子磁极绕制的外线圈同时通入与偏置电流方向相同的控制电流，使得电磁力增大，下轴向磁轴承沿X+方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极绕制的内线圈与第三定子磁极绕制的外线圈同时通入与偏置电流方向相同的控制电流，使得电磁力增大，沿X-方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极绕制的内线圈与第三定子磁极绕制的外线圈同时通入与偏置电流方向相反的控制电流，使得电磁力减小，从而产生沿Y轴负方向的力矩，使得转子平衡。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用径向磁轴承和轴向磁轴承共同实现双框架磁悬浮控制力矩陀螺两个径向平动，两个径向偏转和一个轴向平动的控制；本发明所述的轴向磁轴承具有“E”字型定子结构，设计有三个磁极，三个磁极均缠绕线圈，±45°和±135°方向的轴向磁轴承定子单元只在第二定子磁极缠绕线圈，±X和±Y方向的轴向磁轴承定子单元在第一定子磁极和第三定子磁极缠绕线圈，提高了控制平动线圈和控制偏转运动线圈的空间利用率，提高了轴承的承载能力以及偏转控制的能力；本发明所述的八组“E”字型定子，其中四组沿±X方向和±Y方向放置的“E”字型定子实现转子组件的两个径向偏转控制，另外四组沿±45°和±135°方向放置的“E”字型定子专门用以实现轴向平动控制，可以大幅降低磁轴承结构的体积和重量。另外，本发明的上保护轴承和下保护轴承大小不同，便于双框架磁悬浮控制力矩陀螺内部轮体的拆卸。

附图说明

图1为本发明的五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺示意图；

图2为本发明的径向磁轴承轴向截面图；

图3为本发明的径向磁轴承端面图；

图4为本发明的轴向磁轴承三维结构图；

图5为本发明控制轴向平动轴向磁轴承磁路图，其中图5a为上轴向磁轴承沿±45°和±135°方向的轴向磁轴承定子单元构成的电磁磁路，图5b为下轴向磁轴承沿±45°和±135°方向的轴向磁轴承定子单元构成的电磁磁路；

图6为本发明控制径向转动轴向磁轴承内线圈产生磁路图，其中图6a为上轴向磁轴承沿±X，±Y方向放置的轴向磁轴承定子单元内线圈产生的电磁磁路，图6b为下轴向磁轴承沿±X，±Y方向放置的轴向磁轴承定子单元内线圈产生的电磁磁路；

图7为本发明控制径向转动轴向磁轴承外线圈产生磁路图及内外线圈同时工作产生磁路图，其中图7a为上轴向磁轴承沿±X，±Y方向放置的轴向磁轴承定子单元外线圈单独工作及内外线圈同时工作产生的电磁磁路，图7b为下轴向磁轴承沿±X，±Y方向放置的轴向磁轴承定子单元外线圈单独工作及内外线圈同时工作产生的电磁磁路；

图8为本发明的五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺中高速电机结构图；

图9为本发明的五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺的径轴一体化传感器结构图；

图10为本发明的五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺的内框框架电机示意图；

图11为本发明的内框架结构图；

图12为本发明的外框架结构图。

具体实施方式

如图1所示，一种五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，由径向磁轴承(1)、上轴向磁轴承(2)、下轴向磁轴承(3)、高速电机(4)、径轴一体化传感器(5)、径向传感器(6)、上保护轴承(7)、下保护轴承(8)、芯轴(9)、轮体(10)、底座(11)、上轴向推力盘(12)、下轴向推力盘(13)、壳体(14)、内框框架芯轴(15)、内框框架电机(16)、内框框架(17)、内框框架电机轴(18)，内框机械轴承(19)、内框角位置传感器(20)、内框滑环(21)、外框框架芯轴(22)、外框框架电机(23)、外框框架(24)、外框框架电机轴(25)，外框机械轴承(26)、外框角位置传感器(27)、外框滑环(28)组成，其中芯轴(9)位于壳体(14)的中心，径向磁轴承(1)的定子部分套放在芯轴(9)上，径向磁轴承(1)定子部分的上端是上轴向磁轴承(2)，上轴向磁轴承(2)由八个轴向磁轴承定子单元组成，每个轴向磁轴承定子单元呈“E”字型，上轴向磁轴承(2)的上端是上保护轴承(7)，上轴向磁轴承(2)和上保护轴承(7)均固定在芯轴(9)上，上保护轴承(7)的径向外侧是上轴向推力盘(12)，上轴向推力盘(12)为“山”字型结构，其内侧和外侧为凹陷部分，中部为凸起部分；上保护轴承(7)与上轴向推力盘(12)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，上轴向推力盘(12)径向外侧是径轴一体化传感器(5)，其中上轴向推力盘(12)与径轴一体化传感器(5)的径向探头之间形成径向探测间隙，上轴向推力盘(12)与径轴一体化传感器(5)的轴向探头之间形成轴向探测间隙，径轴一体化传感器(5)通过传感器座与芯轴(9)固连；径向磁轴承(1)定子的下端是下轴向磁轴承(3)，下轴向磁轴承(3)由八个轴向磁轴承定子单元组成，每个轴向磁轴承定子单元呈“E”字型，下轴向磁轴承(3)的下端为下轴向推力盘(13)，下轴向推力盘(13)上存在“山”字型凹槽，下轴向推力盘(13)的下端为下保护轴承(8)，下轴向磁轴承(3)和下保护轴承(8)也固定在芯轴(9)上，下保护轴承(8)和下轴向推力盘(13)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，下轴向推力盘(13)的径向外侧是径向传感器(6)，下轴向推力盘(13)与径向传感器(6)的探头部分之间形成径向探测间隙，径向传感器(6)通过传感器座与底座(11)固连，底座(11)通过连接板固定高速电机(4)定子部分，高速电机(4)定子的外侧为外转子铁心，内侧为内转子铁心，外转子铁心和内转子铁心均安装在轮体(10)的下部，高速电机(4)的定子分别与内转子铁心和外转子铁心之间形成内侧磁间隙和外侧磁间隙，轮体(10)内侧固连径向磁轴承(1)的转子部分，两者采用过盈配合，轮体(10)的外部是壳体(14)，壳体(14)与底座(11)通过螺钉连接将轮体密封；内框框架芯轴(15)的右端与壳体(14)的凹槽连接，左端通过内框机械轴承(19)与内框框架(17)的左端固连，内框框架(17)的右端通过过盈配合与内框框架电机(16)的定子部分连接，内框框架电机(16)的转子部分与内框框架电机轴(18)的右端相连，内框框架电机轴(18)的左端与壳体(14)相连，内框框架(17)的最左端与内框角位置传感器(20)的定子部分相连，内框角位置传感器(20)的定子部分与内框滑环(21)的定子外环相连，内框角位置传感器(20)的转子部分以及内框滑环(21)的转子与内框框架芯轴(15)固连；内框框架(17)的上端与外框框架芯轴(22)的下端连接，外框框架芯轴(22)的上端与外框框架(24)通过外框机械轴承(26)固连，外框框架(24)的下端与外框框架电机(23)的定子部分相连，外框框架电机(23)的转子部分与外框框架电机轴(25)的下端相连，外框框架电机轴(25)的上端与内框框架(17)相连，外框框架(24)的最上端与外框角位置传感器(27)的定子相连，外框角位置传感器(27)的定子与外框滑环(28)的定子相连；外框角位置传感器(27)的转子以及外框滑环(28)的转子部分与外框框架芯轴(22)上端固连。

所述的径向磁轴承(1)由定子导磁环(101)、定子永磁体(102)、定子铁心(103)、线圈(104)、转子导磁环(105)、转子铁心(106)、气隙(107)组成，如图2和图3所示，其中每个定子铁心(103)由±X、±Y方向4个磁极组成，两个定子铁心(103)组成磁轴承上下两端8个磁极，每个定子铁心(103)的磁极上绕制有线圈(104)，定子铁心(103)外部为转子铁心(106)，转子铁心(106)内表面与定子铁心(103)外表面留有一定的间隙，形成气隙(107)，转子铁心(106)外部为转子导磁体(105)，定子铁心(103)的径向内部为定子导磁环(101)，上下定子导磁环(101)中间是定子永磁体(102)。

所述的上轴向磁轴承(2)由八个轴向磁轴承定子单元组成，如图4所示，每个轴向磁轴承定子单元呈“E”字型，由三个定子磁极构成，内侧磁极是凸出的第一定子磁极，中间磁极是凹陷的第二定子磁极，外侧磁极是凸出的第三定子磁极，分别与上轴向推力盘(12)的“山”字型结构的内侧凹陷，中部凸起，外侧凹陷形成内侧气隙，中部气隙，外侧气隙。八个轴向磁轴承定子单元分别沿±X、±Y、±45°与±135°方向布置，其中±X、±Y方向放置的定子单元第一定子磁极缠绕内线圈(112)，第三定子磁极缠绕外线圈(113)，沿±45°与±135°分布的定子单元在第二定子磁极缠绕中线圈(111)。

所述的下轴向磁轴承(3)与所述的上轴向磁轴承(2)具有相同结构，与所述的上轴向磁轴承(2)对称放置。

所述的径轴一体化传感器(5)具有4个正交放置的径向探头，完成轮体(10)的两个径向平动广义位移的检测。具有4个正交放置的轴向探头，完成轮体(10)的轴向平动、绕X轴径向转动和绕Y轴径向转动三个广义位移的检测。

所述的内框角位置传感器(20)和外框角位置传感器(27)采用旋转变压器，也可以采用光电码盘。

上述本发明技术方案所用的定子导磁环(101)、转子导磁环(105)、均为实心结构，采用导磁性能良好的材料制成，如电工纯铁、各种碳钢、铸铁、铸钢、合金钢、1J50和1J79等磁性材料等。定子铁心(103)、转子铁心(106)可用导磁性能良好的材料如电工纯铁、电工硅钢板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79等磁性材料冲压叠制而成。定子永磁体(102)的材料为磁性能良好的稀土永磁体、钕铁硼永磁体或铁氧体永磁体，定子永磁体(102)为轴向圆环，沿轴向充磁。中线圈(111)、内线圈(112)、外线圈(113)和线圈(104)均采用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。另外，由于永磁体产生的磁场通过定子铁心磁极在转子铁心中产生的磁场是大小变化的，因此在转子高速旋转时会产生涡流损耗，为减小这部分损耗，定子铁心(106)的磁极应采用极靴形式(如图3所示)以减小高速下的涡流损耗。

本实施例中，所述的双框架磁悬浮控制力矩陀螺的转子质量为24kg，总体质量为49kg，壳体与底座所包围体积为78400mm³，本发明所述轴向磁轴承的具体实施结构尺寸为：第一定子磁极内径152mm，第一定子磁极外径166mm，第二定子磁极内径182mm，第二定子磁极外径198mm，第三定子磁极内径214mm，第三定子磁极外径228mm。定子磁极输出力矩的力臂为磁极中心到定子圆心的距离，第一定子磁极输出力矩的力臂为80mm，第二定子磁极输出力矩的力臂为95mm，第三定子磁极输出力矩的力臂为105mm。上端内侧磁间隙，上端中部磁间隙和上端外侧磁间隙均为0.8mm，下端内侧磁间隙，下端中部磁间隙和下端外侧磁间隙均为0.8mm，沿±45°和±135°方向放置的轴向磁轴承定子单元中线圈匝数200匝，线圈的线径为0.25mm，偏置电流0.6A；沿±X，±Y方向放置的轴向磁轴承定子单元内线圈匝数200匝，内线圈的线径为0.25mm，内线圈偏置电流0.8A，外线圈匝数240匝，外线圈的线径为0.25mm，外线圈偏置电流0.8A。径向磁轴承的具体实施结构尺寸为：定子铁心内径142mm，定子铁心外径218mm，定子铁心轴向长度110mm，转子铁心内径219.6mm，转子铁心外径256mm，转子铁心轴向长度115mm，定转子之间气隙为0.8mm，径向磁轴承两个定子铁心之间的跨距为63mm。对于传统五自由度磁悬浮控制力矩陀螺结构，是由两个径向磁轴承配合工作输出力矩，具体实施尺寸为：定子铁心内径160mm，定子铁心外径246mm，转子铁心内径247.6mm，转子铁心外径282mm，定转子之间气隙为0.8mm，两个径向磁轴承之间跨距为90mm，线圈绕至在径向磁轴承定子磁极上，线圈体积与径向磁轴承所占总空间的比值为12％，本发明所述结构的轴向磁轴承定子单元存在三个磁极，沿±X，±Y方向的轴向磁轴承定子单元分别在第一定子磁极和第三定子磁极上绕至线圈，线圈体积与轴承所占总空间的比值为30％，本发明所述结构提高了空间利用率，同时重量减轻28％。

当转子处于平衡位置时，沿±45°和±135°方向放置上轴向磁轴承定子单元缠绕线圈中通入与偏置电流方向相同的控制电流0.2A，对于±45°和±135°方向任一轴向上磁轴承定子单元，第一定子磁极产生沿Z+方向电磁力25N，第二定子磁极产生沿Z+方向电磁力76N，第三定子磁极产生沿Z+方向电磁力31N，沿±45°和±135°方向放置下轴向磁轴承定子单元缠绕线圈中通入与偏置电流方向相反的控制电流0.2A，第一定子磁极产生沿Z-方向电磁力14N，第二定子磁极产生沿Z-方向电磁力40N，第三定子磁极产生沿Z-方向电磁力18N，四个定子单元共产生240N沿Z+方向的电磁力，用来承重；沿±X，±Y方向放置轴向磁轴承定子单元缠绕所有线圈中只通入偏置电流，对于±X，±Y方向任一轴向磁轴承定子单元，第一定子磁极产生沿Z方向电磁力64N，第二定子磁极产生沿Z方向电磁力11N，第三定子磁极产生沿Z方向电磁力84N，由于结构上下对称，并不产生力矩；

当内框架以5°/s角速度旋转使得转子绕Y轴偏转0.5°时，转子输出力矩13.2N·m，X+方向的上轴向磁轴承定子单元内线圈工作通入与偏置电流反向的控制电流0.32A，第一定子磁极产生沿Z+方向电磁力37N，第二定子磁极产生沿Z+方向电磁力9N，第三定子磁极产生沿Z+方向电磁力47N，X-方向的上轴向磁轴承定子单元内线圈工作通入与偏置电流同向控制电流0.32A，第一定子磁极产生沿Z+方向电磁力113N，第二定子磁极产生沿Z+方向电磁力5N，第三定子磁极产生沿Z+方向电磁力128N，X+方向下轴向磁轴承定子单元作用力与X-上轴向磁轴承定子单元作用力大小相等，方向沿Z-方向，X-方向下轴向磁轴承定子单元作用力与X+上轴向磁轴承定子单元作用力大小相等，方向沿Z-方向，上下轴向磁轴承配合工作，X+方向和X-方向的轴向磁轴承定子单元共产生Y轴负方向13.6N·m力矩维持转子平衡；相同条件下，当壳体与底座所包围体积相同时，传统五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺结构采用两个径向磁轴承控制偏转，输出电磁力为97N，两个径向磁轴承之间跨距为90mm，产生8.7N·m力矩，同等体积下本发明所述结构相较传统结构输出力矩增加1.55倍。

当外框架以5°/s角速度旋转时，转子偏转1.1°，转子输出力矩17.7N·m，X+方向的上轴向磁轴承定子单元外线圈工作通入与偏置电流反向的控制电流0.3A，第一定子磁极产生沿Z+方向电磁力35N，第二定子磁极产生沿Z+方向电磁力6N，第三定子磁极产生沿Z+方向电磁力31N，X-方向的上轴向磁轴承定子单元外线圈工作通入与偏置电流同向的控制电流0.3A，第一定子磁极产生沿Z+方向电磁力106N，第二定子磁极产生沿Z+方向电磁力4N，第三定子磁极产生沿Z+方向电磁力177N，X+方向下轴向磁轴承定子单元作用力与X-上轴向磁轴承定子单元作用力大小相等，方向沿Z-方向，X-方向下轴向磁轴承定子单元作用力与X+上轴向磁轴承定子单元作用力大小相等，方向沿Z-方向，上下轴向磁轴承配合工作，X+方向和X-方向的轴向磁轴承定子单元共产生Y轴负方向18.2N·m力矩维持转子平衡；相同条件下，当壳体与底座所包围体积相同时，传统五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺结构采用两个径向磁轴承控制偏转，输出电磁力为113N，两个径向磁轴承之间跨距为90mm，产生10.2N·m力矩，同等体积下本发明所述结构相较传统结构输出力矩增加1.78倍。

当内外框架同时以5°/s角速度旋转，使得转子绕Y轴偏转1.6°时，内外线圈同时工作，转子输出力矩27.1N·m，X+方向的上轴向磁轴承定子单元内线圈通入与偏置电流同向的控制电流0.27A，外线圈通入与偏置电流反向的控制电流0.35A，第一定子磁极产生沿Z+方向电磁力76N，第二定子磁极产生沿Z+方向电磁力10N，第三定子磁极产生沿Z+方向电磁力82N，X-方向的上轴向磁轴承定子单元内线圈通入与偏置电流同向的控制电流0.27A，外线圈通入与偏置电流同向的控制电流0.35A，第一定子磁极产生沿Z+方向电磁力201N，第二定子磁极产生沿Z+方向电磁力14N，第三定子磁极产生沿Z+方向电磁力253N，X+方向下轴向磁轴承定子单元作用力与X-上轴向磁轴承定子单元作用力大小相等，方向沿Z-方向，X-方向下轴向磁轴承定子单元作用力与X+上轴向磁轴承定子单元作用力大小相等，方向沿Z-方向，上下轴向磁轴承配合工作，X+方向和X-方向的轴向磁轴承定子单元共产生Y轴负方向27.6N·m力矩维持转子平衡；相同条件下，当壳体与底座所包围体积相同时，传统五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺结构采用两个径向磁轴承控制偏转，输出电磁力为152N，两个径向磁轴承之间跨距为90mm，产生13.7N·m力矩，同等体积下本发明所述结构相较传统结构输出力矩增加2.02倍。

图8为本发明的高速电机(4)轴向剖面图，由电机杯形定子(201)、电机外转子压板(202)、外转子叠层(203)、磁钢(204)、内转子叠层(205)和内转子压板(206)组成，磁钢(204)的径向外侧是外转子叠层(203)，外转子叠层(203)和磁钢(204)的轴向下端安装有电机外转子压板(202)，磁钢(204)的径向内侧是内转子叠层(205)，内转子叠层(205)的轴向下端安装有内转子压板(206)。其中杯形定子(201)为电机静止部分，其余为转动部分，杯形定子(201)位于磁钢(204)和内转子叠层(205)之间，通过螺钉以及连接板与底座(11)固连。

图9为本发明的径轴一体化传感器(5)的示意图，该位移传感器由探头(301)～探头(308)与传感器外壳(309)两部分组成，其中探头(301)、探头(303)、探头(305)和探头(307)在轴向端面上分别沿±X，±Y方向均匀放置，构成轴向探头，探头(302)、探头(304)、探头(306)和探头(308)在径向圆周上分别沿±X，±Y方向均匀放置，构成径向探头。轴向探头完成轴向平动和两个绕径向转动三个广义位移的检测，径向探头完成两个径向平动位移的检测。传感器外壳(309)屏蔽电磁干扰，内部为检测电路，完成转子位移信息的提取。本发明的传感器探头的放置方式不是唯一的，只要保证4个径向探头正交以及4个轴向探头正交即可，径向探头与轴向探头的相对位置可任意。

图10所示的内框框架电机(16)主要由定子叠层(141)、定子绕组(142)、转子磁钢(143)、转子铁心(144)、转子压板(145)，其中定子叠层(141)和定子绕组(142)为框架电机静止部分，其余为转动部分。其中转子铁心(144)采用导磁性好的1J22棒材制成。定子叠层(141)与内框框架(17)过盈配合，转子磁钢(143)与转子铁心(144)过盈配合，转子铁心(144)与内框框架芯轴(15)通过过盈配合相连，外框框架电机(23)的结构与内框框架电机(16)完全相同。

图11为本发明的内框架结构图，采用对称结构，总体呈八边形，设计有上下左右四个连接端，上端连接外框框架芯轴(22)，下端连接外框框架电机(23)的电机轴、左端内框框架芯轴(15)轴承座，右端连接内框框架电机(16)的电机轴轴承座，连接端之间的框架一侧采用网状结构减轻重量，另一侧设计有凹槽用来放置控制电机和磁轴承的电路板。

图12为本发明的外框架结构图，采用非对称结构，设计上下有两个连接端，上端连接外框框架芯轴(22)，下端连接外框框架电机(23)，两个连接端间连接框架呈圆弧形，采用网架结构以减轻重量，外框架上下端设计有耳板，耳板上设计有通孔，用来固定外框架。

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 (5)

1.一种五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：由径向磁轴承(1)、上轴向磁轴承(2)、下轴向磁轴承(3)、高速电机(4)、径轴一体化传感器(5)、径向传感器(6)、上保护轴承(7)、下保护轴承(8)、芯轴(9)、轮体(10)、底座(11)、上轴向推力盘(12)、下轴向推力盘(13)、壳体(14)、内框框架芯轴(15)、内框框架电机(16)、内框框架(17)、内框框架电机轴(18)，内框机械轴承(19)、内框角位置传感器(20)、内框滑环(21)、外框框架芯轴(22)、外框框架电机(23)、外框框架(24)、外框框架电机轴(25)，外框机械轴承(26)、外框角位置传感器(27)、外框滑环(28)组成，其中芯轴(9)位于壳体(14)的中心，径向磁轴承(1)的定子部分套放在芯轴(9)上，径向磁轴承(1)定子部分的上端是上轴向磁轴承(2)，上轴向磁轴承(2)由八个轴向磁轴承定子单元组成，每个轴向磁轴承定子单元呈“E”字型，上轴向磁轴承(2)的上端是上保护轴承(7)，上轴向磁轴承(2)和上保护轴承(7)均固定在芯轴(9)上，上保护轴承(7)的径向外侧是上轴向推力盘(12)，上轴向推力盘(12)为“山”字型结构，其内侧和外侧为凹陷部分，中部为凸起部分；所述的上轴向磁轴承(2)由八个轴向磁轴承定子单元组成，轴向磁轴承定子单元呈“E”字型，由三个定子磁极构成，内侧磁极是凸出的第一定子磁极，中间磁极是凹陷的第二定子磁极，外侧磁极是凸出的第三定子磁极，分别与上轴向推力盘(12)的“山”字型结构的内侧凹陷，中部凸起，外侧凹陷形成内侧气隙，中部气隙，外侧气隙，八个轴向磁轴承定子单元分别沿±X、±Y、±45°与±135°方向布置，其中±X、±Y方向放置的定子单元第一定子磁极缠绕内线圈(112)，第三定子磁极缠绕外线圈(113)，沿±45°与±135°分布的定子单元在第二定子磁极缠绕中线圈(111)；上保护轴承(7)与上轴向推力盘(12)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，上轴向推力盘(12)径向外侧是径轴一体化传感器(5)，其中上轴向推力盘(12)与径轴一体化传感器(5)的径向探头之间形成径向探测间隙，上轴向推力盘(12)与径轴一体化传感器(5)的轴向探头之间形成轴向探测间隙，径轴一体化传感器(5)通过传感器座与芯轴(9)固连；径向磁轴承(1)定子的下端是下轴向磁轴承(3)，下轴向磁轴承(3)由八个轴向磁轴承定子单元组成，每个轴向磁轴承定子单元呈“E”字型，下轴向磁轴承(3)的下端为下轴向推力盘(13)，下轴向推力盘(13)上存在“山”字型凹槽，下轴向推力盘(13)的下端为下保护轴承(8)，下轴向磁轴承(3)和下保护轴承(8)也固定在芯轴(9)上，下保护轴承(8)和下轴向推力盘(13)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，下轴向推力盘(13)的径向外侧是径向传感器(6)，下轴向推力盘(13)与径向传感器(6)的探头部分之间形成径向探测间隙，径向传感器(6)通过传感器座与底座(11)固连，底座(11)通过连接板固定高速电机(4)定子部分，高速电机(4)定子的外侧为外转子铁心，内侧为内转子铁心，外转子铁心和内转子铁心均安装在轮体(10)的下部，高速电机(4)的定子分别与内转子铁心和外转子铁心之间形成内侧磁间隙和外侧磁间隙，轮体(10)内侧固连径向磁轴承(1)的转子部分，两者采用过盈配合，轮体(10)的外部是壳体(14)，壳体(14)与底座(11)通过螺钉连接将轮体密封；内框框架芯轴(15)的右端与壳体(14)的凹槽连接，左端通过内框机械轴承(19)与内框框架(17)的左端固连，内框框架(17)的右端通过过盈配合与内框框架电机(16)的定子部分连接，内框框架电机(16)的转子部分与内框框架电机轴(18)的右端相连，内框框架电机轴(18)的左端与壳体(14)相连，内框框架(17)的最左端与内框角位置传感器(20)的定子部分相连，内框角位置传感器(20)的定子部分与内框滑环(21)的定子外环相连，内框角位置传感器(20)的转子部分以及内框滑环(21)的转子与内框框架芯轴(15)固连；内框框架(17)的上端与外框框架芯轴(22)的下端连接，外框框架芯轴(22)的上端与外框框架(24)通过外框机械轴承(26)固连，外框框架(24)的下端与外框框架电机(23)的定子部分相连，外框框架电机(23)的转子部分与外框框架电机轴(25)的下端相连，外框框架电机轴(25)的上端与内框框架(17)相连，外框框架(24)的最上端与外框角位置传感器(27)的定子相连，外框角位置传感器(27)的定子与外框滑环(28)的定子相连；外框角位置传感器(27)的转子以及外框滑环(28)的转子部分与外框框架芯轴(22)上端固连。

2.根据权利要求1所述的五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：所述的径向磁轴承(1)由定子导磁环(101)、定子永磁体(102)、定子铁心(103)、线圈(104)、转子导磁环(105)、转子铁心(106)、气隙(107)组成，其中每个定子铁心(103)由±X、±Y方向4个磁极组成，两个定子铁心(103)组成磁轴承上下两端8个磁极，每个定子铁心(103)的磁极上绕制有线圈(104)，定子铁心(103)外部为转子铁心(106)，转子铁心(106)内表面与定子铁心(103)外表面留有一定的间隙，形成气隙(107)，转子铁心(106)外部为转子导磁体(105)，定子铁心(103)的径向内部为定子导磁环(101)，上下定子导磁环(101)中间是定子永磁体(102)。

3.根据权利要求1所述的五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：所述的下轴向磁轴承(3)与所述的上轴向磁轴承(2)具有相同结构，与所述的上轴向磁轴承(2)对称放置。

4.根据权利要求1所述的五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：所述的径轴一体化传感器(5)具有4个正交放置的径向探头，完成轮体(10)的两个径向平动广义位移的检测；具有4个正交放置的轴向探头，完成轮体(10)的轴向平动、绕X轴径向转动和绕Y轴径向转动三个广义位移的检测。

5.根据权利要求1所述的五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：所述的内框角位置传感器(20)和外框角位置传感器(27)采用旋转变压器，也可以采用光电码盘。

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