CN109515755B - 一种五自由度单框架磁悬浮控制力矩陀螺 - Google Patents

Abstract

一种五自由度单框架磁悬浮控制力矩陀螺，可作为长期在轨运行的大型卫星、空间站等大型航天器的姿态控制执行机构，由径向磁轴承、芯轴、上轴向磁轴承、下轴向磁轴承、上保护轴承、下保护轴承、上轴向推力盘、下轴向推力盘、径轴一体化传感器、径向传感器、底座、高速电机、轮体、壳体、框架芯轴、机械轴承、框架、框架电机、框架电机轴、角位置传感器和导电滑环组成。本发明中的径向磁轴承控制陀螺转子的径向平动，陀螺转子的轴向平动和偏转通过轴向磁轴承控制实现。本发明各个组件布局紧凑，减小了体积和重量，消除了轴承机械摩擦，能够有效地提高单框架控制力矩陀螺的寿命和控制精度。

Description

一种五自由度单框架磁悬浮控制力矩陀螺

技术领域

本发明涉及一种单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单框架磁悬浮控制力矩陀螺，可作为长期在轨运行的大型卫星、空间站等大型航天器的姿态控制执行机构。

背景技术

控制力矩陀螺是在大型卫星、对地观测平台、空间站等大型航天器上使用的一类姿态控制系统惯性执行机构，该执行机构需要输出大力矩、满足重量轻、小体积、高可靠性、高精度、寿命长、快响应速度、低功耗的要求。

目前航天器姿态控制系统执行机构中一般仍旧采用由机械轴承支承的控制力矩陀螺，而机械轴承从根本上限制了控制力矩陀螺转速的提高，因此在需要大角动量的情况下，必须增加控制力矩陀螺的重量及体积。此外，机械轴承存在机械磨损、不平衡振动不可控和过零摩擦力矩大等问题，严重影响了控制力矩陀螺的使用寿命以及航天器姿态控制的精度和稳定度。因此需要基于磁轴承支撑的单框架磁悬浮控制力矩陀螺作为大型航天器上的惯性执行机构。按照悬浮自由度的划分,现有的单框架磁悬浮控制力矩陀螺可分为单自由度单框架磁悬浮控制力矩陀螺～五自由度单框架磁悬浮控制力矩陀螺。其中现有的五自由度单框架磁悬浮控制力矩陀螺，通过两个径向磁轴承控制转子的两个径向偏转运动，然而，为了输出足够的力矩，往往需要增加两个径向磁轴承之间的跨距，使得芯轴长度增加，模态降低，转速提升易造成系统不稳定，振动加剧。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种五自由度单框架磁悬浮控制力矩陀螺，通过轴向磁轴承控制两个径向偏转运动，提高了其能量密度，减小体积和功耗，同时提高了输出力矩的能力。

本发明的技术解决方案为：一种五自由度单框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：由径向磁轴承(1)、芯轴(2)、上轴向磁轴承(3)、下轴向磁轴承(4)、上保护轴承(5)、下保护轴承(6)、上轴向推力盘(7)、下轴向推力盘(8)、径轴一体化传感器(9)、径向传感器(10)、底座(11)、高速电机(12)、轮体(13)、壳体(14)、框架芯轴(15)、机械轴承(16)、框架(17)、框架电机(18)、框架电机轴(19)，角位置传感器(20)、导电滑环(21)组成，其中径向磁轴承(1)位于壳体(14)中部，其定子部分套放在位于壳体(14)中心的芯轴(2)上；径向磁轴承(1)定子部分的上、下端分别是由八个轴向磁轴承定子单元组成的上轴向磁轴承(3)及下轴向磁轴承(4)，两者都固定在芯轴(2)上，其中每个轴向磁轴承定子单元呈“E”字型；上轴向磁轴承(3)的上端是上保护轴承(5)，下轴向磁轴承(4)的下端是下保护轴承(6)，上保护轴承(5)和下保护轴承(6)也固定在芯轴(2)上；上保护轴承(5)的径向外侧是上轴向推力盘(7)，上轴向推力盘(7)上存在“山”字型凹槽，下保护轴承(6)的径向外侧是下轴向推力盘(8)，下轴向推力盘(8)上存在“山”字型凹槽，上保护轴承(5)与上轴向推力盘(7)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，下保护轴承(6)与下轴向推力盘(8)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙；上轴向推力盘(7)径向外侧是径轴一体化传感器(9)，下轴向推力盘(8)的径向外侧是径向传感器(10)，其中上轴向推力盘(7)与径轴一体化传感器(9)的径向探头之间形成径向探测间隙，与轴向探头之间形成轴向探测间隙，径轴一体化传感器(9)通过传感器座与芯轴(2)固连，下轴向推力盘(8)与径向传感器(10)的探头部分之间形成径向探测间隙，径向传感器(10)通过传感器座与底座(11)固连；高速电机(12)定子部分跟底座(11)通过连接板固定在一起，高速电机(12)定子的外侧为外转子铁芯，内侧为内转子铁芯，外转子铁芯和内转子铁芯均安装在轮体(13)的下部，高速电机(12)的定子分别与内转子铁芯和外转子铁芯之间形成内侧磁间隙和外侧磁间隙；轮体(13)内侧采用过盈配合的方式固连径向磁轴承(1)的转子部分，轮体(13)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；框架芯轴(15)的右端连接壳体(14)的凹槽，中部通过机械轴承(16)连接框架(17)，框架电机(18)的定子部分通过过盈配合的方式与框架(17)右端进行连接，框架电机(18)的转子部分与框架电机轴(19)的右端相连，框架电机轴(19)的左端与壳体(14)相连，角位置传感器(20)的定子部分与框架(17)的左端相连，也与导电滑环(21)的定子外环相连，角位置传感器(20)的转子部分以及导电滑环(21)的转子与框架芯轴(15)固连。

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

所述的上轴向磁轴承(3)由八个轴向磁轴承定子单元(114)组成，每个轴向磁轴承定子单元(114)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(7)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。每个轴向磁轴承定子单元呈“E”字型，分别沿±X、±Y、±45°与±135°方向布置在上轴向磁轴承固定板(115)上。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(4)与所述的上轴向磁轴承(3)具有相同结构，与所述的上轴向磁轴承(3)对称放置。

所述的径轴一体化传感器(9)具有4个正交放置的径向探头和4个正交放置的轴向探头，其中径向探头完成轮体(13)的两个径向平动广义位移的检测。轴向探头完成轮体(13)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。

所述的角位置传感器(20)采用旋转变压器，也可以采用光电码盘。

上述方案的原理是：单框架控制力矩陀螺由高速转子系统、框架系统两部分组成，其中高速转子系统的质心位于框架系统转轴轴线的中心。高速转子系统的转速由转速控制部分进行控制，保持恒速状态，提供特定的角动量。高速转子的角动量方向随框架系统的转动改变而发生变化，从而利用陀螺效应输出力矩，其值等于高速转子角动量矢量与框架转速矢量的叉积。

高速转子系统所用径向磁轴承的控制原理为：磁轴承径向平动通过改变上下两组定子铁芯磁极的线圈电流大小进行控制。定子永磁体产生永磁磁场作为磁轴承的偏置磁场，通电线圈产生电磁场起到调节每极下磁场强弱的作用，使得磁轴承定转子间气隙保持恒定，并使转子无机械接触悬浮。其永磁磁路为：磁通从定子永磁体上部N端出发，经过上部定子导磁环，上定子铁芯，上端气隙，上端转子铁芯，转子导磁环，下端转子铁芯，下端气隙，下端定子铁芯，下部定子导磁环，回到定子永磁体下部的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，即定子铁芯出发，经过气隙，转子铁芯，另外三个方向的气隙，回到定子铁芯构成闭合回路，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电磁场与永磁体偏置磁场同向，使得磁场增强，增大电磁力，Y-方向的定子线圈通入控制电流产生电磁场与永磁体偏置磁场反向，使得磁场被削弱，减小电磁力，使得转子向Y-方向移动，从而使转子维持在平衡位置。

本发明所述轴向磁轴承的工作原理为：首先在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通入偏置电流产生偏置磁场，当转子发生径向偏转或轴向平动时，向线圈中通入控制电流改变电磁力大小维持转子在固定位置稳定悬浮。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，其电磁磁路为：从“E”字型定子中间的凹陷磁极即第二定子磁极出发，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”字型定子两侧的凸出磁极即第一和第三定子磁极，再回到线圈中心即“E”字型定子中间的凹陷磁极即第二定子磁极，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。例如当转子沿Z+方向发生轴向平移时，Z+方向磁间隙增大，Z-方向磁间隙减小，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为：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，经过内侧上端气隙，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，中部上端气隙，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，经过内侧上端气隙，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，外侧上端气隙，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为：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，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如附图7b所示，但各气隙间磁通大小与外线圈单独作用时不同。

例如当框架控制壳体以小角速度转动使得转子绕Y轴发生小角度(0～0.8°)偏转时，上端X+方向磁间隙增大，X-方向磁间隙减小，下端X+方向磁间隙减小，X-方向磁间隙增大，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，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，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；当框架控制壳体以大角速度使得转子绕Y轴发生较大角度(0.8～1.6°)偏转时，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，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，从而产生于沿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实现单框架磁悬浮控制力矩陀螺两个径向平动控制，利用两个轴向磁轴承共同实现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，提高空间利用率，同时提高轴承的承载能力以及对径向偏转的控制能力；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”字型定子控制转子组件的径向偏转，另外四组沿±45°和±135°方向放置的“E”字型定子控制转子的轴向平动，可以极大减小磁轴承结构的体积和重量。另外，本发明的上保护轴承直径小于下保护轴承，更加方便对单框架磁悬浮控制力矩陀螺内部轮体进行安装和拆卸。

附图说明

图1为本发明的五自由度单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为上轴向磁轴承和下轴向磁轴承沿±45°和±135°方向放置的轴向磁轴承定子单元构成的电磁磁路，其中图5a为上轴向磁轴承沿±45°和±135°方向放置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°方向放置的轴向磁轴承定子单元构成的电磁磁路；

图6为本发明控制径向偏转运动时轴向磁轴承定子单元内线圈通入电流后产生的磁路图；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为本发明控制径向偏转运动时轴向磁轴承定子单元外线圈通入电流时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单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单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单框架磁悬浮控制力矩陀螺的框架电机示意图；

图11为本发明的框架结构图。

具体实施方式

如图1所示，一种五自由度单框架磁悬浮控制力矩陀螺，由径向磁轴承(1)、芯轴(2)、上轴向磁轴承(3)、下轴向磁轴承(4)、上保护轴承(5)、下保护轴承(6)、上轴向推力盘(7)、下轴向推力盘(8)、径轴一体化传感器(9)、径向传感器(10)、底座(11)、高速电机(12)、轮体(13)、壳体(14)、框架芯轴(15)、机械轴承(16)、框架(17)、框架电机(18)、框架电机轴(19)，角位置传感器(20)、导电滑环(21)组成，其中径向磁轴承(1)位于壳体(14)中部，其定子部分套放在位于壳体(14)中心的芯轴(2)上；径向磁轴承(1)定子部分的上、下端分别是由八个轴向磁轴承定子单元组成的上轴向磁轴承(3)及下轴向磁轴承(4)，两者都固定在芯轴(2)上，其中每个轴向磁轴承定子单元呈“E”字型；上轴向磁轴承(3)的上端是上保护轴承(5)，下轴向磁轴承(4)的下端是下保护轴承(6)，上保护轴承(5)和下保护轴承(6)也固定在芯轴(2)上；上保护轴承(5)的径向外侧是上轴向推力盘(7)，上轴向推力盘(7)上存在“山”字型凹槽，下保护轴承(6)的径向外侧是下轴向推力盘(8)，下轴向推力盘(8)上存在“山”字型凹槽，上保护轴承(5)与上轴向推力盘(7)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，下保护轴承(6)与下轴向推力盘(8)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙；上轴向推力盘(7)径向外侧是径轴一体化传感器(9)，下轴向推力盘(8)的径向外侧是径向传感器(10)，其中上轴向推力盘(7)与径轴一体化传感器(9)的径向探头之间形成径向探测间隙，与轴向探头之间形成轴向探测间隙，径轴一体化传感器(9)通过传感器座与芯轴(2)固连，下轴向推力盘(8)与径向传感器(10)的探头部分之间形成径向探测间隙，径向传感器(10)通过传感器座与底座(11)固连；高速电机(12)定子部分跟底座(11)通过连接板固定在一起，高速电机(12)定子的外侧为外转子铁芯，内侧为内转子铁芯，外转子铁芯和内转子铁芯均安装在轮体(13)的下部，高速电机(12)的定子分别与内转子铁芯和外转子铁芯之间形成内侧磁间隙和外侧磁间隙；轮体(13)内侧采用过盈配合的方式固连径向磁轴承(1)的转子部分，轮体(13)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；框架芯轴(15)的右端连接壳体(14)的凹槽，中部通过机械轴承(16)连接框架(17)，框架电机(18)的定子部分通过过盈配合的方式与框架(17)右端进行连接，框架电机(18)的转子部分与框架电机轴(19)的右端相连，框架电机轴(19)的左端与壳体(14)相连，角位置传感器(20)的定子部分与框架(17)的左端相连，也与导电滑环(21)的定子外环相连，角位置传感器(20)的转子部分以及导电滑环(21)的转子与框架芯轴(15)固连。

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

所述的上轴向磁轴承(3)由八个轴向磁轴承定子单元(114)组成，每个轴向磁轴承定子单元(114)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(7)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。每个轴向磁轴承定子单元呈“E”字型，分别沿±X、±Y、±45°与±135°方向布置在上轴向磁轴承固定板(115)上。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(4)与所述的上轴向磁轴承(3)具有相同结构，与所述的上轴向磁轴承(3)对称放置。

所述的径轴一体化传感器(9)具有4个正交放置的径向探头和具有4个正交放置的轴向探头，其中径向探头完成轮体(13)的两个径向平动广义位移的检测。轴向探头完成轮体(13)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。

所述的角位置传感器(20)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)均为采用如电工纯铁、各种碳钢、铸铁、铸钢、合金钢、1J50和1J79等导磁性能良好的材料制成的实心结构。定子铁芯(103)、转子铁芯(106)均为采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)采用磁性能良好的稀土永磁体、钕铁硼永磁体或铁氧体永磁体等材料制成，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。定子铁芯(106)的磁极应采用极靴形式(如图3所示)以减小转子高速旋转下因转子铁芯磁场变化而产生的涡流损耗。

图8为本发明的高速电机(12)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。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，为电机静止部分，其余为转动部分。磁钢(204)的径向外侧是外转子叠层(203)，径向内侧是内转子叠层(205)。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)。内转子叠层(205)的轴向下端安装有内转子压板(206)。

图9为本发明的径轴一体化传感器(9)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所示的框架电机(18)主要由定子叠层(141)、定子绕组(142)、转子磁钢(143)、转子铁芯(144)、转子压板(145)组成。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。定子叠层(141)与框架(17)过盈配合，转子磁钢(143)与转子铁芯(144)过盈配合。转子铁芯(144)采用导磁性好的1J22棒材制成，与框架芯轴(15)通过过盈配合相连。

图11为本发明的框架结构图，采用对称结构，总体呈八边形，左右设计有两个连接端，每个连接端设计八个螺纹孔，分别用来连接框架芯轴(15)轴承座和框架电机(18)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。

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 (6)

1.一种五自由度单框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：由径向磁轴承(1)、芯轴(2)、上轴向磁轴承(3)、下轴向磁轴承(4)、上保护轴承(5)、下保护轴承(6)、上轴向推力盘(7)、下轴向推力盘(8)、径轴一体化传感器(9)、径向传感器(10)、底座(11)、高速电机(12)、轮体(13)、壳体(14)、框架芯轴(15)、机械轴承(16)、框架(17)、框架电机(18)、框架电机轴(19)，角位置传感器(20)、导电滑环(21)组成，其中径向磁轴承(1)位于壳体(14)中部，其定子部分套放在位于壳体(14)中心的芯轴(2)上；径向磁轴承(1)定子部分的上、下端分别是由八个轴向磁轴承定子单元组成的上轴向磁轴承(3)及下轴向磁轴承(4)，两者都固定在芯轴(2)上，其中每个轴向磁轴承定子单元呈“E”字型；上轴向磁轴承(3)的上端是上保护轴承(5)，下轴向磁轴承(4)的下端是下保护轴承(6)，上保护轴承(5)和下保护轴承(6)也固定在芯轴(2)上；上保护轴承(5)的径向外侧是上轴向推力盘(7)，上轴向推力盘(7)上存在“山”字型凹槽，下保护轴承(6)的径向外侧是下轴向推力盘(8)，下轴向推力盘(8)上存在“山”字型凹槽，上保护轴承(5)与上轴向推力盘(7)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，下保护轴承(6)与下轴向推力盘(8)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙；上轴向推力盘(7)径向外侧是径轴一体化传感器(9)，下轴向推力盘(8)的径向外侧是径向传感器(10)，其中上轴向推力盘(7)与径轴一体化传感器(9)的径向探头之间形成径向探测间隙，与轴向探头之间形成轴向探测间隙，径轴一体化传感器(9)通过传感器座与芯轴(2)固连，下轴向推力盘(8)与径向传感器(10)的探头部分之间形成径向探测间隙，径向传感器(10)通过传感器座与底座(11)固连；高速电机(12)定子部分跟底座(11)通过连接板固定在一起，高速电机(12)定子的外侧为外转子铁芯，内侧为内转子铁芯，外转子铁芯和内转子铁芯均安装在轮体(13)的下部，高速电机(12)的定子分别与内转子铁芯和外转子铁芯之间形成内侧磁间隙和外侧磁间隙；轮体(13)内侧采用过盈配合的方式固连径向磁轴承(1)的转子部分，轮体(13)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；框架芯轴(15)的右端连接壳体(14)的凹槽，中部通过机械轴承(16)连接框架(17)，框架电机(18)的定子部分通过过盈配合的方式与框架(17)右端进行连接，框架电机(18)的转子部分与框架电机轴(19)的右端相连，框架电机轴(19)的左端与壳体(14)相连，角位置传感器(20)的定子部分与框架(17)的左端相连，也与导电滑环(21)的定子外环相连，角位置传感器(20)的转子部分以及导电滑环(21)的转子与框架芯轴(15)固连。

2.根据权利要求1所述的五自由度单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)、定子铁芯(103)、线圈(104)、转子导磁环(105)、转子铁芯(106)、气隙(107)组成；其中定子导磁环(101)的中间是定子永磁体(102)，定子导磁环(101)位于定子铁芯(103)的径向内部；每个定子铁芯(103)由±X、±Y方向4个磁极组成，两个定子铁芯(103)组成磁轴承上下两端8个磁极，每个定子铁芯(103)的磁极上绕制有线圈(104)；转子铁芯(106)位于定子铁芯(103)的径向外部，其内表面与定子铁芯(103)外表面留有一定的空间，形成气隙(107)，转子铁芯(106)外部为转子导磁环(105)。

3.根据权利要求1所述的五自由度单框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：所述的上轴向磁轴承(3)由八个轴向磁轴承定子单元(114)组成，每个轴向磁轴承定子单元(114)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(7)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；每个轴向磁轴承定子单元呈“E”字型，分别沿±X、±Y、±45°与±135°方向布置在上轴向磁轴承固定板(115)上；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)。

4.根据权利要求1所述的五自由度单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(4)与所述的上轴向磁轴承(3)具有相同结构，与所述的上轴向磁轴承(3)对称放置。

5.根据权利要求1所述的五自由度单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(9)具有4个正交放置的径向探头和具有4个正交放置的轴向探头，其中径向探头完成轮体(13)的两个径向平动广义位移的检测；轴向探头完成轮体(13)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。

6.根据权利要求1所述的五自由度单框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于：所述的角位置传感器(20)采用旋转变压器或光电码盘。

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