CN110435931A - 一种磁悬浮控制力矩陀螺高速转子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁悬浮控制力矩陀螺高速转子装置，该装置包括飞轮、三自由度一体化磁轴承、高速电机、陀螺房、保护轴承、径向位移传感器、轴向位移传感器和端盖。其中飞轮、高速电机转子部分、三自由度一体化磁轴承转子部分组成装置的转子组件，陀螺房、高速电机定子部分、三自由度一体化磁轴承定子部分和端盖组成定子组件，转子组件和定子组件之间通过高速电机实现转子高速旋转，为陀螺输出力矩提供角动量。本发明通过对称布置的两个三自由度一体化磁轴承支撑实现转子径向和轴向非接触稳定悬浮，使得磁轴承支撑系统布局紧凑，减小装置的体积和重量，而且能缩短转子轴向长度，有利于获得更高的转子固有频率以及更高的转速。

Description

一种磁悬浮控制力矩陀螺高速转子装置
技术领域
本发明涉及控制力矩陀螺的技术领域，具体涉及一种磁悬浮控制力矩陀螺高速转子装置。
背景技术
控制力矩陀螺具有输出力矩大、控制精度高的特点，是大型航天器的姿态稳定控制和中小敏捷卫星姿态灵活调整的理想执行机构。磁悬浮轴承由于采用非接触悬浮支撑，能够克服机械轴承带来的摩擦和磨损，降低系统的振动和噪音，且无需润滑，因此采用磁悬浮支撑技术的控制力矩陀螺具有高转速、高精度、微振动、高可靠性的优点，相比机械力矩陀螺具有明显技术优势。为实现大惯量高速转子绕主轴稳定驱动，需要提供飞轮一个方向的转动自由度，对转子余下的五个自由度进行支撑。现有的磁悬浮控制力矩陀螺高速转子支撑系统通常采用成对布置的径向磁轴承支撑转子两个径向的平动和转动，采用成对布置的轴向磁轴承支撑转子轴向平动，该支撑方式的不足在于径向磁轴承和轴向磁轴承沿转子轴向布置，转子轴承尺寸过大，陀螺房也需要更大的包络尺寸，不利于减轻系统质量。同时，较长的轴向尺寸也制约设计过程中转子固有频率的提升。
中国专利ZL200710065550.1“完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺”的高速转子采用磁轴承支撑的转子系统，大大提高了陀螺转子工作转速和使用寿命，但该专利中的径向磁轴承、轴向磁轴承和高速电机沿转子轴向分开布置，使得转子组件轴向长度较大；中国专利ZL201310084502.2“五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺”、中国专利CN201710969303“一种全悬浮双端支撑的单框架控制力矩陀螺”和中国专利CN201810075967“一种低功耗控制力矩陀螺高速转子系统”中的高速电机和轴向磁轴承位于同一平面的内外圆，然而其磁轴承支撑系统仍采用分离的径向磁轴承和轴向磁轴承，难以进一步减小转子系统体积和质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于：针对现有的技术中的不足，提出一种磁悬浮控制力矩陀螺高速转子装置，采用三自由度一体化磁轴承技术，从而达到减小尺寸和质量的目的，同时具有更高的系统集成度和更高的转子固有频率。
本发明采用的技术方案为：一种磁悬浮控制力矩陀螺高速转子装置，主要由飞轮、三自由度一体化磁轴承、高速电机、陀螺房、保护轴承、径向位移传感器、轴向位移传感器和端盖组成。其中飞轮、高速电机转子部分、三自由度一体化磁轴承转子部分组成装置的转子组件，陀螺房、高速电机定子部分、三自由度一体化磁轴承定子部分和端盖组成定子组件，转子组件和定子组件之间通过高速电机实现转子高速旋转，同时通过三自由度一体化磁轴承支撑实现非接触稳定悬浮。高速电机需要成对使用并对称安装在飞轮轮体两侧，高速电机的内转子和外转子与飞轮轮体固连，定子通过螺钉与陀螺房相连。三自由度一体化磁轴承也需要成对使用并对称布置在飞轮两侧，其定子部分与陀螺房通过过盈配合固连，转子部分与飞轮轴端通过过盈配合固连。径向位移传感器布置在三自由度一体化磁轴承的轴向外侧，通过径向传感器座用螺钉与陀螺房固连，径向位移传感器探头与转子之间形成径向探测间隙。径向位移传感器外侧是保护轴承组件，通过轴承座与陀螺房固连，保护轴承固定于轴承座内，保护轴承外圈下端面与飞轮轴肩形成轴向保护间隙，保护轴承内圈与飞轮圆周面形成径向保护间隙。轴向位移传感器通过螺钉固定在轴承座上，其轴向位移传感器探头与飞轮端面形成轴向探测间隙。
其中，所述三自由度一体化磁轴承为永磁偏置、电磁控制的混合式磁轴承，包括定子和转子两部分，其中定子部分与陀螺房通过过盈配合连接，由定子铁心、径向线圈、径向导磁环、永磁体、上轴向导磁环、下轴向导磁环、轴向线圈组成，转子部分与飞轮通过过盈配合连接，由转子铁心、转子导磁套组成。
其中，所述永磁体将径向磁轴承和轴向磁轴承集成为一体，采用轴向充磁，同时为三自由度一体化磁轴承的径向和轴向提供偏置磁通。永磁体为圆环结构，由整环导磁材料制成，也可以由4个、8个或12个圆弧段拼接而成。
其中，所述定子铁心和转子铁心采用导磁性能良好的软磁材料冲压叠制而成，在径向形成磁间隙，定子铁心各磁极上的线圈为独立控制。
其中，所述上轴向导磁环和下轴向导磁环由实心软磁材料制成，构成截面为“U”型结构的整环，“U”型槽内绕有轴向线圈。
其中，所述转子导磁套由实心软磁材料制成，与飞轮通过过盈配合连接，转子导磁环与上轴向导磁环在径向形成磁间隙，转子导磁环下端推力盘部分与下轴向导磁环在轴向形成磁间隙。
上述方案的原理是：通过磁悬浮控制力矩陀螺高速转子装置中上下对称布置的两个三自由度一体化磁轴承完成对转子组件两个径向平动、两个径向偏转、一个轴向平动共五个自由度的支撑，保持转子部分和定子部分均匀的磁间隙，实现转子在径向和轴向方向的稳定悬浮；通过高速电机驱动转子绕轴向主轴高速旋转，产生陀螺输出力矩所需的角动量。其中三自由度一体化磁轴承的控制原理为：永磁体同时给磁轴承径向部分和轴向部分提供偏置磁场，用于生成磁轴承的输出力。径向线圈和轴向线圈产生的磁场起调节作用，与对应磁极下的永磁体偏置磁场相叠加，使得磁间隙中的磁场强弱发生变化，从而改变转子所受悬浮力。当转子组件受到某一外界因素干扰时，转子组件同径向位移传感器或轴向位移传感器之间的探测间隙会发生变化，传感器将检测这一变化并发出信号给外部控制器，外部控制器通过增加或减小磁轴承线圈中的控制电流，调节转子受到的悬浮力，使得转子组件和定子组件之间径向和轴向探测间隙保持均匀，维持转子系统的稳定高速旋转。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明由于采用对称布置的两个三自由度一体化磁轴承，支撑转子的三个平动自由度和两个偏转自由度，使转子轴向长度更短，从而模态更高，能够进一步提升陀螺高速转子装置工作转速，输出更大陀螺力矩；此外，本发明将径向磁轴承和轴向磁轴承结合在一起，一体化程度更高，减小了高速转子装置尺寸和质量，满足航天应用需求；另外，本发明采用一个永磁体同时为磁轴承径向和轴向提供偏置磁通，在节约材料的同时又能降低磁轴承线圈控制电流，具有成本更低、功耗更小的优点。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明所述的一种磁悬浮控制力矩陀螺高速转子装置局部剖分图；
图2是本发明的三自由度磁轴承轴向截面图；
图3是本发明的三自由度磁轴承永磁体磁力线分布图，箭头表示永磁体磁力线方向；
图4是本发明的三自由度磁轴承径向截面图，箭头表示径向线圈磁力线方向；
图5是本发明的高速电机轴向剖面图。
图中：1为飞轮，2为三自由度一体化磁轴承，3为高速电机，4为陀螺房，5为保护轴承，6为径向位移传感器，7为轴向位移传感器，8为端盖，21为定子铁心，22为径向线圈，23为径向导磁环，24为永磁体，25为上轴向导磁环，26为下轴向导磁环，27为轴向线圈，28为转子铁心，29为转子导磁套，31为外转子铁心，32为外转子压环，33为磁钢，34为内转子铁心，35为内转子压环，36为定子骨架，37为定子绕组。
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，一种磁悬浮控制力矩陀螺高速转子装置，主要由飞轮1、三自由度一体化磁轴承2、高速电机3、陀螺房4、保护轴承5、径向位移传感器6、轴向位移传感器7和端盖8组成。其中飞轮1、高速电机3转子部分、三自由度一体化磁轴承2转子部分组成装置的转子组件，陀螺房、高速电机定子部分、三自由度一体化磁轴承定子部分和端盖组成定子组件，转子组件和定子组件之间通过高速电机3实现转子高速旋转，同时通过三自由度一体化磁轴承2支撑实现非接触稳定悬浮。高速电机3需要成对使用并对称安装在飞轮1轮体两侧，高速电机3的内转子和外转子与飞轮1轮体固连，定子通过螺钉与陀螺房4相连。三自由度一体化磁轴承2也需要成对使用并对称布置在飞轮1轴向两侧，其定子部分与陀螺房4通过过盈配合固连，转子部分与飞轮1轴端通过过盈配合固连。径向位移传感器6布置在三自由度一体化磁轴承2的轴向外侧，通过径向传感器座用螺钉与陀螺房4固连，径向位移传感器6探头与飞轮1圆周面之间形成径向探测间隙。保护轴承5组件位于径向位移传感器6外侧，通过轴承座与陀螺房4固连，保护轴承5固定于轴承座内，其轴承外圈与飞轮1轴肩形成轴向保护间隙，轴承内圈与飞轮1圆周面形成径向保护间隙。轴向位移传感器7通过螺钉固定在轴承座上，其轴向位移传感器7探头与飞轮1端面形成轴向探测间隙。
如图2所示，三自由度一体化磁轴承2为永磁偏置、电磁控制的混合式磁轴承，包括定子和转子两部分，其中定子部分由定子铁心21、径向线圈22、径向导磁环23、永磁体24、上轴向导磁环25、下轴向导磁环26、轴向线圈27组成，转子部分由转子铁心28、转子导磁套29组成。永磁体24位于径向导磁环23和上轴向导磁环25之间，将径向磁轴承和轴向磁轴承集成为一体，永磁体24的上方是径向导磁环23，径向导磁环23的内部是定子铁心21，定子铁心21的每一个磁极上绕有径向线圈22，转子铁心28位于定子铁心21的内部，其外表面与定子铁心21内表面留有一定气隙，转子导磁套29位于转子铁心28内侧，与飞轮1通过过盈配合固连。
所述永磁体24采用轴向充磁，其磁路如图3所示，永磁磁路从永磁体24的N极出发依次通过三自由度一体化磁轴承2的径向部分和轴向部分，最后回到永磁体24的S极。永磁体24为圆环结构，由整环导磁材料制成，或者由4个、8个或12个永磁圆弧段拼接而成。
所述定子铁心21和转子铁心28采用导磁性能良好的软磁材料冲压叠制而成，如图4所示，定子铁心21由4个磁极组成，每个定子铁心21的磁极上绕有径向线圈22，定子铁心各磁极上的径向线圈22为独立控制，定子铁心21磁极内表面和转子铁心28外表面在径向留有一定气隙，形成径向磁间隙。
所述上轴向导磁环25和下轴向导磁环26由实心软磁材料制成，构成截面为“U”型结构的整环，“U”型槽内绕有轴向线圈27。
所述转子导磁套29由实心软磁材料制成，转子导磁套29与上轴向导磁环25在径向形成磁间隙，转子导磁套29下端推力盘部分与下轴向导磁环26在轴向形成磁间隙。
如图5所示，高速电机3由外转子铁心31、外转子压环32、磁钢33、内转子铁心34、内转子压环35、定子骨架36、定子绕组37组成，磁钢33的外侧是外转子铁心31，磁钢33和外转子铁心31的轴向下方安装有外转子压环32，内转子铁心34位于外转子铁心31的径向内侧，内转子铁心34的轴向下方安装有内转子压环33，定子骨架36位于磁钢33和内转子铁心34之间，定子骨架36上布置定子绕组37，定子绕组37同位于径向外侧的磁钢33和径向内测的内转子铁心34形成磁间隙。

Claims (7)

1.一种磁悬浮控制力矩陀螺高速转子装置，其特征在于：主要由飞轮(1)、三自由度一体化磁轴承(2)、高速电机(3)、陀螺房(4)、保护轴承(5)、径向位移传感器(6)、轴向位移传感器(7)和端盖(8)组成，其中飞轮(1)、高速电机(3)转子部分、三自由度一体化磁轴承(2)转子部分组成装置的转子组件，陀螺房、高速电机定子部分、三自由度一体化磁轴承定子部分和端盖组成定子组件，转子组件和定子组件之间通过高速电机(3)实现转子高速旋转，同时通过三自由度一体化磁轴承(2)支撑实现非接触稳定悬浮，高速电机(3)需要成对使用并对称安装在飞轮(1)轮体两侧，高速电机(3)的内转子和外转子与飞轮(1)轮体固连，定子通过螺钉与陀螺房(4)相连，三自由度一体化磁轴承(2)也需要成对使用并对称布置在飞轮(1)轴向两侧，其定子部分与陀螺房(4)通过过盈配合固连，转子部分与飞轮(1)轴端通过过盈配合固连，径向位移传感器(6)布置在三自由度一体化磁轴承(2)的轴向外侧，通过径向传感器座用螺钉与陀螺房(4)固连，径向位移传感器(6)探头与飞轮(1)圆周面之间形成径向探测间隙，保护轴承(5)组件位于径向位移传感器(6)外侧，通过轴承座与陀螺房(4)固连，保护轴承(5)固定于轴承座内，其轴承外圈与飞轮(1)轴肩形成轴向保护间隙，轴承内圈与飞轮(1)圆周面形成径向保护间隙；轴向位移传感器(7)通过螺钉固定在轴承座上，其轴向位移传感器(7)探头与飞轮(1)端面形成轴向探测间隙。
2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮控制力矩陀螺高速转子装置，其特征在于：所述的三自由度一体化磁轴承(2)为永磁偏置、电磁控制的混合式磁轴承。
3.根据权利要求2所述的一种磁悬浮控制力矩陀螺高速转子装置，其特征在于：所述的三自由度一体化磁轴承(2)包括定子和转子两部分，其中定子部分由定子铁心(21)、径向线圈(22)、径向导磁环(23)、永磁体(24)、上轴向导磁环(25)、下轴向导磁环(26)、轴向线圈(27)组成，转子部分由转子铁心(28)、转子导磁套(29)组成，永磁体(24)位于径向导磁环(23)和上轴向导磁环(25)之间，将径向磁轴承和轴向磁轴承集成为一体，永磁体(24)的上方是径向导磁环(23)，径向导磁环(23)的内部是定子铁心(21)，定子铁心(21)的磁极上绕有径向线圈(22)，转子铁心(28)位于定子铁心(21)的内部，同转子导磁套(29)通过过盈配合固连，转子导磁套(29)位于转子铁心(28)内侧，与飞轮(1)通过过盈配合固连。
4.根据权利要求3所述的一种磁悬浮控制力矩陀螺高速转子装置，其特征在于：所述永磁体(24)为圆环结构，采用轴向充磁工艺，同时为三自由度一体化磁轴承(2)的径向部分和轴向部分提供偏置磁场，永磁体(24)由整环导磁材料制成，或者由4个、8个或12个永磁圆弧段拼接而成。
5.根据权利要求3所述的一种磁悬浮控制力矩陀螺高速转子装置，其特征在于：所述定子铁心(21)和转子铁心(28)采用导磁性能良好的软磁材料冲压叠制而成，定子铁心(21)由4个磁极组成，每个定子铁心(21)的磁极上绕有径向线圈(22)，径向线圈(22)中的电流为独立控制，定子铁心(21)磁极内表面和转子铁心(28)外表面在径向留有一定气隙，形成径向磁间隙。
6.根据权利要求3所述的一种磁悬浮控制力矩陀螺高速转子装置，其特征在于：所述上轴向导磁环(25)、下轴向导磁环(26)和转子导磁套(29)由实心软磁材料制成。
7.根据权利要求3所述的一种磁悬浮控制力矩陀螺高速转子装置，其特征在于：所述转子导磁套(29)下端带有推力盘，该推力盘与下轴向导磁环(26)在轴向形成磁间隙，转子导磁套(29)与上轴向导磁环(25)在径向形成磁间隙。
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