CN110435932A - 一种用于航天器的磁流体飞轮 - Google Patents

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Abstract

一种用于航天器的磁流体飞轮，避免了常规机械飞轮的摩擦阻尼和磨损的难题，提高了使用寿命和抗过载能力，属于航天器姿控系统。磁流体飞轮，包括导电流体环组件、磁钢组件和电极；结构简单、装配精度高，便于替换。其中，磁钢组件用于形成导电流体所用提供高强度的均匀垂直主磁场，两个电极引出磁流体飞轮的正、负极，通过给正负电极加电，使流体环内外壁形成电势差，电荷移动使导电流体受力旋转，导电流体环组件内的导电流体旋转可产生力矩与角动量，实现磁流体飞轮低扰超静的指标。

Description

一种用于航天器的磁流体飞轮
技术领域
本发明涉及一种用于航天器的磁流体飞轮，可作为姿控执行机构用于微纳卫星平台，提供卫星姿控系统需要的力矩与角动量，属于航天器姿控系统。
背景技术
近年来微纳卫星平台除了体积微型化和长寿命需求外，其指向精度和姿态稳定度的要求也越来越高。现有常规机械飞轮产品在精度、体积和寿命等综合性能的提升方面均存在一定困难，成为微纳卫星平台姿控精度进一步提升的瓶颈。故而亟需开发新型微纳型执行机构，实现超静低扰功能。
采用磁流体技术的飞轮相较于机械飞轮，流体转子具有自平衡特点，规避了机械飞轮动不平衡量引起的扰振问题；克服了摩擦阻尼和磨损的难题，提高了使用寿命和抗过载能力；同时磁流体飞轮也能满足执行机构微小型化长寿命低成本的需求。但现有的磁流体技术多是应用到检测角运动的陀螺仪敏感器上，公开资料未发现有通过主动加电控制磁流体的运动，产生星体所需要角动量和输出力矩的应用。
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，提供了一种用于航天器的磁流体飞轮，避免了常规机械飞轮的摩擦阻尼和磨损的难题，提高了使用寿命和抗过载能力。磁流体飞轮，包括导电流体环组件、磁钢组件和电极；结构简单、装配精度高，便于替换。其中，磁钢组件用于形成导电流体所用提供高强度的均匀垂直主磁场，两个电极引出磁流体飞轮的正、负极，通过给正负电极加电，使流体环内外壁形成电势差，电荷移动使导电流体受力旋转，导电流体环组件内的导电流体旋转可产生力矩与角动量，实现磁流体飞轮低扰超静的指标。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种用于航天器的磁流体飞轮，包括导电流体环组件、磁钢组件和电极；
所述磁钢组件能够产生磁场作用于所述导电流体环组件内的导电流体；所述导电流体环组件内的导电流体旋转时能够产生力矩与角动量；所述电极用于给所述导电流体环组件内的导电流体加电，所述导电流体在电势差和磁场的作用下旋转。
上述用于航天器的磁流体飞轮，所述导电流体环组件包括下密封盖、压盖、芯柱、流体壳、导电流体；所述流体壳同时与下密封盖和压盖密封连接，所述芯柱同时与下密封盖和压盖密封连接；所述下密封盖、压盖、芯柱、流体壳共同构成导电流体腔，所述导电流体位于所述导电流体腔内。
上述用于航天器的磁流体飞轮，所述电极共有两个，分别与所述芯柱和流体壳连接。
上述用于航天器的磁流体飞轮，所述下密封盖和压盖均选用不导电且不导磁的非金属材料。
上述用于航天器的磁流体飞轮，所述芯柱和流体壳均选用导电且不导磁的材料。
上述用于航天器的磁流体飞轮，所述电极和流体壳均与所述磁钢组件的端盖绝缘。
上述用于航天器的磁流体飞轮，所述磁钢组件包括磁钢、端盖和壳体，所述磁钢发出的磁力线穿过所述导电流体后，经过所述端盖和壳体导磁形成闭合磁路；所述导电流体处于主磁路，主磁路的磁密大于等于0.5T。
上述用于航天器的磁流体飞轮，所述磁钢采用单磁极或双磁极，当磁钢采用单磁极时，磁钢位于所述导电流体的一侧；当磁钢采用双磁极时，磁钢位于所述导电流体的两侧。
上述用于航天器的磁流体飞轮，所述磁钢为圆环形，采用轴向充磁；所述端盖和壳体等电位连接；所述端盖和壳体的最大饱和磁密均大于等于1.8T。
上述用于航天器的磁流体飞轮，所述磁钢组件还包括聚磁环，所述聚磁环包覆在所述磁钢靠近所述导电流体的表面。
上述用于航天器的磁流体飞轮，所述导电流体选用镓铟锡或汞。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明所述的一种用于航天器的磁流体飞轮，采用导电流体受电磁力旋转产生力矩和角动量的原理，避免了常规机械飞轮的摩擦阻尼和磨损的难题，提高了使用寿命和抗过载能力。相较于其他磁流体机构，原理新颖，同时采用组件化设计，结构简单、装配精度高，便于替换。
(2)本发明提供一种独立的导电流体环组件，结构参数便于调节，提高流体的安装精度，便于导电流体环的返修和替换。同时选用高密度低粘度的耐高温导电液体用以形成旋转惯量，对流体环结构进行密封，防止导电液体的泄露；
(3)磁路组件在导电流体腔内提供高强度的垂直磁场，采用单磁极或磁极对磁路结构，同时在磁钢靠近磁间隙的表面包覆导磁材料做聚磁环，起到聚磁的作用，产生均匀磁场，可大大提升输出力矩和力矩稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例2的磁流体飞轮典型结构剖面图；
图2为本发明实施例2的导电流体环结构示意图；
图3为本发明实施例2的磁钢与聚磁环位置示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
实施例1：
一种用于航天器的磁流体飞轮，包括导电流体环组件、磁钢组件和两个电极。
所述导电流体环组件包括下密封盖、压盖、芯柱、流体壳、导电流体；所述流体壳同时与下密封盖和压盖密封连接，所述芯柱同时与下密封盖和压盖密封连接；所述下密封盖、压盖、芯柱、流体壳共同构成导电流体腔，所述导电流体位于所述导电流体腔内。两个电极分别与所述芯柱和流体壳连接。
所述下密封盖和压盖均选用不导电且不导磁的非金属材料。所述芯柱和流体壳均选用导电且不导磁的材料。所述电极和流体壳均与所述磁钢组件的端盖绝缘。
所述磁钢组件包括磁钢、端盖、壳体、聚磁环，所述磁钢发出的磁力线穿过所述导电流体后，经过所述端盖和壳体导磁形成闭合磁路。所述磁钢采用单磁极或双磁极，当磁钢采用单磁极时，磁钢位于所述导电流体的一侧；当磁钢采用双磁极时，磁钢位于所述导电流体的两侧。所述导电流体处于主磁路，主磁路的磁密大于等于0.5T。
所述磁钢为圆环形，采用轴向充磁；所述端盖和壳体等电位连接；所述端盖和壳体的最大饱和磁密均大于等于1.8T。所述聚磁环包覆在所述磁钢靠近所述导电流体的表面。
所述磁钢组件能够产生磁场作用于所述导电流体环组件内的导电流体；所述导电流体环组件内的导电流体旋转时能够产生力矩与角动量；所述电极用于给所述导电流体环组件内的导电流体加电，所述导电流体在电势差和磁场的作用下旋转。所述导电流体选用镓铟锡或汞。
实施例2：
如图1所示，为本实施例磁流体飞轮典型结构剖面图，即本发明的基本形式，包括导电流体环组件、磁路组件和电极。
导电流体环组件内的导电流体旋转可产生力矩与角动量；磁钢组件用于形成导电流体旋转所用的磁场；两个电极引出磁流体飞轮的正、负极，通过给正负电极加电，给导电流体腔的内外壁形成电势差，电荷移动使导电流体受力旋转。
所述导电流体环组件包括下密封盖、芯柱、流体壳、压盖、导电流体，如图2所示，下密封盖和压盖之间由芯柱和流体壳形成了导电流体腔，导电流体通过灌注密封在流体腔内，芯柱和流体壳有电压差时可使电荷切割磁力线运动，从而使导电流体受力旋转。所述导电流体环组件应采用密封装配，避免导电流体泄露，可采用密封胶圈或胶封等方法。
导电流体为镓铟锡或汞等高密度低粘度的耐高温导电液体，在磁场中电荷运动产生旋转力形成旋转惯量。下密封盖和压盖均采用不导电不导磁的非金属材料，如绝缘陶瓷或塑料。芯柱和流体壳采用导电不导磁材料，如无氧铜。
所述磁钢组件包括磁钢、端盖、壳体、聚磁环，磁钢发出的磁力线通过导电流体腔后，经过端盖和壳体导磁形成闭合磁路。磁钢靠近导电流体的表面包覆聚磁环，如图3所示，聚磁环由导磁材料制成，起到聚磁的作用，用于形成垂直的均匀磁场，包覆层厚度约为0.2-0.5mm。导电流体腔处为主磁路，是高强度的垂直磁场，主磁路内的磁密等于0.6T。
磁钢为圆环结构，轴向充磁，可采用单磁极或上下极成对使用，材料选用钐钴或钕铁硼等永磁体材料；端盖和壳体等电位连接，可采用螺纹或导电胶粘接，应采用导磁材料，例如1J50材料，端盖和壳体的最大饱和磁密均为1.9T。
所述电极共有两个，分别与导电流体环组件的芯柱和流体壳相连，引出磁流体飞轮的正、负极。电极材料选用无氧铜等导电材料。其中一个电极和芯柱等电位相连后直接引出；另一电极和流体壳等电位相连，且该电极和流体壳均与端盖绝缘，绝缘方法可采用加装绝缘环或垫的形式，最终确保与流体壳连接的电极和壳体绝缘。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (11)

1.一种用于航天器的磁流体飞轮，其特征在于：包括导电流体环组件、磁钢组件和电极；
所述磁钢组件能够产生磁场作用于所述导电流体环组件内的导电流体；所述导电流体环组件内的导电流体旋转时能够产生力矩与角动量；所述电极用于给所述导电流体环组件内的导电流体加电，所述导电流体在电势差和磁场的作用下旋转。
2.根据权利要求1所述的一种用于航天器的磁流体飞轮，其特征在于：所述导电流体环组件包括下密封盖、压盖、芯柱、流体壳、导电流体；所述流体壳同时与下密封盖和压盖密封连接，所述芯柱同时与下密封盖和压盖密封连接；所述下密封盖、压盖、芯柱、流体壳共同构成导电流体腔，所述导电流体位于所述导电流体腔内。
3.根据权利要求2所述的一种用于航天器的磁流体飞轮，其特征在于：所述电极共有两个，分别与所述芯柱和流体壳连接。
4.根据权利要求2所述的一种用于航天器的磁流体飞轮，其特征在于：所述下密封盖和压盖均选用不导电且不导磁的非金属材料。
5.根据权利要求2所述的一种用于航天器的磁流体飞轮，其特征在于：所述芯柱和流体壳均选用导电且不导磁的材料。
6.根据权利要求2所述的一种用于航天器的磁流体飞轮，其特征在于：所述电极和流体壳均与所述磁钢组件的端盖绝缘。
7.根据权利要求1～6之一所述的一种用于航天器的磁流体飞轮，其特征在于：所述磁钢组件包括磁钢、端盖和壳体，所述磁钢发出的磁力线穿过所述导电流体后，经过所述端盖和壳体导磁形成闭合磁路；所述导电流体处于主磁路，主磁路的磁密大于等于0.5T。
8.根据权利要求7所述的一种用于航天器的磁流体飞轮，其特征在于：所述磁钢采用单磁极或双磁极，当磁钢采用单磁极时，磁钢位于所述导电流体的一侧；当磁钢采用双磁极时，磁钢位于所述导电流体的两侧。
9.根据权利要求7所述的一种用于航天器的磁流体飞轮，其特征在于：所述磁钢为圆环形，采用轴向充磁；所述端盖和壳体等电位连接；所述端盖和壳体的最大饱和磁密均大于等于1.8T。
10.根据权利要求7所述的一种用于航天器的磁流体飞轮，其特征在于：所述磁钢组件还包括聚磁环，所述聚磁环包覆在所述磁钢靠近所述导电流体的表面。
11.根据权利要求8～10之一所述的一种用于航天器的磁流体飞轮，其特征在于：所述导电流体选用镓铟锡或汞。
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