CN112009728A - 感应式磁悬浮动量球装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种感应式磁悬浮动量球装置，包括：球形转子；布置在球形转子外的多个转矩组件，用于产生旋转磁场；连接于多个转矩组件之间的多个悬浮组件，悬浮组件与转矩组件相互间隔设置，并形成两个或两个以上的相交的闭合回路；以及控制器。上述感应式磁悬浮动量球装置，由转矩组件和悬浮组件形成两个或两个以上的相交的闭合回路，该结构简单可靠；且每一闭合回路，使得各转矩组件的边缘位置也能产生有效转矩，且更充分的利用了球形转子表面产生的感应涡流，能增大输出转矩；转矩组件和悬浮组件间隔设置，转矩磁场和磁悬浮磁场作用于不同位置，减小了磁饱和的风险；转矩组件和悬浮组件相对独立，在出现故障时，更易进行维修和更换。
Description
技术领域
本发明涉及航空器姿态控制技术领域，特别是涉及一种感应式磁悬浮动量球装置。
背景技术
航空器在飞行过程中会受到各种干扰力矩作用，导致航空器姿态发生变化，因此必须对其进行姿态控制。其中常用的一类为角动量交换系统，包括“单自由度系统”和“多自由度系统”。
“单自由度系统”的每个自由度仅能调节一个方向的姿态，如反作用飞轮，为保证三个自由度可调至少需要三套反作用飞轮装置，三个飞轮之间会产生耦合效应，因此需要非线性控制策略来对其进行解耦。此外考虑到系统冗余还需增加额外的飞轮，将导致系统重量、体积和功耗的增加。此外，飞轮的控制力矩较小，控制效率不高，因此其能够提供的机动能力受限。
“多自由度系统”则多由动量球进行多个方向的角动量调节，动量球的转子相比盘式飞轮可以存储更大的动量，并且通过一个动量球代替三个飞轮与卫星本体进行动量传递可以减小系统的硬件体积和质量，符合卫星的小型化和低成本化发展趋势。现有的动量球主要分为感应式、永磁式、磁滞式、磁阻式、超声波式和动轮式，其中，永磁式动量球的球形电机效率高，但是控制策略复杂，可靠性低；磁滞式动量球的结构简单可靠，但是转矩密度较低，体积较大；磁阻式动量球的结构牢固，但是存在转矩脉动，悬浮控制难度大；超声波式动量球容易实现小型化但是由于其转子是通过摩擦作用驱动，转子转速受到很大限制；动轮式动量球由多台单轴电机独立控制，但多台电机会带来额外的质量和体积；而更广泛使用的感应式动量球，其对角动量调节、控制能力有限，其转矩较小、电磁干扰较为严重，易发生磁饱和，影响转速性能。鉴于此，有必要对现有的动量球装置作出结构上的改进。
发明内容
本发明所解决的技术问题是针对上述现有技术现状提供一种能提供较大输出转矩、且能降低磁饱和风险的感应式磁悬浮动量球装置。
一种感应式磁悬浮动量球装置，其特征在于，包括：
球形转子；
布置在所述球形转子外的多个转矩组件，用于产生驱使所述球形转子旋转的磁场；
连接于多个所述转矩组件之间的并用于使所述球形转子悬浮的多个悬浮组件，所述悬浮组件与所述转矩组件相互间隔设置，并形成两个或两个以上的相交的闭合回路；
以及控制器，所述控制器与所述转矩组件、所述悬浮组件电连接，用以输出旋转驱动信号和磁悬浮驱动信号。
在其中一个实施例中，多个所述转矩组件和多个所述悬浮组件共同构造成包裹所述球形转子的球形笼，所述闭合回路位于该球形笼的一个正圆面上。
在其中一个实施例中，所述转矩组件包括弧形铁芯和绕制在所述弧形铁芯上的转矩绕组。
在其中一个实施例中，所述弧形铁芯的内侧设有齿槽，所述弧形铁芯上的齿槽的数量为6的整数倍，所述转矩绕组沿着所述齿槽背绕组，并能分别产生二级、四极、六极或八极的旋转磁场。
在其中一个实施例中，多个转矩组件设为相交的3组，每组转矩组件的数量为4个，相应的，多个所述悬浮组件设为3对并分别位于球形笼外接正方体的侧面中心。
在其中一个实施例中，各所述悬浮组件分别位于两个或两个以上的闭合回路的相交处，包括电磁铁铁芯及绕在所述电磁铁铁芯上的磁悬浮绕组。
在其中一个实施例中，还包括设于所述悬浮组件内的涡流传感器，所述悬浮组件开设有用以容置涡流传感器的通孔，所述通孔的轴线朝向所述球形转子的球心。
在其中一个实施例中，所述涡流传感器包括用于传感所述球形转子表面涡流的探头线圈，所述探头线圈的直径小于等于所述磁悬浮绕组直径的1/3。
在其中一个实施例中，所述球形转子呈空心壳状结构，所述球形转子的表面设有导电层，所述球形转子的内表面包括软磁材料。
在其中一个实施例中，所述球形转子的导电层外还镀有铬层及/或镍层。
上述感应式磁悬浮动量球装置，各转矩组件和各悬浮组件相连并彼此间隔设置，并形成两个或两个以上的相交的闭合回路，该结构简单可靠；且每一闭合回路，使得各转矩组件的边缘位置也能产生有效转矩，且更充分的利用了球形转子表面产生的感应涡流，能增大输出转矩；转矩组件和悬浮组件间隔设置，转矩磁场和磁悬浮磁场作用于不同位置，减小了磁饱和的风险；转矩组件和悬浮组件相对独立，在出现故障时，更易进行维修和更换。
附图说明
图1为本发明优选实施例中感应式磁悬浮动量球装置的立体结构示意图；
图2为图1的剖视图；
图3为本发明优选实施例弧形铁芯的立体结构示意图；
图4为本发明优选实施例悬浮组件的立体结构示意图；
图5为本发明其中一个实施例中的一个旋转自由度的各齿槽上的两极绕组排布示意图；
图6为本发明其中一个实施例中的一个旋转自由度的各齿槽上的四极绕组排布示意图；
图7为本发明其中一个实施例中的一个旋转自由度的各齿槽上的六极绕组排布示意图；
图8为本发明其中一个实施例中的一个旋转自由度的各齿槽上的八极绕组排布示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1和图2所示，本优选实施例提供一种感应式磁悬浮动量球装置，该动量球装置包括球形转子110、转矩组件120、悬浮组件130、涡流传感器140以及控制器。
其中，球形转子110用于与卫星本体进行3轴角动量交换，该球形转子110呈空心壳状结构，受磁悬浮控制并可任意方向旋转。该球形转子110的表面设有导电层，用于增大输出转矩，该导电层具有较高的导电系数，可以为铜；为避免表面氧化而导致导电能力降低，球形转子110的导电层外还镀有铬层及/或镍层。球形转子110的内表面包括用于导磁的软磁材料，可提高磁利用率与转矩的平稳性。
布置在球形转子110外的多个转矩组件120，可产生驱使球形转子110旋转的磁场，转矩组件120的内表面与球形转子110的外表面之间留有气隙，该气隙大小通常为1～2mm，为了保持转矩组件120与球形转子110之间的气隙大小，本优选实施例采用的主动磁悬浮支撑方式，能使球形转子110保持在中心位置上。
转矩组件120与卫星本体固定在一起，该转矩组件120的组数设为3组，且组与组之间相互正交，每组转矩组件120的数量设为两个或两个以上，并共同构造成包裹球形转子110的球形笼。上述转矩组件120包括弧形铁芯121和绕制在弧形铁芯121上的转矩绕组122。弧形铁芯121的内侧设有齿槽1211，转矩绕组122沿着齿槽1211背绕组，具体采用环形绕组，由于弧形铁芯121上只需绕转矩绕组122，其弧形铁芯121的齿高无需设置过高，减小了整体装置的外径。
上述弧形铁芯121本身不生产磁场(磁力线)、在磁路中只起磁力线传输作用，本优选实施例可采用导磁率比较高的软铁、A3钢以及软磁合金等软磁材料制成，在其它实施例中，也可用铁氧体材料制成。
上述弧形铁芯121上的齿槽1211的数量为6的整数倍。可以理解的是，弧形铁芯121极数越高，静态纵向边端效应越小，但是转速会降低。因此本优选实施例中例举的弧形铁芯121上为7齿6槽结构，具体请参阅图3所示，该转矩组件120包括三组，共有36个齿槽1211，可保证电机同时具有稳定的输出力矩和较高的转速。进一步地，该弧形铁芯121由硅钢薄片叠压而成，其两侧设有用以与悬浮组件130连接的安装孔(未标示)，该弧形铁芯121均匀对称地分布于球形转子110四周，能够约束漏磁向外扩散，提高感应效率，另外作为磁屏蔽减少发热，还能保证整体装置的稳固性。
本优选实施例所示例的每组转矩组件120包括4个，每4个转矩组件120构成一个旋转自由度，相互正交的三组转矩组件120构成三个旋转自由度。可以理解的是，每组转矩组件120也可为2个、3个、或5个以上，可根据具体使用需求进行设置，此处并不予以限制。进一步地，通过在4个转矩组件120上的转矩绕组122加载相同相位差的交变电流，可产生旋转磁场，并在球形转子110表面感应出涡流，洛伦兹力使得球形转子110可单轴旋转，三组相互正交的转矩组件120，通过三个相互独立和同步的旋转磁场来产生三轴的转矩，三轴转矩结合在一起便可以实现球形转子110绕任意方向的旋转，相较于飞轮装置可显著提高卫星姿态控制系统的鲁棒性和冗余度。
参阅图4所示，为单个悬浮组件130的立体结构示意图，该悬浮组件130用于使球形转子110悬浮，具体地，悬浮组件130与转矩组件120相连并相互间隔设置，并且也位于球形笼上，悬浮组件130共包括相互正交的3对，并分别位于以球形笼作为内切圆的正方体的六个面的中心，由于悬浮组件130与转矩组件120相连并位于同心球面上，彼此之间间隔设置，构造的球形笼结构简单可靠，具有较好的稳固性和可操作性。
进一步地，悬浮组件130包括电磁铁铁芯131及绕在电磁铁铁芯131上的磁悬浮绕组132。球形转子110的悬浮通过同轴的两悬浮组件130之间吸引力的平衡来实现，当磁悬浮绕组132通入直流电时，电磁铁铁芯131被磁化，球形转子1内部铁磁材料磁导率远大于气隙的磁导率，因而受到一个垂直指向气隙的吸引力。转子的悬浮通过两侧电磁铁吸引力的平衡实现。控制器输出直流电流信号经驱动电路放大后使电磁铁产生所需要悬浮力，继而控制转子位置。电磁铁铁芯131与球形转子110内的铁芯相互吸引，能产生用于悬浮控制的力。
涡流传感器140设于悬浮组件130内，并用于检测球形转子110的三维位置信息和速度信息，通过检测气隙的大小来实现球形转子110的闭环磁悬浮控制。具体地，悬浮组件130开设有用以容置涡流传感器140的通孔133，通孔133的轴线朝向球形转子110的球心。同轴的两个涡流传感器140组成差分结构，当某一轴的气隙长度发生变化时，其两侧的阻抗不等所产生的电压信号，依此能得到相应的气隙长度，三轴上6个涡流传感器140能实现球形转子110的三维位置的检测，且该位置检测的精度较高。
进一步地，涡流传感器140包括用于传感球形转子110表面涡流的探头线圈141，该探头线圈141通过电磁感应定律传感球形转子110表面的涡流，并将其转化为电压信号。为避免磁悬浮绕组132产生的磁场对涡流传感器140产生干扰，传感器的探头线圈141的直径小于等于磁悬浮绕组132的直径的1/3。为实现转子在三个自由度上平动位移的准确控制，3个轴都采用差分式涡流传感器140来检测球形转子110位移，输出电压与位移成线性关系。单边励磁条件下，忽略铁芯磁饱和时，球形转子110受到的磁悬浮力是关于电流和气隙的非线性函数，该函数可通过在平衡点处通过泰勒展开式将局部线性化，得到磁悬浮力与电流、气隙的线性关系，然后结合电压方程得到得到了电压与气隙的关系式，进而根据极点配置理论得到位置控制控制器的控制参数。3轴磁悬浮控制器采用同样的控制器，通过设置经稳定性验证的参数，实现对球形转子110的位置控制，使其稳定悬浮在转矩组件120中心位置。
上述感应式磁悬浮动量球装置100其结构简单可靠，把动量球的驱动和磁浮单元巧妙结合在一起，结构简单，工艺性好，体积小重量轻，适用于小型卫星；每一旋转自由度均构成闭合回路，使得各转矩组件120的边缘位置也能产生有效转矩，且更充分的利用了球形转子110表面产生的感应涡流，能增大输出转矩；转矩组件120和悬浮组件130间隔设置，转矩磁场和磁悬浮磁场作用于不同位置，减小了磁饱和的风险；转矩组件120和悬浮组件130相对独立，在出现故障时，更易进行维修和更换。
控制器(图未示)与转矩组件120、悬浮组件130和涡流传感器140电连接，用以根据涡流传感器140反馈的位置和速度信号计算出相应的气隙大小，并输出旋转驱动信号和磁悬浮驱动信号，使球形转子110与转矩组件120之间保持气隙均匀，并输出稳定的转速。该控制器中的驱动模块将控制信号进行放大，以在转矩绕组122和磁悬浮绕组132上加载相应的直流电，并执行对两种绕组的通电，产生磁吸力以实现对球形转子110的旋转驱动和磁悬浮驱动。
参阅图5至图8所示，上述弧形铁芯121上的转矩绕组122可通过不同的绕制形式而分别产生二级、四极、六极和八极的旋转磁场。
图中所示均为其中一个旋转自由度的各齿槽1211上的转矩绕组122的排布示意图。在一优选实施例中可以用三套相同的控制驱动板对三组转矩绕组122分别进行控制实现绕X轴、绕Y轴、绕Z轴旋转，可采用三相感应电机驱动球形转子110，该电机具有自启动能力，可靠性高。
完整的弧形铁芯121具有36个齿槽，由于悬浮组件130占据了部分齿的位置，因此每一个旋转自由度不是完整的24个齿槽1211。因此绕组形式需要进行调整。通过槽电势星形矢量图确定每个齿槽1211的电流方向和相线，使转矩绕组122通电时产生均匀分布的磁极。选择任意齿槽1211标号为1，其他齿槽1211标号顺时针或逆时针递增，一共有24槽。以三相绕组为例，A、B、C分别表示三相电，取任一电流方向为+，相反方向为-，则不同极数下槽标号以及对应电流方向如下，
两极绕组排布：1A+2A+3A+4A+5C-6C-7C-8C-9B+10B+11B+12B+13A-14A-15A-16A-17C+18C+19C+20C+21B-22B-23B-24B-
四极绕组排布：1A+2A+3C-4C-5B+6B+7A-8A-9C+10C+11B-12B-13A+14A+15C-16C-17B+18B+19A-20A-21C+22C+23B-24B-
六极绕组排布：1A+2C-3C-4B+5A-6C+7C+8B-9A+10A+11C-12B+13A-14A-15C+16B-17A+18C-19B+20B+21A-22C+23B-24B-
八极绕组排布：1A+2C-3B+4A-5C+6B-7A+8C-9B+10A-11C+12B-13A+14C-15B+16A-17C+18B-19A+20C-21B+22A-23C+24B-
上述感应式磁悬浮动量球装置避免了传统通过三套反作用飞轮之间所产生的耦合效应，用一个球形转子替代三个飞轮进行动量传递，不存在耦合效应，降低了姿态控制算法的复杂度；通过磁悬浮技术消除定子和转子间用机械轴承时带来的摩擦损耗，有效避免对转子表面的损伤，提高球形感应电机的运行寿命和可靠度。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种感应式磁悬浮动量球装置(100)，其特征在于，包括：
球形转子(110)；
布置在所述球形转子(110)外的多个转矩组件(120)，用于产生驱使所述球形转子(110)旋转的磁场；
连接于多个所述转矩组件(120)之间的并用于使所述球形转子(110)悬浮的多个悬浮组件(130)，所述悬浮组件(130)与所述转矩组件(120)相互间隔设置，并形成两个或两个以上的相交的闭合回路；
以及控制器，所述控制器与所述转矩组件(120)、所述悬浮组件(130)电连接，用以输出旋转驱动信号和磁悬浮驱动信号。
2.根据权利要求1所述的感应式磁悬浮动量球装置(100)，其特征在于，多个所述转矩组件(120)和多个所述悬浮组件(130)共同构造成包裹所述球形转子(110)的球形笼，所述闭合回路位于该球形笼的一个正圆面上。
3.根据权利要求1所述的感应式磁悬浮动量球装置(100)，其特征在于，
所述转矩组件(120)包括弧形铁芯(121)和绕制在所述弧形铁芯(121)上的转矩绕组(122)。
4.根据权利要求3所述的感应式磁悬浮动量球装置(100)，其特征在于，所述弧形铁芯(121)的内侧设有齿槽(1211)，所述弧形铁芯(121)上的齿槽(1211)的数量为6的整数倍，所述转矩绕组(122)沿着所述齿槽(1211)背绕组，并能分别产生二级、四极、六极或八极的旋转磁场。
5.根据权利要求4所述的感应式磁悬浮动量球装置(100)，其特征在于，多个转矩组件(120)设为相交的3组，每组转矩组件(120)的数量为4个，相应的，多个所述悬浮组件(130)设为3对并分别位于球形笼外接正方体的侧面中心。
6.根据权利要求5所述的感应式磁悬浮动量球装置(100)，其特征在于，各所述悬浮组件(130)分别位于两个或两个以上的闭合回路的相交处，包括电磁铁铁芯(131)及绕在所述电磁铁铁芯(131)上的磁悬浮绕组(132)。
7.根据权利要求6所述的感应式磁悬浮动量球装置(100)，其特征在于，还包括设于所述悬浮组件(130)内的涡流传感器(140)，所述悬浮组件(130)开设有用以容置涡流传感器(140)的通孔(133)，所述通孔(133)的轴线朝向所述球形转子(110)的球心。
8.根据权利要求7所述的感应式磁悬浮动量球装置(100)，其特征在于，所述涡流传感器(140)包括用于传感所述球形转子(110)表面涡流的探头线圈(141)，所述探头线圈(141)的直径小于等于所述磁悬浮绕组(132)直径的1/3。
9.根据权利要求1所述的感应式磁悬浮动量球装置(100)，其特征在于，所述球形转子(110)呈空心壳状结构，所述球形转子(110)的表面设有导电层，所述球形转子(110)的内表面包括软磁材料。
10.根据权利要求9所述的感应式磁悬浮动量球装置(100)，其特征在于，
所述球形转子(110)的导电层外还镀有铬层及/或镍层。
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