CN1179201A - 利用磁力安装的缓冲振动的飞轮 - Google Patents

Abstract

一种利用磁力安装缓冲振动的飞轮,其按照电动力学原理工作的,用于径向驱动装置和用于横向位移的产生力量的装置(M1、M2),以及用于调整的相应的传感器(SE1、…、SE4)都设置在飞轮轮毂的内部。这种飞轮能有效地缓冲干涉性的振动,而不会对飞轮的回旋范围产生不利的影响。

Description

利用磁力安装的缓冲振动的飞轮

本发明涉及一种利用磁力安装的缓冲振动的飞轮，这种飞轮的径向尺寸比轴向尺寸大得多。

在专利文献DE 3243641 A1中公开了一种利用磁力支承使位置稳定的，径向尺寸比轴向尺寸大得多的飞轮。为径向驱动飞轮，设置了按照电动力学原理进行工作的产生力量的装置。为驱动电动机，其转子在飞轮下侧有一个间隙，而固定在一个定子上的电动机的绕组贯穿这个间隙。同样，还为飞轮转动轴的轴向位移和径向位移，以及为产生倾倒力矩设置了产生力量的装置。以上这些产生力量的装置都通过一个调整装置与相应的传感器耦合，所以总共能在5个自由度上使它的位置保持稳定。在专利文献DE 3819205 A1中公开了一种飞轮，它借助于一种按照电动力学原理工作的产生力量的装置，能在转子的外圆周上径向驱动飞轮。为了产生倾倒力矩，同样也在飞轮的外圆周上设置了按照电动力学原理产生力量的装置。为此，在转子的外圆周上设置了一圈环形凹槽，在该环形凹槽内装有两个重叠的，磁极相反的永久磁铁。固定在定子上，并且被上述永久磁铁的磁力线所切割的四个绕组贯穿在这圈环形凹槽内。为了产生倾倒力矩和轴向力，流过上述四个绕组的电流的方向是可以变换的。为使位置稳定所必须的传感器通过一个调整装置与上述相应的产生力量的装置耦合。

借助于把用于横向位移的产生力量的装置和相应的传感器安置在飞轮轮毂的区域内，就能够有效地抑制干扰性的振动，特别是当用于径向驱动的产生力量的装置也安置在上述飞轮的轮毂中时。还能够抑制干扰性的振动，以及由此产生的谐振。此外，此时所产生的共振现象不会导致干扰传感器的工作。如果将用于轴向位移，或者用于产生倾倒力矩的产生力量的装置，以及与其协同工作的传感器都安置在飞轮的外圆周上，就特别有利。

与将机械振动转变成力量的电磁的产生力量的装置相反，在本发明中所使用的按照电动力学原理的产生力量的装置只产生很小的不希望有的振动，并且通常在传感器计算的过程中几乎不产生干扰信号。使用电动力学的产生力量的装置能导致转子与定子之间的质量有利的分配。

周期性地产生的干扰力矩也能够有效地抵消。

由于把径向驱动装置移到了飞轮的轮毂里，结果，即使当使用比较小的电动机绕组时，飞轮的回旋范围也足够大。

下面，参照附图详细描述本发明的说明性质的实施例。附图中：

图1a是带有本发明的磁力轴承的飞轮的横断面图；

图1b是具有为平移运动用的传感器的飞轮轮毂部分的断面图；

图2是用于记录平移运动的传感器装置的图。

图中所示的飞轮包括一个飞轮轮毂，若干根辐条和一个外轮辋RK，上述轮毂设计成基本上封闭的盘状空心体H，上述外轮辋构成飞轮的主要质量，其上有环形凹槽(N)。同样也设计成盘状的定子S固定在一根中心轴上，而这根中心轴安装在外壳上。转子R的旋转轴线与定子S的轴线重合。用于飞轮的径向驱动装置的产生力量的装置M1的绕组(电动机绕组)W1设置在位于轮毂上的定子S上，并且特别有利的是设置在定子盘S外圆周上的垂直于定子盘的平面上。协同工作的永久磁铁(电动机磁铁)P1则安装在空心体H的基本上与飞轮轴线平行的内表面上。这些永久磁铁具有交替的磁极。电动机装置包括一台无铁芯的，带有电子换向的直流马达。这样，即使当转子回旋时，也能保证精确的换向。在低速状态下，上述驱动装置的电子仪器接受从一个简单的，为上述电子换向用的“涡流”传感装置输送来的转子位置。在高速状态下(超过200rpm)，上述电子换向由电动机绕组中的电压(反电势)来获得。

为飞轮的转动轴径向位移用的产生力量的装置M2，同样也设置在飞轮轮毂的内部空间里。它同样也按照电动力学原理进行工作。在盘状定子S上设有两个并排放置的环形绕组W21和W22(径向致动线圈)。与其协同工作的，设计成环形的永久磁铁P2、P3则设置在空心体H的盘的内部，在所有情况下，上述环形永久磁铁都在位于定子S内的绕组W21、W22上方或下方的区域内。图中，用线条表示了环形的磁力线。结果，产生了作用在x方向的力。

为轴向位移产生轴向力量的装置M3同样也按照电动力学的原理工作。该装置设置在转子R的外轮圆周上，在外轮辋(转子的轮辋)内的沿轴向(y方向)延伸的环形凹槽N的内部。在环形凹槽N向外的壁上设置了两块环形永久磁铁(上、下磁铁轮辋)，这两块磁铁沿y方向排列，具有同样方向相同的磁极(单极性磁极)。上述永久磁铁为上述产生轴向力量的装置和产生倾倒力矩的装置提供了一个均匀的圆形磁场。用于产生力量的装置M3的绕组W31和W32做成环形的绕组，在另一个定子S1上上下排列，该定子通过一个外壳刚性地连接在上述定子S上。结果，便产生了图中用线条表示的环形磁力线，该磁力线产生一个沿y方向的作用力。

为了产生倾斜力矩，设置了一个有四个绕组的产生力量的装置M4(图中未示出)，这些绕组都设置在凹槽N内，每一个绕组占据四分之一圆周，并且埋在环氧树脂内部。关于这些绕组的几何上安排的进一步详细情况，请见专利文献DE3240809 C2，特别是其中的图6b。倾倒力矩是用反相电流激励相应的对置的绕组而产生的。

用于检测飞轮在上面提到的自由度范围内的移动的传感器SE1…SE4(只在图1b中表示)通过一用于稳定位置的调整装置RS(图中未示出)与相应的产生力量的装置M1-M4相连。作为例子，这种用于稳定位置的调整装置的细节可参阅DE 3240809 C2或DE3819205 A1。

总共设置了三个传感器装置：倾倒传感器装置包括各有两个绕组装置的两个倾倒传感器(倾倒传感器绕组)。这些传感器绕组固定在外壳上，具体的说，固定在转子轮辋的外圆周的凹槽N内，互相相对。相应的传感器绕组之间的差别将形成倾斜的位置。安装在用于倾倒力矩M4的产生力量的装置附近的上述倾倒传感器所导致的调整稍稍受到干扰因素的影响。

平移传感器装置包括在飞轮轮毂上方的四个传感器绕组，和在飞轮轮毂下方的四个传感器绕组-SE1…SE4(见图1b和图2)。传感器绕组-SE1…SE4的基准表面在飞轮轮毂的转子外壳H的顶面和/或底面上有正齿轮。图2中所示的上述传感器绕组(x传感器绕组)刚性地固定在定子S上，所以就能够确定定子S和转子R之间径向的微小的间隙。在飞轮轮毂区域精密地设置这些传感器，要比在转子的外圆周上设置传感器的装置，能更精确地检测移动(有效地排除了干扰振动)。在飞轮轮毂区域中倾倒运动很少干扰平移运动。

通过对绕组输出信号的计算，就能够记录全部平移自由度的程度。

轴向位置用比较安装在转子上方和下方的x绕组和y绕组中所感应的电压来确定。

为了在低速时换向，还设置了静电传感器(图中未示出)。所有的传感器最好都是按照“涡流电流”的原理制成的，因为这种传感器制造简单并且工作可靠。它如果电气性能和机械性能选择得合适，传感器就具有很高的频带，而且，具有足够的线性程度。为了避免漂移效应，所有的传感器都按照差分原理工作。

上述转子的飞轮轮辋还有另一个环形凹槽N1，该凹槽设置在内表面上，由铝制成，并且是倾倒传感器的一部分。协同工作的绕组(倾倒传感器绕组)安装在定子S1上，并且突入环形凹槽N1内。

在定子S的轴与转子R的飞轮轮毂之间总是设置了两个滚珠轴承(应急轴承)，当磁力轴承失效时，即电力供应中断时，这两个机械轴承就工作。

本发明所提供的飞轮具有+/-4°的回旋范围。因此，它是理想的适合于用作通信卫星的一种陀螺致动装置。除了扭矩的轴向调整之外，上述转子可以在倾斜的轴线上相对于外壳回旋，而该倾斜轴线不与上述转动轴线重合(微调万向接头)。此外，转子的倾斜还可以用于储存横向力矩，以便补偿外部的干扰力矩，或者在卫星上改变转动结构的运动，例如为了天线的定向。

当卫星总线的电压发生事故时，上述电动机能自动地转换到发电机工作模式，以便为自身供应能量，同时也作为转速降低到1500rpm时的稳定的轴承。当低于上述速度时，电动势(EMF)就太小了，以致不能为电子装置供应足够的能量。

Claims (14)

1.一种径向尺寸比轴向尺寸大的，利用磁力安装缓冲振动的飞轮，它具有下列特征：

用于径向驱动飞轮的产生力量的装置(M1)设置在上述飞轮的轮毂内；

用于飞轮的横向位移的产生力量的装置(M2)与用于记录飞轮的横向位移的传感器(SE1，…、SE4)一样，以同样的方式安装在飞轮轮毂区域内。

2.如权利要求1所述的飞轮，其特征在于，上述为飞轮的横向位移用的，具体说是为飞轮的转动轴线位移用的产生力量的装置(M2)，设置在飞轮轮毂内。

3.如权利要求1或2所述的飞轮，其特征在于，上述飞轮轮毂作为飞轮转子(R)的一部分，包括一盘状的，基本上封闭的空心体(H)，上述为飞轮的径向驱动装置(M1)用的产生力量的装置就容纳在上述空心体内。

4.如权利要求1-3中任何一项权利要求所述的飞轮，其特征在于，上述径向驱动装置用的产生力量的装置(M1)和/或用于横向位移的产生力量的装置(M2)都是按照电动力学原理工作的。

5.如权利要求4所述的飞轮，其特征在于，上述用于旋转驱动装置的产生力量的装置(M1)的绕组(W1)的位置在设置在飞轮轮毂中的定子(S)上，并且，与其协同工作的永久磁铁(P1)设置在处在该绕组(W1)区域内的转子(R)上。

6.如权利要求5所述的飞轮，其特征在于，上述盘状定子(S)在其外圆周上带有用于径向驱动装置的产生力量的装置(M1)的绕组(W1)。

7.如权利要求5或6所述的飞轮，其特征在于，上述用于径向驱动装置的产生力量的装置(M1)的永久磁铁(P1)安装在空心体(H)内部的基本上与飞轮轴线平行的壁(WA)上。

8.如权利要求1-7中任何一项权利要求所述的飞轮，其特征在于，上述用于横向位移的产生力量的装置(M2)的绕组(W2)设计成并排放置在定子(S)内的盘状绕组(W21、W22)。

9.如权利要求7或8所述的飞轮，其特征在于，上述为横向位移产生力量的装置(M2)用的永久磁铁(P2、P3)设置在上述空心体(H)的盘的内部，并且总是设置在位于定子(S)内的绕组(W21、W22)的上方或下方区域内。

10.如权利要求1-9中任何一项权利要求所述的飞轮，其特征在于，一个为上述轴向位移用的，按照电动力学原理工作的产生力量的装置(M3)设置在上述转子(R)的外圆周上。

11.如权利要求1-10中任何一项权利要求所述的飞轮，其特征在于，在上述转子(R)的外圆周上有一圈沿轴向延伸的环形凹槽(N)，并且，在该环形凹槽(N)内的至少一道凹槽壁上，设有两块上下排列的永久磁铁(P4、P5)，并且，与这两块永久磁铁(P4、P5)协同工作的绕组(W31、W32)是环形的绕组，上下排列，设置在上述永久磁铁(P4、P5)区域内的另一个定子(S1)上。

12.如权利要求1-11中任何一项权利要求所述的飞轮，其特征在于，一个为产生倾倒力矩的，按照电动力学原理工作的产生力量的装置(M4)设置在上述转子(R)的外边缘区域中，该装置在上述另一个定子(S1)上具有成对地相对的扇形绕组，使得互相相反的电流能通入位置互相相对的绕组中。

13.如权利要求1-12中任何一项权利要求所述的飞轮，其特征在于，它还具有通过一个用于稳定位置的调整装置(RS)与相应的产生力量的装置(M1、…、M4)相连的传感器(SE1、…、SE4)。

14.如权利要求1-13中任何一项权利要求所述的飞轮，其特征在于，上述为飞轮的径向位移用的传感器(SE1、…、SE4)的基准表面由在飞轮轮毂的外壳的顶面和/或底面上的齿圈组成。

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