一種四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺的制作方法
【專利摘要】一種四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，由四自由度磁軸承、高速電機、徑軸一體化傳感器、徑向傳感器、上保護軸承、下保護軸承、芯軸、輪體、底座、上傳感器檢測環(huán)、下傳感器檢測環(huán)、殼體、內(nèi)框框架芯軸、內(nèi)框框架電機、內(nèi)框框架、內(nèi)框機械軸承、內(nèi)框角位置傳感器、內(nèi)框?qū)щ娀h(huán)、外框框架芯軸、外框框架電機、外框框架、外框機械軸承、外框角位置傳感器、外框?qū)щ娀h(huán)組成，四自由度磁軸承的主動部分控制轉(zhuǎn)子的徑向平動與偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的軸向平動通過四自由度磁軸承的被動部分實現(xiàn)。本發(fā)明各個組件布局緊湊，減小了體積和重量，減小了系統(tǒng)的噪聲、體積和重量，消除了軸承摩擦力，從而提高了雙框架控制力矩陀螺的壽命和控制精度。
【專利說明】一種四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，可作為長期運行或要求大機動和快速響應(yīng)的航天器和空間站等大型航天器的姿態(tài)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]控制力矩陀螺是應(yīng)用在大型航天器上的一類慣性執(zhí)行機構(gòu)，主要由高速轉(zhuǎn)子和框架系統(tǒng)組成，通過框架伺服系統(tǒng)控制高速轉(zhuǎn)子角動量的方向，從而輸出陀螺力矩對航天器的姿態(tài)進行控制。要求大機動和快速響應(yīng)的航天器以及空間站等大型航天器的姿態(tài)控制的執(zhí)行機構(gòu)要求輸出力矩大、壽命長、可靠性高、響應(yīng)速度快、精度高、體積小、重量輕、功耗低，這就要求輸出角動量的高速轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速要高，以減輕重量、縮小體積；要求框架系統(tǒng)的框架電機輸出力矩大、控制精度高。根據(jù)框架的自由度個數(shù)，與單框架控制力矩陀螺相比，雙框架控制力矩陀螺組成的姿態(tài)控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點是:動量包絡(luò)為球體、奇異性不明顯、構(gòu)型和控制律簡單、便于操縱，安裝可靠方便，相同冗余度時，比單框架控制力矩陀螺組成的姿態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量要輕。所以雙框架控制力矩陀螺是大型航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)關(guān)鍵執(zhí)行機構(gòu)。作為高速轉(zhuǎn)子的支承部件，現(xiàn)有的雙框架控制力矩陀螺采用機械軸承支承，因而從根本上限制了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高、降低了系統(tǒng)的使用壽命和可靠性，增加了系統(tǒng)的功耗，振動和噪聲大，控制精度低，為了使控制力矩陀螺輸出所需的角動量，不得不增加控制力矩陀螺的重量和體積。因此現(xiàn)有的雙框架控制力矩陀螺主要缺點是體積和重量大、控制精度低、可靠性差、壽命比較短等。現(xiàn)有的磁懸浮雙框架控制力矩陀螺采用的是五自由度全主動的結(jié)構(gòu)形式，盡管采用了永磁偏置磁軸承的結(jié)構(gòu)形式，但是其功耗仍然較大，而且五自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺在電路板的數(shù)量及體積都明顯過大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，以減小自身體積重量和功耗。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:一種四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，由四自由度磁軸承(I)、高速電機(2)、徑軸一體化傳感器(3)、徑向傳感器(4)、上保護軸承(5)、下保護軸承(6)、芯軸(7)、輪體(8)、底座(9)、上傳感器檢測環(huán)(10)、下傳感器檢測環(huán)(11)、殼體(12)、內(nèi)框框架芯軸(13)、內(nèi)框框架電機(14)、內(nèi)框框架(15)、內(nèi)框機械軸承(16)、內(nèi)框角位置傳感器(17)、內(nèi)框?qū)щ娀h(huán)(18)、外框框架芯軸(19)、外框框架電機(20)、外框框架
(21)、外框機械軸承(22)、外框角位置傳感器(23)、外框?qū)щ娀h(huán)(24)組成，其中四自由度磁軸承(I)位于控制力矩陀螺的中部，其定子部分安裝在芯軸(7)的中部，四自由度磁軸承
(I)定子的上端為上保護軸承(5)，上保護軸承(5)也固定在芯軸(7)上，上保護軸承(5)的徑向外側(cè)為上傳感器檢測環(huán)(10)，上保護軸承(5)與上傳感器檢測環(huán)(10)之間形成徑向保護間隙和軸向保護間隙，上傳感器檢測環(huán)(10)的徑向外側(cè)是徑軸一體化傳感器(3)，徑軸一體化傳感器(3)的徑向探頭和軸向探頭與上傳感器檢測環(huán)(10)之間形成徑向探測間隙和軸向探測間隙，徑軸一體化傳感器⑶通過傳感器座與芯軸(7)固連；四自由度磁軸承
(I)定子的下端為下保護軸承(6)，下保護軸承(6)也固定在芯軸(7)上，其徑向外側(cè)為下傳感器檢測環(huán)(11)，下保護軸承(6)和下傳感器檢測環(huán)(11)之間形成徑向保護間隙，下傳感器檢測環(huán)(11)的徑向外側(cè)是徑向傳感器(4)，徑向傳感器(4)的探頭與下傳感器檢測環(huán)
(II)之間形成徑向探測間隙，徑向傳感器(4)通過傳感器座與底座(9)固連；四自由度磁軸承(I)的轉(zhuǎn)子的徑向外側(cè)是輪體(8)，兩者采用過盈配合，輪體(8)的下端安裝有高速電機(2)的內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心和外轉(zhuǎn)子鐵心，高速電機(2)的定子與內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心和外轉(zhuǎn)子鐵心之間形成磁間隙，并通過連接板固定在底座(9)上，殼體(12)與底座(9)通過螺釘相連，用以將輪體密封起來；殼體(12)的兩端與內(nèi)框框架芯軸(13)相連，內(nèi)框框架芯軸(13)通過內(nèi)框機械軸承(16)與內(nèi)框框架(15)固連，內(nèi)框框架(15)的一端與內(nèi)框框架電機(14)的定子部分相連，另一端與內(nèi)框角位置傳感器(17)的定子相連，內(nèi)框角位置傳感器(17)的定子與內(nèi)框?qū)щ娀h(huán)(18)的靜止部分相連；內(nèi)框框架電機(14)的轉(zhuǎn)子部分與內(nèi)框框架芯軸(13)連接，內(nèi)框角位置傳感器(17)的轉(zhuǎn)子以及內(nèi)框?qū)щ娀h(huán)(18)的轉(zhuǎn)動部分與另一端的內(nèi)框框架芯軸(13)固連；內(nèi)框框架(15)的兩端與外框框架芯軸(19)相連，外框框架芯軸(19)通過外框機械軸承(22)與外框框架(21)固連，外框框架(21)的一端與外框框架電機(20)的定子部分相連，另一端與外框角位置傳感器(23)的定子相連，外框角位置傳感器(23)的定子與外框?qū)щ娀h(huán)(24)的靜止部分相連；外框框架電機(20)的轉(zhuǎn)子部分與外框框架芯軸(19)連接，外框角位置傳感器(23)的轉(zhuǎn)子以及外框?qū)щ娀h(huán)(24)的轉(zhuǎn)動部分與另一端的外框框架芯軸(19)固連。
[0005]所述的四自由度磁軸承⑴由被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(101)、轉(zhuǎn)子永磁體(102)、轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體(103)、轉(zhuǎn)子鐵心(104)、氣隙(105)、定子鐵心(106)、定子導(dǎo)磁環(huán)(107)、定子永磁體(108)、線圈(109)、被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)和被動部分氣隙(111)組成，其中每個定子鐵心(106)由4個磁極組成，兩個定子鐵心(106)組成磁軸承上下兩端8個磁極，分別組成X、Y軸正負(fù)方向的磁極，每個定子鐵心(106)的磁極上繞制有線圈(109)，定子鐵心
(106)外部為轉(zhuǎn)子鐵心(104)，轉(zhuǎn)子鐵心(104)外部為轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體(103)，轉(zhuǎn)子鐵心(104)內(nèi)表面與定子鐵心(106)外表面留有一定的間隙，形成氣隙(105)，定子鐵心(106)的徑向內(nèi)部為定子導(dǎo)磁環(huán)(107)，兩個被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)位于兩個定子鐵心(106)之間，定子鐵心(106)與被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)之間有兩個定子永磁體(108),兩個被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)之間有一個定子永磁體(108),被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)的徑向外部為被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(101)，兩個轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體(103)之間為轉(zhuǎn)子永磁體(102)，被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(101)的內(nèi)表面與被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(107)的外表面之間留有一定間隙,形成被動部分氣隙(111)。
[0006]所述的每個定子鐵心(106)的磁極繞制有線圈(109)為獨立控制。
[0007]所述的轉(zhuǎn)子永磁體(102)和每個定子永磁體(108)為軸向圓環(huán),沿軸向充磁,且體積相等。
[0008]所述的被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(101)和被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)由實心整環(huán)導(dǎo)磁材料制成。
[0009]所述的被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(101)和被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)為兩個、四個、六個或八個。
[0010]所述的徑軸一體化傳感器(3)具有4個正交放置的徑向探頭和4個正交放置的軸向探頭，軸向探頭完成輪體(8)的軸向平動、兩個徑向轉(zhuǎn)動三個廣義位移的檢測，徑向探頭完成輪體(8)的兩個徑向平動廣義位移的檢測。
[0011]所述的內(nèi)框角位置傳感器(17)和外框角位置傳感器(23)為旋轉(zhuǎn)變壓器，也可以為光電碼盤。
[0012]上述方案的原理是:雙框架控制力矩陀螺由高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、內(nèi)框架系統(tǒng)和外框架系統(tǒng)三部分組成，內(nèi)框架系統(tǒng)和外框架系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸的軸線相互垂直，并通過高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的質(zhì)心。通過高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制部分使得高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速保持恒定，通過高速轉(zhuǎn)子提供角動量。內(nèi)框架系統(tǒng)和外框架系統(tǒng)轉(zhuǎn)動迫使高速轉(zhuǎn)子的角動量改變方向，從而輸出陀螺力矩，陀螺力矩等于框架轉(zhuǎn)速矢量與高速轉(zhuǎn)子角動量矢量的叉積。其中，內(nèi)框架系統(tǒng)控制高速轉(zhuǎn)子角動量作一個自由度的進動，外框架系統(tǒng)控制高速轉(zhuǎn)子角動量作另一個自由度的進動，從而內(nèi)框架系統(tǒng)和外框架系統(tǒng)控制高速轉(zhuǎn)子兩個自由度的進度，產(chǎn)生兩個自由度的陀螺力矩。通過一個雙框架控制力矩陀螺可控制航天器的兩自由度姿態(tài)控制，需要兩個雙框架控制力矩陀螺可實現(xiàn)航天器三自由度姿態(tài)控制。其中四自由度磁軸承的控制原理為:通過控制上下兩組定子鐵心磁極的線圈(即獨立控制各個線圈中的電流，也就是說，“獨立控制”指的是各個線圈中的電流沒有直接聯(lián)系，是通過功放根據(jù)位移傳感器檢測到的探測氣隙變化對每個定子磁極線圈進行通電)，實現(xiàn)磁軸承轉(zhuǎn)動部分的徑向平動和徑向扭動，利用中間的被動部分的定子導(dǎo)磁環(huán)和被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)通過軸向位移產(chǎn)生的磁偏拉力實現(xiàn)磁軸承轉(zhuǎn)動部分的軸向平動。定子永磁體和轉(zhuǎn)子永磁體給磁軸承提供永磁偏置磁場，承擔(dān)磁軸承所受的徑向力，線圈所產(chǎn)生的磁場起調(diào)節(jié)作用，用來改變每極下磁場的強弱，保持磁軸承定轉(zhuǎn)子氣隙均勻，并使轉(zhuǎn)子得到無接觸支撐。本發(fā)明的永磁磁路為三個部分(如圖4所示)，一部分為:磁通從上端定子永磁體N極出發(fā)，通過定子導(dǎo)磁環(huán)、上端定子鐵心、上端氣隙、上端轉(zhuǎn)子鐵心、上端轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體、上端被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)、上端被動部分氣隙、上端被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)、定子導(dǎo)磁環(huán)回到上端定子永磁體的S極；第二部分為:磁通從下端定子永磁體N極出發(fā),通過定子導(dǎo)磁環(huán)、下端被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)、下端被動部分氣隙、下端被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)、下端轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體、下端轉(zhuǎn)子鐵心、下端氣隙、下端定子鐵心、定子導(dǎo)磁環(huán)回到下端定子永磁體的S極；第三部分為:磁通從中間的定子永磁體N極出發(fā)，通過定子導(dǎo)磁環(huán)、下端被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)、下端被動部分氣隙、下端被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)、下端轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體、轉(zhuǎn)子永磁體S極、轉(zhuǎn)子永磁體N極、上端轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體、上端被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)、上端被動部分氣隙、上端被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)、定子導(dǎo)磁環(huán)，回到中間定子永磁體的S極。如圖3所示，以某端Y軸正方向線圈電流產(chǎn)生的磁通為例，其路徑為:定子鐵心形成的Y軸正方向磁極、Y軸正方向氣隙到轉(zhuǎn)子鐵心、然后到另外三個方向氣隙、定子鐵心形成的另外三個方向磁極、回到定子鐵心形成的Y軸正方向磁極，構(gòu)成閉合回路。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:本發(fā)明利用四自由度磁軸承實現(xiàn)雙框架磁懸浮控制力矩陀螺兩個徑向平動以及兩個徑向偏轉(zhuǎn)的控制，并且被動部分的定子永磁體和轉(zhuǎn)子永磁體實現(xiàn)四自由度磁軸承被動剛度的提高，對主動部分沒有影響，此外，本發(fā)明的每個定子永磁體和轉(zhuǎn)子永磁體體積相同，可以使得整機剩磁矩接近零，滿足航天的要求；本發(fā)明的四自由度磁軸承中的軸向被動部分為整環(huán)結(jié)構(gòu)，磁場波動小，旋轉(zhuǎn)功耗小。另外，本發(fā)明的上保護軸承和下保護軸承大小不同，便于雙框架磁懸浮控制力矩陀螺內(nèi)部輪體的拆卸；由于本發(fā)明采用了四自由度的雙框架磁懸浮控制力矩陀螺結(jié)構(gòu)形式，電路板數(shù)量以及體積和相應(yīng)的功耗均會明顯減小。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺示意圖；
[0015]圖2為本發(fā)明的四自由度磁軸承軸向截面圖；
[0016]圖3為本發(fā)明的四自由度磁軸承軸向端面圖；其中圖3a為極靴形式的端面圖，圖3b為定子磁極夾角為62度時的端面圖；
[0017]圖4為本發(fā)明的四自由度磁軸承的永磁磁路圖；
[0018]圖5為本發(fā)明的含有四個被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)和被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)的四自由度磁軸承軸向截面圖；
[0019]圖6為本發(fā)明的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺中高速電機結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖7為本發(fā)明的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺的徑軸一體化傳感器結(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖8為本發(fā)明的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺的內(nèi)框框架電機示意圖。

【具體實施方式】
[0022]如圖1所示，一種四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，由四自由度磁軸承(I)、高速電機(2)、徑軸一體化傳感器(3)、徑向傳感器(4)、上保護軸承(5)、下保護軸承(6)、芯軸(7)、輪體(8)、底座(9)、上傳感器檢測環(huán)(10)、下傳感器檢測環(huán)(11)、殼體(12)、內(nèi)框框架芯軸(13)、內(nèi)框框架電機(14)、內(nèi)框框架(15)、內(nèi)框機械軸承(16)、內(nèi)框角位置傳感器(17)、內(nèi)框?qū)щ娀h(huán)(18)、外框框架芯軸(19)、外框框架電機(20)、外框框架(21)、外框機械軸承(22)、外框角位置傳感器(23)、外框?qū)щ娀h(huán)(24)組成，其中四自由度磁軸承(I)位于控制力矩陀螺的中部，其定子部分安裝在芯軸(7)的中部，四自由度磁軸承(I)定子的上端為上保護軸承(5)，上保護軸承(5)也固定在芯軸(7)上，上保護軸承(5)的徑向外側(cè)為上傳感器檢測環(huán)(10)，上保護軸承(5)與上傳感器檢測環(huán)(10)之間形成徑向保護間隙和軸向保護間隙，上傳感器檢測環(huán)(10)的徑向外側(cè)是徑軸一體化傳感器(3)，徑軸一體化傳感器(3)的徑向探頭和軸向探頭與上傳感器檢測環(huán)(10)之間形成徑向探測間隙和軸向探測間隙，徑軸一體化傳感器⑶通過傳感器座與芯軸(7)固連；四自由度磁軸承⑴定子的下端為下保護軸承(6)，下保護軸承(6)也固定在芯軸(7)上，其徑向外側(cè)為下傳感器檢測環(huán)(11)，下保護軸承(6)和下傳感器檢測環(huán)(11)之間形成徑向保護間隙，下傳感器檢測環(huán)(11)的徑向外側(cè)是徑向傳感器(4)，徑向傳感器(4)的探頭與下傳感器檢測環(huán)(11)之間形成徑向探測間隙，徑向傳感器(4)通過傳感器座與底座(9)固連；四自由度磁軸承(I)的轉(zhuǎn)子的徑向外側(cè)是輪體(8)，兩者采用過盈配合，輪體⑶的下端安裝有高速電機(2)的內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心和外轉(zhuǎn)子鐵心，高速電機(2)的定子與內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心和外轉(zhuǎn)子鐵心之間形成磁間隙，并通過連接板固定在底座(9)上，殼體(12)與底座(9)通過螺釘相連，用以將輪體密封起來；殼體(12)的兩端與內(nèi)框框架芯軸(13)相連，內(nèi)框框架芯軸(13)通過內(nèi)框機械軸承
(16)與內(nèi)框框架(15)固連，內(nèi)框框架(15)的一端與內(nèi)框框架電機(14)的定子部分相連，另一端與內(nèi)框角位置傳感器(17)的定子相連，內(nèi)框角位置傳感器(17)的定子與內(nèi)框?qū)щ娀h(huán)(18)的靜止部分相連；內(nèi)框框架電機(14)的轉(zhuǎn)子部分與內(nèi)框框架芯軸(13)連接，內(nèi)框角位置傳感器(17)的轉(zhuǎn)子以及內(nèi)框?qū)щ娀h(huán)(18)的轉(zhuǎn)動部分與另一端的內(nèi)框框架芯軸
(13)固連；內(nèi)框框架(15)的兩端與外框框架芯軸(19)相連，外框框架芯軸(19)通過外框機械軸承(22)與外框框架(21)固連，外框框架(21)的一端與外框框架電機(20)的定子部分相連，另一端與外框角位置傳感器(23)的定子相連，外框角位置傳感器(23)的定子與外框?qū)щ娀h(huán)(24)的靜止部分相連；外框框架電機(20)的轉(zhuǎn)子部分與外框框架芯軸(19)連接，外框角位置傳感器(23)的轉(zhuǎn)子以及外框?qū)щ娀h(huán)(24)的轉(zhuǎn)動部分與另一端的外框框架芯軸(19)固連。
[0023]所述的四自由度磁軸承⑴由被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(101)、轉(zhuǎn)子永磁體(102)、轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體(103)、轉(zhuǎn)子鐵心(104)、氣隙(105)、定子鐵心(106)、定子導(dǎo)磁環(huán)(107)、定子永磁體(108)、線圈(109)、被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)和被動部分氣隙(111)組成，其中每個定子鐵心(106)由4個磁極組成，兩個定子鐵心(106)組成磁軸承上下兩端8個磁極，分別組成X、Y軸正負(fù)方向的磁極，每個定子鐵心(106)的磁極上繞制有線圈(109)，定子鐵心(106)外部為轉(zhuǎn)子鐵心(104)，轉(zhuǎn)子鐵心(104)外部為轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體(103)，轉(zhuǎn)子鐵心(104)內(nèi)表面與定子鐵心(106)外表面留有一定的間隙，形成氣隙(105)，定子鐵心(106)的徑向內(nèi)部為定子導(dǎo)磁環(huán)(107)，兩個被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)位于兩個定子鐵心(106)之間，定子鐵心(106)與被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)之間有兩個定子永磁體(108),兩個被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)之間有一個定子永磁體(108),被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)的徑向外部為被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(101)，兩個轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體(103)之間為轉(zhuǎn)子永磁體(102)，被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(101)的內(nèi)表面與被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(107)的外表面之間留有一定間隙,形成被動部分氣隙(111)。
[0024]所述的每個定子鐵心(106)的磁極繞制有線圈(109)為獨立控制。
[0025]所述的轉(zhuǎn)子永磁體(102)和每個定子永磁體(108)為軸向圓環(huán)，沿軸向充磁，且體積相等。
[0026]所述的被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(101)和被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)由實心整環(huán)導(dǎo)磁材料制成。
[0027]所述的被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(101)和被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)為兩個、四個、六個或八個。
[0028]所述的徑軸一體化傳感器(3)具有4個正交放置的徑向探頭和4個正交放置的軸向探頭，軸向探頭完成輪體(8)的軸向平動、兩個徑向轉(zhuǎn)動三個廣義位移的檢測，徑向探頭完成輪體(8)的兩個徑向平動廣義位移的檢測。
[0029]所述的每個定子鐵心(106)的磁極繞制有線圈(109)為獨立控制，以實現(xiàn)磁軸承轉(zhuǎn)動部分的徑向平動控制和徑向扭轉(zhuǎn)控制，即實現(xiàn)磁軸承轉(zhuǎn)動部分沿X和I方向的兩個平動自由度控制和繞X及y方向的兩個扭轉(zhuǎn)自由度控制(共四個自由度)。
[0030]所述的被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(101)和被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)由實心整環(huán)導(dǎo)磁材料制成，通過被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(101)和被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)的軸向錯位實現(xiàn)磁軸承的軸向穩(wěn)定(即軸向平動自由度為被動)。
[0031]為了增加被動部分的剛度，所述的被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(101)和被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)為兩個、四個、六個或八個，其中圖5給出了被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)和被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)為4個的外轉(zhuǎn)子四自由度磁軸承截面圖。
[0032]另外，為了減小被動部分對主動部分帶來的附加位移負(fù)剛度，所述的被動部分氣隙(111)的磁阻為氣隙(105)磁阻的2?4倍。
[0033]所述的內(nèi)框角位置傳感器(17)和外框角位置傳感器(23)為旋轉(zhuǎn)變壓器，也可以為光電碼盤。
[0034]上述本發(fā)明技術(shù)方案所用的被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(101)、轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體(103)、定子導(dǎo)磁環(huán)(107)和被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)均為實心結(jié)構(gòu),采用導(dǎo)磁性能良好的材料制成，如電工純鐵、各種碳鋼、鑄鐵、鑄鋼、合金鋼、1J50和1J79等磁性材料等。定子鐵心(106)和轉(zhuǎn)子鐵心(104)可用導(dǎo)磁性能良好的材料如電工純鐵、電工硅鋼板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79等磁性材料沖壓疊制而成。轉(zhuǎn)子永磁體(102)和定子永磁體(108)的材料為磁性能良好的稀土永磁體、釹鐵硼永磁體或鐵氧體永磁體，轉(zhuǎn)子永磁體(102)和定子永磁體(108)為軸向圓環(huán)，沿軸向充磁，且轉(zhuǎn)子永磁體(102)和每個定子永磁體(108)要保證體積相等，相鄰定子永磁體(108)的充磁方向相反,被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)之間的定子永磁體(108)的充磁方向與被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)之間的轉(zhuǎn)子永磁體(102)的充磁方向相反。線圈(109)采用導(dǎo)電良好的電磁線繞制后浸漆烘干而成。另外，由于永磁體產(chǎn)生的磁場通過定子鐵心磁極在轉(zhuǎn)子鐵心中產(chǎn)生的磁場是大小變化的，因此在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生渦流損耗，為減小這部分損耗，定子鐵心(106)的磁極應(yīng)采用極靴形式(如圖3所示)以減小高速下的渦流損耗，其中圖3a為極靴形式的端面圖，圖3b為定子磁極夾角為62度時的端面圖，兩種結(jié)構(gòu)的定子鐵心端面按照不同需求進行選擇使用，對于體積較小的磁軸承，宜采用圖3b所示結(jié)構(gòu)，對于體積稍大要求的磁軸承，則宜采用圖3a所示結(jié)構(gòu)。圖3a中定子鐵心磁極根部與定子鐵心軛部之間的銳角會導(dǎo)致磁密集中過大的問題，此時可以采用圖3b中給出的定子鐵心端面圖，圖中給出的定子鐵心磁極兩邊對應(yīng)的圓心角為62度，這種結(jié)構(gòu)可以有效減小定子鐵心磁極根部與定子鐵心軛部之間的銳角所導(dǎo)致的磁密集中。
[0035]圖6為本發(fā)明的高速電機⑵軸向剖面圖，由電機杯形定子(201)、電機外轉(zhuǎn)子壓板(202)、外轉(zhuǎn)子疊層(203)、磁鋼(204)、內(nèi)轉(zhuǎn)子疊層(205)和內(nèi)轉(zhuǎn)子壓板(206)組成，磁鋼(204)的徑向外側(cè)是外轉(zhuǎn)子疊層(203)，外轉(zhuǎn)子疊層(203)和磁鋼(204)的軸向下端安裝有電機外轉(zhuǎn)子壓板(202)，磁鋼(204)的徑向內(nèi)側(cè)是內(nèi)轉(zhuǎn)子疊層(205)，內(nèi)轉(zhuǎn)子疊層(205)的軸向下端安裝有內(nèi)轉(zhuǎn)子壓板(206)。其中杯形定子(201)為電機靜止部分，其余為轉(zhuǎn)動部分，杯形定子(201)位于磁鋼204和內(nèi)轉(zhuǎn)子疊層(205)之間，通過螺釘以及連接板與底座
(9)固連。
[0036]圖7為本發(fā)明的徑軸一體化傳感器(3)的示意圖，該位移傳感器由探頭(301)?探頭(308)與傳感器外殼(309)兩部分組成，其中探頭(301)、探頭(303)、探頭(305)和探頭(307)在軸向端面上分別沿+y、+x、-y和_x均勻放置，構(gòu)成軸向探頭，探頭(302)、探頭(304)、探頭(306)和探頭(308)在徑向圓周上分別沿+y、+x、_y和_x均勻放置，構(gòu)成徑向探頭。軸向探頭完成軸向平動和兩個繞徑向轉(zhuǎn)動三個廣義位移的檢測，徑向探頭完成兩個徑向平動位移的檢測。傳感器外殼(309)屏蔽電磁干擾，內(nèi)部為檢測電路，完成轉(zhuǎn)子位移信息的提取。本發(fā)明的傳感器探頭的放置方式不是唯一的，只要保證4個徑向探頭正交以及4個軸向探頭正交即可，徑向探頭與軸向探頭的相對位置可任意。
[0037]圖8所示的內(nèi)框框架電機(14)主要由定子疊層(141)、定子繞組(142)、轉(zhuǎn)子磁鋼(143)、轉(zhuǎn)子鐵心(144)、轉(zhuǎn)子壓板(145)，其中定子疊層(141)和定子繞組(142)為框架電機靜止部分，其余為轉(zhuǎn)動部分。其中轉(zhuǎn)子鐵心(144)采用導(dǎo)磁性好的1J22棒材制成。定子疊層(141)與內(nèi)框框架(15)過盈配合，轉(zhuǎn)子磁鋼(143)與轉(zhuǎn)子鐵心(144)過盈配合，轉(zhuǎn)子鐵心(144)與內(nèi)框框架芯軸(13)通過過盈配合相連，外框框架電機(20)的結(jié)構(gòu)與內(nèi)框框架電機(14)完全相同。
[0038]本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于:由四自由度磁軸承(I)、高速電機(2)、徑軸一體化傳感器(3)、徑向傳感器(4)、上保護軸承(5)、下保護軸承(6)、芯軸(7)、輪體(8)、底座(9)、上傳感器檢測環(huán)(10)、下傳感器檢測環(huán)(11)、殼體(12)、內(nèi)框框架芯軸(13)、內(nèi)框框架電機(14)、內(nèi)框框架(15)、內(nèi)框機械軸承(16)、內(nèi)框角位置傳感器(17)、內(nèi)框?qū)щ娀h(huán)(18)、外框框架芯軸(19)、外框框架電機(20)、外框框架(21)、外框機械軸承(22)、外框角位置傳感器(23)、外框?qū)щ娀h(huán)(24)組成，其中四自由度磁軸承(I)位于控制力矩陀螺的中部，其定子部分安裝在芯軸(7)的中部，四自由度磁軸承(I)定子的上端為上保護軸承(5)，上保護軸承(5)也固定在芯軸(7)上，上保護軸承(5)的徑向外側(cè)為上傳感器檢測環(huán)(10)，上保護軸承(5)與上傳感器檢測環(huán)(10)之間形成徑向保護間隙和軸向保護間隙，上傳感器檢測環(huán)(10)的徑向外側(cè)是徑軸一體化傳感器(3)，徑軸一體化傳感器(3)的徑向探頭和軸向探頭與上傳感器檢測環(huán)(10)之間形成徑向探測間隙和軸向探測間隙，徑軸一體化傳感器⑶通過傳感器座與芯軸(7)固連；四自由度磁軸承⑴定子的下端為下保護軸承(6)，下保護軸承(6)也固定在芯軸(7)上，其徑向外側(cè)為下傳感器檢測環(huán)(11)，下保護軸承(6)和下傳感器檢測環(huán)(11)之間形成徑向保護間隙，下傳感器檢測環(huán)(11)的徑向外側(cè)是徑向傳感器(4)，徑向傳感器(4)的探頭與下傳感器檢測環(huán)(11)之間形成徑向探測間隙，徑向傳感器(4)通過傳感器座與底座(9)固連；四自由度磁軸承(I)的轉(zhuǎn)子的徑向外側(cè)是輪體(8)，兩者采用過盈配合，輪體⑶的下端安裝有高速電機(2)的內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心和外轉(zhuǎn)子鐵心，高速電機(2)的定子與內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心和外轉(zhuǎn)子鐵心之間形成磁間隙，并通過連接板固定在底座(9)上，殼體(12)與底座(9)通過螺釘相連，用以將輪體密封起來；殼體(12)的兩端與內(nèi)框框架芯軸(13)相連，內(nèi)框框架芯軸(13)通過內(nèi)框機械軸承(16)與內(nèi)框框架(15)固連，內(nèi)框框架(15)的一端與內(nèi)框框架電機(14)的定子部分相連，另一端與內(nèi)框角位置傳感器(17)的定子相連，內(nèi)框角位置傳感器(17)的定子與內(nèi)框?qū)щ娀h(huán)(18)的靜止部分相連；內(nèi)框框架電機(14)的轉(zhuǎn)子部分與內(nèi)框框架芯軸(13)連接，內(nèi)框角位置傳感器(17)的轉(zhuǎn)子以及內(nèi)框?qū)щ娀h(huán)(18)的轉(zhuǎn)動部分與另一端的內(nèi)框框架芯軸(13)固連；內(nèi)框框架(15)的兩端與外框框架芯軸(19)相連，外框框架芯軸(19)通過外框機械軸承(22)與外框框架(21)固連，外框框架(21)的一端與外框框架電機(20)的定子部分相連，另一端與外框角位置傳感器(23)的定子相連，外框角位置傳感器(23)的定子與外框?qū)щ娀h(huán)(24)的靜止部分相連；外框框架電機(20)的轉(zhuǎn)子部分與外框框架芯軸(19)連接，外框角位置傳感器(23)的轉(zhuǎn)子以及外框?qū)щ娀h(huán)(24)的轉(zhuǎn)動部分與另一端的外框框架芯軸(19)固連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于:所述的四自由度磁軸承(I)由被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(101)、轉(zhuǎn)子永磁體(102)、轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體(103)、轉(zhuǎn)子鐵心(104)、氣隙(105)、定子鐵心(106)、定子導(dǎo)磁環(huán)(107)、定子永磁體(108)、線圈(109)、被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)和被動部分氣隙(111)組成，其中每個定子鐵心(106)由4個磁極組成，兩個定子鐵心(106)組成磁軸承上下兩端8個磁極，分別組成X、Y軸正負(fù)方向的磁極，每個定子鐵心(106)的磁極上繞制有線圈(109),定子鐵心(106)外部為轉(zhuǎn)子鐵心(104)，轉(zhuǎn)子鐵心(104)外部為轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體(103)，轉(zhuǎn)子鐵心(104)內(nèi)表面與定子鐵心(106)外表面留有一定的間隙，形成氣隙(105)，定子鐵心(106)的徑向內(nèi)部為定子導(dǎo)磁環(huán)(107)，兩個被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)位于兩個定子鐵心(106)之間，定子鐵心(106)與被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)之間有兩個定子永磁體(108),兩個被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)之間有一個定子永磁體(108)，被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)的徑向外部為被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(101),兩個轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體(103)之間為轉(zhuǎn)子永磁體(102),被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(101)的內(nèi)表面與被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(107)的外表面之間留有一定間隙，形成被動部分氣隙(111)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于:所述的每個定子鐵心(106)的磁極繞制有線圈(109)為獨立控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于:所述的轉(zhuǎn)子永磁體(102)和每個定子永磁體(108)為軸向圓環(huán),沿軸向充磁,且體積相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于:所述的被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(101)和被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)由實心整環(huán)導(dǎo)磁材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于:所述的被動部分轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)(101)和被動部分定子導(dǎo)磁環(huán)(110)為兩個、四個、六個或八個。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于:所述的徑軸一體化傳感器(3)具有4個正交放置的徑向探頭和4個正交放置的軸向探頭，軸向探頭完成輪體(8)的軸向平動、兩個徑向轉(zhuǎn)動三個廣義位移的檢測，徑向探頭完成輪體(8)的兩個徑向平動廣義位移的檢測。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于:所述的內(nèi)框角位置傳感器(17)和外框角位置傳感器(23)為旋轉(zhuǎn)變壓器，也可以為光電碼盤。
【文檔編號】G01C19/24GK104176277SQ201410384117
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】孫津濟, 湯繼強, 劉虎, 韓偉濤, 樂韻 申請人:北京航空航天大學(xué)