一种磁悬浮反作用飞轮制造技术

一种磁悬浮反作用飞轮，可作为卫星、对地观测平台、空间望远镜等航天器的姿态控制执行机构，主要由轮体、外壳、安装轴、径向磁悬浮轴承、轴向磁悬浮轴承、上保护轴承、下保护轴承、轴承座、锁紧螺母、位移传感器、位移传感器支座、电机和底座等部件组成。径向磁悬浮轴承控制转子径向平动，轴向磁悬浮轴承控制转子的径向转动和轴向平动。本发明专利技术各个组件布局合理、紧凑，减小了体积，减轻了重量，消除了机械轴承飞轮的转速过零摩擦力和机械磨损，提高了飞轮的控制精度和使用寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种磁悬浮反作用飞轮，可作为卫星、对地观测平台、宇宙飞船、空间望远镜等航天器的姿态控制系统执行机构。
技术介绍
卫星、对地观测平台、宇宙飞船、空间望远镜等航天器的姿态控制执行机构要求体积小、重量轻、寿命长、功耗低、可靠性高。目前作为航天器姿态控制系统执行机构的飞轮，一般仍旧采用机械轴承支承，这就从根本上限制了飞轮转速的提高，因此为了达到所需的角动量，就不得不增加飞轮重量，增大体积。另外，机械轴承存在机械磨损、不平衡振动不可控和过零摩擦力矩大等问题，严重影响了飞轮的使用寿命以及航天器姿态控制的精度和稳定度。现有的基于磁轴承支承的磁悬浮飞轮，其两个径向磁悬浮轴承沿轴向并排放置，且位于飞轮的中部，受到轴向长度的限制，两个径向磁悬浮轴承之间的距离很短，为了满足卫星大角速率机动时的承载力要求，需要增加径向磁悬浮轴承在径向方向的尺寸，这势必增加了飞轮的重量和体积。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是克服现有机械轴承飞轮和两个径向磁悬浮轴承轴向并置的磁悬浮飞轮的不足，提供一种体积小、重量轻、振动噪声小、寿命长的磁悬浮反作用飞轮。本专利技术的技术解决方案是磁悬浮反作用飞轮由静止部分和转动部分组成，静止部分包括径向磁悬浮轴承的定子部分、上保护轴承、下保护轴承、锁紧螺母、轴向磁悬浮轴承的定子部分、安装轴、位移传感器、位移传感器支座、电机的定子部分、外壳和底座；转动部分包括轮体、径向磁悬浮轴承的转子部分、轴向磁悬浮轴承的转子部分、电机的转子部分和轴承座。径向磁悬浮轴承位于飞轮的中部，沿轴向两端分别装有上保护轴承和下保护轴承，下保护轴承与安装轴相连，上保护轴承通过锁紧螺母安装在安装轴上，上保护轴承和下保护轴承的径向外侧是轴承座，轴承座与轮体相连，轴承座的轴向外侧是轴向磁悬浮轴承，轴向磁悬浮轴承的转子部分固定在轴承座上，其定子部分与安装轴相连，径向磁悬浮轴承的径向外侧是位移传感器，位移传感器通过位移传感器支座与底座连接在一起，电机位于轮体的轮缘部分，其转子部分安装在轮体的轮缘上，定子部分与底座相连，安装轴和外壳均安装在底座上，底座位于飞轮的最底部。所述的轴向磁悬浮轴承的定子部分由4组相同的定子铁芯组成，4组定子铁芯无磁路耦合，完成轮体轴向平动自由度和两个径向转动自由度的主动控制；轴向磁悬浮轴承为非机械接触的主动控制磁悬浮轴承，采用纯电励磁的主动式磁悬浮轴承，或永磁偏置、电磁控制的主动式磁悬浮轴承。径向磁悬浮轴承为永磁偏置、电磁控制的主动式磁悬浮轴承，或纯电励磁的主动式磁悬浮轴承，完成轮体两个径向平动自由度的控制。所述的位移传感器具有4个正交放置的径向探头和4个正交放置的轴向探头，轴向探头完成轮体的轴向平动、两个径向转动三个广义位移的检测，径向探头完成轮体的两个径向平动广义位移的检测。本专利技术的原理是通过控制径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承的电励磁线圈电流完成转子的两个径向平动、两个径向转动和轴向平动五个自由度的控制，保持飞轮的旋转部分与飞轮静止部分间隙均匀；通过电机控制飞轮轮体转动，实现力矩输出。与现有磁悬浮飞轮采用两个径向磁悬浮轴承控制转子两个径向平动自由度和两个径向转动自由度、轴向磁悬浮轴承控制转子轴向平动自由度的方式不同，本专利技术采用轴向磁悬浮轴承控制转子两个径向转动自由度和轴向平动自由度，而径向磁悬浮轴承只控制转子两个径向平动自由度。图8为本专利技术的磁轴承控制力分解原理图，两个轴向磁悬浮轴承分别定义为I和II，安装时保证两个轴向磁悬浮轴承的4组定子铁芯正对，即同时保证两个轴向磁悬浮轴承的4组定子铁芯分别沿+x、-x、+y和-y放置，径向磁悬浮轴承安装时同样保证4个定子磁极分别沿+x、-x、+y和-y放置。图8(a)为yoz平面内的控制力分解图，图8(b)为xoz平面内的控制力分解图。轴向磁悬浮轴承I的4组定子铁芯产生的磁力分别为f11、f21、f31和f41，磁力方向均为+z方向；轴向磁悬浮轴承II的4组定子铁芯产生的磁力分别为f12、f22、f32和f42，磁力方向均为-z方向；径向磁悬浮轴承四个定子磁极产生的磁力分别为f51、f52、f61和f62，磁力方向分别为+x、-x、+y和-y。定义f11与f12、f21与f22、f31与f32、f41与f42、f51与f52、f61和f62产生的合力分别为f1、f2、f3、f4、f5、f6且满足f1＝f11-f12；f2＝f21-f22；f3＝f31-f32；f4＝f41-f42；f5＝f51-f52；f6＝f61-f62；根据图8可得到磁轴承产生的广义控制力为fx=f5fy=f6Mx=-f1·d2+f2·d2My=-f3·d2+f4·d2fz=f1+f2+f3+f4]]>其中fx，fy，Mx，My，fz分别为+x向平动控制力、+y向平动控制力、+x向转动控制力矩、+y向转动控制力矩、+z向平动控制力，d为轴向磁悬浮轴承+x和-x的两组定子铁芯或+y和-y的两组定子铁芯之间的距离。根据磁轴承控制力的表达式可知通过控制径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承产生的电磁力可以实现对五个自由度广义控制力的控制，而控制磁悬浮轴承线圈电流即可控制电磁力。当飞轮的径向磁悬浮轴承的转子部分与定子部分的间隙或轴向磁悬浮轴承的转子部分与定子部分间隙发生变化时，位移传感器将及时检测出间隙的变化并将位移信号反馈到磁轴承控制器，磁轴承控制器通过控制轴向磁悬浮轴承线圈和径向磁悬浮轴承线圈的电流即可产生需要的广义控制力，实现五个自由度的稳定控制，从而保持飞轮的静止部分与转动部分的间隙均匀，维持飞轮正常稳定运转。本专利技术与现有技术相比的优点在于本专利技术采用轴向磁悬浮轴承控制转子的轴向平动和径向转动，径向磁悬浮轴承只控制转子径向平动，解决了机械轴承飞轮的磨损和转速过零摩擦问题，且相对于传统的两个径向磁悬浮轴承轴向并置的磁悬浮飞轮具有以下优点(1)由于只需要一个径向磁悬浮轴承控制转子的平动，有效减小了定子轴的轴向尺寸，显著提高了其一阶固有模态频率，减轻了定子轴一阶固有模态引入的振动，降低了飞轮的振动水平，提高了发射段飞轮的抗冲击载荷能力与可靠性；轴向尺寸的减小，可以使转子更多的质量集中在轮缘，有效地增大了转子的极转动惯量/质量比，减轻了飞轮重量，组件布局更加合理、紧凑；(2)本专利技术飞轮的径向转动控制力矩由轴向磁悬浮轴承产生，现有磁悬浮飞轮的径向转动控制力矩的力臂为两个径向磁悬浮轴承的跨距，而本专利技术的径向转动控制力矩的力臂取决于轴向磁悬浮轴承外径，因此相对于现有磁悬浮飞轮结构，本专利技术的径向转动控制力矩的力臂显著增大，提高了抵抗外界扰动的能力，在控制力矩不变的情况下显著减小了所需的控制力，磁轴承尺寸以及功耗。附图说明图1为本专利技术的一种磁悬浮反作用飞轮的结构简图；图2为本专利技术的纯电励磁的主动式轴向磁悬浮轴承的轴向剖面图和端面图，其中(a)为轴向剖面图，(b)为端面图；图3为本专利技术的永磁偏置、电磁控制的主动式轴向磁悬浮轴承的轴向剖面图和端面图，其中(a)为轴向剖面图，(b)为端面图；图4为本专利技术的永磁偏置、电磁控制的主动式径向磁悬浮轴承的轴向剖面图和端面图，其中(a)为轴向剖面图，(b)为端面图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁悬浮反作用飞轮，由静止部分和转动部分组成，其特征在于：静止部分包括：径向磁悬浮轴承（８）的定子部分、上保护轴承（７）、下保护轴承（１３）、锁紧螺母（５）、轴向磁悬浮轴承（３）的定子部分、安装轴（６）、位移传感器（９）、位移传感器支座（１１）、电机（１０）的定子部分、外壳（１）和底座（１２）；转动部分包括：轮体（２）、径向磁悬浮轴承（８）的转子部分、轴向磁悬浮轴承（３）的转子部分、电机（１０）的转子部分和轴承座（４）。径向磁悬浮轴承（８）位于飞轮的中部，沿轴向两端分别装有上保护轴承（７）和下保护轴承（１３），下保护轴承（１３）与安装轴（６）相连，上保护轴承（７）通过锁紧螺母（５）安装在安装轴（６）上，上保护轴承（７）和下保护轴承（１３）的径向外侧是轴承座（４），轴承座（４）与轮体（２）相连，轴承座（４）的轴向外侧是轴向磁悬浮轴承（３），轴向磁悬浮轴承（３）的转子部分固定在轴承座（４）上，其定子部分与安装轴（６）相连，径向磁悬浮轴承（８）的径向外侧是位移传感器（９），位移传感器（９）通过位移传感器支座（１１）与底座（１２）连接在一起，电机（１０）位于轮体（２）的轮缘部分，其转子部分安装在轮体（２）的轮缘上，定子部分与底座（１２）相连，安装轴（６）和外壳（１）均安装在底座（１２）上，底座（１２）位于飞轮的最底部。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：房建成，刘虎，孙津济，刘刚，韩邦成，樊亚洪，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]