專利名稱：雙框架磁懸浮控制力矩陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，可作為長(zhǎng)期運(yùn)行或要求大機(jī)動(dòng)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(jī)構(gòu)。
技術(shù)背景控制力矩陀螺是應(yīng)用在航天器上的一類慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要由飛輪和框架系統(tǒng)組成， 通過(guò)框架伺服系統(tǒng)控制飛輪角動(dòng)量的方向，從而輸出陀螺力矩對(duì)航天器的姿態(tài)進(jìn)行控制。 要求大機(jī)動(dòng)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(jī)構(gòu)要求輸出 力矩大、壽命長(zhǎng)、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(dòng)量的飛輪的轉(zhuǎn)速要高，以減輕重量、縮小體積；要求框架系統(tǒng)的力矩電機(jī)輸出力 矩大、控制精度高。根據(jù)框架的自由度個(gè)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(diǎn)是動(dòng)量包絡(luò)為球體、奇異性不明顯、構(gòu)型和控制 律簡(jiǎn)單、便于操縱，安裝可靠方便，相同冗余度時(shí)，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(jī)構(gòu)。作為飛 輪轉(zhuǎn)子的支承部件，現(xiàn)有的雙框架控制力矩陀螺采用機(jī)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(dòng)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(dòng)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(diǎn)是體積和重量大、控制精度低、可靠性差、 壽命比較短等。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種壽命長(zhǎng)、控制精度高、可 靠性高、振動(dòng)小的雙框架磁懸浮控制力矩陀螺。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是雙框架磁懸浮控制力矩陀螺由飛輪系統(tǒng)、內(nèi)框架系統(tǒng)和外 框架系統(tǒng)三部分組成，其中飛輪系統(tǒng)分為靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分，其特征在于靜止部分主 要包括徑向混合磁軸承的靜止部分、徑向位移傳感器、軸向磁軸承、軸向位移傳感器、保 護(hù)軸承、高速電機(jī)的定子部分、上陀螺房、下陀螺房、密封蓋；轉(zhuǎn)動(dòng)部分主要包括轉(zhuǎn)軸、 徑向混合磁軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)部分、高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分，兩個(gè)高速電機(jī)處于飛輪的中部，軸向 磁軸承位于高速電機(jī)的左右兩側(cè)、分別與上陀螺房和下陀螺房相連接；高速電機(jī)徑向外側(cè)依次連接徑向混合磁軸承、徑向位移傳感器、保護(hù)軸承、軸向位移傳感器、上陀螺房和下 陀螺房，其中徑向位移傳感器與徑向混合磁軸承的靜止部分相連接，徑向混合磁懸浮磁軸 承的靜止部分同時(shí)還分別與上陀螺房和下陀螺相連接，上陀螺房和下陀螺房分別與密封蓋 相連接；高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分、徑向混合磁懸浮磁軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)部分分別與轉(zhuǎn)軸連接在一起， 保護(hù)軸承和軸向位移傳感器通過(guò)保護(hù)軸承壓板和軸承座與上陀螺房和下陀螺房相連接，保 護(hù)軸承與轉(zhuǎn)軸之間在徑向上形成徑向保護(hù)間隙，保護(hù)軸承與轉(zhuǎn)軸的軸肩之間形成軸向保護(hù) 間隙，徑向位移傳感器的探頭與檢測(cè)環(huán)之間為徑向探測(cè)間隙，軸向位移傳感器與轉(zhuǎn)軸的端 部之間為軸向探測(cè)間隙；內(nèi)框架系統(tǒng)主要由內(nèi)框架、內(nèi)框架機(jī)械軸承、內(nèi)框架力矩電機(jī)、 內(nèi)框架電機(jī)軸、內(nèi)框架電機(jī)機(jī)械軸承、內(nèi)框架減速器、內(nèi)框架減速器軸、內(nèi)框架角位置傳 感器、內(nèi)框架傳感器軸、內(nèi)框架導(dǎo)電滑環(huán)、內(nèi)框架導(dǎo)電滑環(huán)支架和內(nèi)框架端蓋以及相應(yīng)的 內(nèi)框架控制系統(tǒng)組成，內(nèi)框架力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過(guò)內(nèi)框架電機(jī)軸與內(nèi)框架減速器連接，內(nèi) 框架減速器通過(guò)內(nèi)框架減速器軸與上陀螺房一端的軸孔相連，內(nèi)框架力矩電機(jī)的定子、內(nèi) 框架電機(jī)機(jī)械軸承的靜止部分與內(nèi)框架相連，內(nèi)框架導(dǎo)電滑環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分通過(guò)內(nèi)框架導(dǎo)電 滑環(huán)支架與內(nèi)框架傳感器軸相連，內(nèi)框架導(dǎo)電滑環(huán)的靜止部分與內(nèi)框架端蓋相連，內(nèi)框架 角位置傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)部分通過(guò)內(nèi)框架導(dǎo)電滑環(huán)支架和內(nèi)框架傳感器軸與上陀螺房另一端的 軸孔相連，內(nèi)框架角位置傳感器的固定部分與內(nèi)框架相連，內(nèi)框架電機(jī)機(jī)械軸承對(duì)內(nèi)框架 力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分起支承作用，內(nèi)框架機(jī)械軸承對(duì)內(nèi)框架減速器和內(nèi)框架角位置傳感器、 內(nèi)框架導(dǎo)電滑環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分起支承作用；外框架系統(tǒng)由外框架、外框架機(jī)械軸承、外框架力矩電機(jī)、外框架電機(jī)軸、外框架電 機(jī)機(jī)械軸承、外框架減速器、外框架減速器軸、外框架角位置傳感器、外框架傳感器軸、 外框架導(dǎo)電滑環(huán)、外框架導(dǎo)電滑環(huán)支架和外框架端蓋以及相應(yīng)的外框架控制系統(tǒng)組成，外 框架力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過(guò)外框架電機(jī)軸與外框架減速器連接，外框架減速器通過(guò)外框架減 速器軸分別與內(nèi)框架一端的軸孔相連，外框架力矩電機(jī)的定子、外框架電機(jī)機(jī)械軸承的靜 止部分與外框架相連，外框架導(dǎo)電滑環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分通過(guò)外框架導(dǎo)電滑環(huán)支架與外框架傳感器軸相連，外框架導(dǎo)電滑環(huán)的靜止部分與外框架端蓋相連，外框架角位置傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)部 分通過(guò)外框架導(dǎo)電滑環(huán)支架和外框架傳感器軸與內(nèi)框架另一端的軸孔相連，外框架角位置 傳感器的固定部分與外框架相連，外框架電機(jī)機(jī)械軸承對(duì)外框架力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分起支 承作用，外框架機(jī)械軸承對(duì)外框架減速器和外框架角位置傳感器、外框架導(dǎo)電滑環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng) 部分起支承作用。所述的徑向混合磁軸承為非機(jī)械接觸軸承，是永磁偏置、電磁控制的混合磁軸承，包 括轉(zhuǎn)動(dòng)部分和靜止部分，其中外導(dǎo)磁環(huán)Y永磁體、定子鐵心、激磁線圈、內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)、轉(zhuǎn)子鐵心、磁氣隙、激磁氣隙組成，其中內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)、永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心為轉(zhuǎn)動(dòng)部分，其余為靜 止部分。所述的軸向磁軸承為非機(jī)械接觸軸承，是永磁偏置、電磁控制的混合磁軸承，包括軸 承體、激磁線圈、永磁體、導(dǎo)磁環(huán)、激磁氣隙。所述的高速電機(jī)包括靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分，轉(zhuǎn)動(dòng)部分主要由內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體和外 轉(zhuǎn)子鐵心部件組成部分，靜止部分主要由空心杯定子組成。高速電機(jī)不含有機(jī)械軸承，徑 向混合磁軸承、軸向磁軸承同時(shí)為高速電機(jī)起到徑向和軸向支承定位作用。所述的高速電機(jī)是無(wú)定子鐵心的空心杯形永磁無(wú)刷直流電機(jī)，或?yàn)橛来磐诫姍C(jī)。所述的框架系統(tǒng)用的力矩電機(jī)和均為無(wú)齒槽的低速力矩電機(jī)，或?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)。所述的角位置傳感器和均為旋轉(zhuǎn)變壓器，或?yàn)楦袘?yīng)同步器。所述的徑向位移傳感器的探頭與檢測(cè)環(huán)之間為探測(cè)間隙，測(cè)量范圍為0.25mm 1.25mm。 所述的軸向位移傳感器與轉(zhuǎn)軸的端部之間為軸向探測(cè)間隙，測(cè)量范圍為0.5~1.5mm。 所述的減速器為諧波減速器，或?yàn)橹饼X輪減速器，或?yàn)闉V波減速器。 本發(fā)明的原理是:雙框架控制力矩陀螺由飛輪系統(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(guò)飛輪系統(tǒng)的質(zhì)心。通過(guò)飛輪 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制部分使得飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速保持恒定，通過(guò)高速轉(zhuǎn)子提供角動(dòng)量。內(nèi)框 架系統(tǒng)和外框架系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)迫使飛輪的角動(dòng)量改變方向，從而輸出陀螺力矩，陀螺力矩等于 框架轉(zhuǎn)速矢量與飛輪角動(dòng)量矢量的叉積。其中，內(nèi)框架系統(tǒng)控制飛輪角動(dòng)量作一個(gè)自由度 的進(jìn)動(dòng)，外框架系統(tǒng)控制飛輪角動(dòng)量作另一個(gè)自由度的進(jìn)動(dòng)，從而內(nèi)框架系統(tǒng)和外框架系 統(tǒng)控制飛輪兩個(gè)自由度的進(jìn)度，產(chǎn)生兩個(gè)自由度的陀螺力矩。通過(guò)一個(gè)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(gè)雙框架控制力矩陀螺可實(shí)現(xiàn)航天器三自由 度姿態(tài)控制。作為控制力矩陀螺的支承部件，徑向混合磁軸承保持飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸與飛輪系 統(tǒng)的靜止部分的徑向間隙穩(wěn)定不變及高速電機(jī)定轉(zhuǎn)子的徑向間隙穩(wěn)定不變，軸向磁軸承保 持飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸軸向間隙穩(wěn)定不變。當(dāng)控制力矩陀螺受到外界干擾后，使轉(zhuǎn)軸的徑向或軸 向間隙發(fā)生變化時(shí)，徑向位移傳感器和軸向位移傳感器將及時(shí)檢測(cè)出間隙的變化，發(fā)出檢 測(cè)信號(hào)，外加磁軸承控制器通過(guò)增加或減小徑向混合磁軸承和軸向磁軸承電磁線圈中的電 流，使其產(chǎn)生的電磁磁密與永磁磁密相疊加或相誠(chéng)'，從而譜大或減小徑向混合磁軸承和軸 向磁軸承的磁力，從而保證控制力矩陀螺飛輪系統(tǒng)的靜止部分與轉(zhuǎn)軸的徑向和軸向間隙均 勻，消除外界干擾的影響，維持飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)子的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。作為控制力矩陀螺內(nèi)框架和外 框架系統(tǒng)的角位置傳感器，其作用是將飛輪系統(tǒng)進(jìn)動(dòng)的角度和角速度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng) 過(guò)閉環(huán)控制系統(tǒng)后改變力.矩電機(jī)的輸出力矩的大小和方向，進(jìn)而控制力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而可以大大提高框架速率的控制精度，最終控制系統(tǒng)輸出的陀螺力矩。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明在內(nèi)框架和外框架系統(tǒng)中采用減速器，可 有效減小力矩電機(jī)的體積、重量和脈動(dòng)力矩，并提高陀螺力矩的輸出精度和力矩分辨率等 優(yōu)點(diǎn)，從而減小了框架系統(tǒng)的體積和重量在飛輪系統(tǒng)中采用了永磁偏置的混合磁軸承作 為支承部件，與機(jī)械軸承支承的控制力矩陀螺相比，不存在機(jī)械摩擦和磨損，不需要潤(rùn)滑， 因而可大大提高其飛輪的轉(zhuǎn)速，在保持控制力矩陀螺輸出相同角動(dòng)量的情況下可有效地減 小飛輪系統(tǒng)的體積和重量，減小了振動(dòng)，提高了使用壽命，降低了功耗，提高了控制精度， 通過(guò)雙框架磁懸浮控制力矩陀螺可顯著提高航天器的使用壽命和控制精度。


圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖面圖；圖2為本發(fā)明的永磁偏置主動(dòng)控制的帶激磁氣隙內(nèi)磁鋼徑向混合磁軸承剖面圖；圖3為本發(fā)明的永磁偏置主動(dòng)控制的帶激磁氣隙內(nèi)磁鋼徑向混合磁軸承徑向截面圖；圖4為本發(fā)明的永磁偏置主動(dòng)控制的帶激磁氣隙外磁鋼徑向混合磁軸承剖面圖；圖5為本發(fā)明的永磁偏置主動(dòng)控制的帶激磁氣隙內(nèi)磁鋼徑向混合磁軸承徑向截面圖；圖6為本發(fā)明的永磁偏置主動(dòng)控制的內(nèi)磁鋼軸向磁軸承剖面圖；圖7為本發(fā)明的永磁偏置主動(dòng)控制的外磁鋼軸向磁軸承剖面圖；圖8為本發(fā)明的高速電機(jī)的軸向剖面圖；圖9為本發(fā)明的內(nèi)框架系統(tǒng)的力矩電機(jī)的軸向剖面圖；圖10為本發(fā)明的內(nèi)框架結(jié)構(gòu)圖，其中(a)為等軸測(cè)視圖，(b)為主視圖，(c)為 俯視圖，(d)為側(cè)視圖。圖11為本發(fā)明的外框架結(jié)構(gòu)圖，其中(a)為等軸測(cè)視圖，(b)為主視圖，(c)為 俯視圖，(d)為側(cè)視圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施的高速電機(jī)4需成對(duì)使用并處于飛輪轉(zhuǎn)軸2的中部，軸向混 合磁懸浮磁軸承11需要成對(duì)使用并處于高速電機(jī)4的外側(cè)，徑向混合磁軸承5需成對(duì)使用 并處于高速電機(jī)4的上下兩側(cè)，高速電機(jī)4的定子部分、徑向混合磁軸承5的靜止部分以 及軸向混合磁懸浮磁軸承11分別與上陀螺房1、下陀螺房12相連，上陀螺房1和下陀螺房 12分別與上下兩端蓋8相連；高速電機(jī)4的轉(zhuǎn)子部分和徑向混合磁軸承5的轉(zhuǎn)動(dòng)部分與飛 輪轉(zhuǎn)軸2相連；徑向混合磁軸承5的上端為徑向位移傳感器9，它與徑向混合磁懸浮磁軸承 5的靜止部分相連；保護(hù)軸承6和軸向位移傳感器7通過(guò)保護(hù)軸承6的壓板和軸承座與上陀 螺房l和下陀螺房12相連，軸向位移傳感器7與保護(hù)軸承6的壓板柑連接，保護(hù)軸承6與轉(zhuǎn)軸2的軸端和軸肩之間分別形成徑向保護(hù)間隙(一般取0.1mm 0.12inm)和軸向保護(hù)亂隙 (一般取0.1mm 0.12mm)，為減小徑向混合磁軸承5和軸向磁軸承U的功耗，同時(shí)考慮 到機(jī)械加工和裝配工藝，本實(shí)施例取徑向保護(hù)間隙為O.lmm，軸向保護(hù)間隙為O.lmm。本 發(fā)明所述的雙框架控制力矩陀螺內(nèi)框架系統(tǒng)由內(nèi)框架20、框架機(jī)械軸承19、力矩電機(jī)13、 電機(jī)軸17、機(jī)械軸承14、減速器16、減速器軸18、角位置傳感器22、傳感器軸21、導(dǎo)電 滑環(huán)23、導(dǎo)電滑環(huán)支架24和端蓋15以及相應(yīng)的內(nèi)框架控制系統(tǒng)組成，力矩電機(jī)13的轉(zhuǎn)子 通過(guò)電機(jī)軸17與減速器16連接，減速器16通過(guò)減速器軸18分別與上陀螺房1 一端的軸 孔相連，力矩電機(jī)13的定子、機(jī)械軸承14的靜止部分與內(nèi)框架20相連，導(dǎo)電滑環(huán)23的 轉(zhuǎn)動(dòng)部分通過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)支架24與傳感器軸21相連，導(dǎo)電滑環(huán)23的靜止部分與端蓋相連， 角位置傳感器22的轉(zhuǎn)動(dòng)部分通過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)支架24和傳感器軸21與上陀螺房1另一端的軸 孔相連，角位置傳感器22的固定部分與內(nèi)框架20相連，機(jī)械軸承14對(duì)力矩電機(jī)13的轉(zhuǎn) 動(dòng)部分起支承作用，框架機(jī)械軸承19對(duì)減速器16和角位置傳感器22、導(dǎo)電滑環(huán)23的轉(zhuǎn)動(dòng) 部分起支承作用。本發(fā)明所述的外框架系統(tǒng)由外框架32、框架機(jī)械軸承25、力矩電機(jī)28、 電機(jī)軸31、機(jī)械軸承29、減速器27、減速器軸26、角位置傳感器35、傳感器軸38、導(dǎo)電 滑環(huán)37、導(dǎo)電滑環(huán)支架36和端蓋30以及相應(yīng)的外框架控制系統(tǒng)組成，力矩電機(jī)28的轉(zhuǎn)子 通過(guò)電機(jī)軸3與減速器27連接，減速器27通過(guò)減速器軸26分別與內(nèi)框架20 —端的軸孔 相連，力矩電機(jī)28的定子、機(jī)械軸承29的靜止部分與外框架32相連，導(dǎo)電滑環(huán)27的轉(zhuǎn) 動(dòng)部分通過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)支架36與傳感器軸38相連，導(dǎo)電滑環(huán)27的靜止部分與端蓋相連，角 位置傳感器35的轉(zhuǎn)動(dòng)部分通過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)支架36和傳感器軸38與內(nèi)框架20另一端的軸孔 相連，角位置傳感器35的固定部分與外框架32相連，機(jī)械軸承29對(duì)力矩電機(jī)28的轉(zhuǎn)動(dòng) 部分起支承作用，框架機(jī)械軸承25對(duì)減速器27和角位置傳感器35、導(dǎo)電滑環(huán)27的轉(zhuǎn)動(dòng)部 分起支承作用。
本發(fā)明的徑向混合磁軸承5為非機(jī)械接觸軸承，是永磁偏置的、電磁控制的主動(dòng)式混 合磁軸承。圖2和圖3給出了永磁偏置主動(dòng)控制的帶激磁氣隙內(nèi)磁鋼徑向混合磁軸承，它 主要由外導(dǎo)磁環(huán)52、永磁體53、定子鐵心55、激磁線圈51、內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)58、轉(zhuǎn)子鐵心57、 磁氣隙56、激磁氣隙54組成，其中內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)58、永磁體53和轉(zhuǎn)子鐵心57為轉(zhuǎn)動(dòng)部分， 其余為靜止部分。圖4和圖5給出了永磁偏置主動(dòng)控制的帶激磁氣隙外磁鋼徑向混合磁軸 承，它主要由外導(dǎo)磁環(huán)52、永磁體53、定子鐵心55、激磁線圈51、內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)58、轉(zhuǎn)子鐵 心57、磁氣隙56、、激磁氣隙54組成，其中內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)58和轉(zhuǎn)子鐵心57為轉(zhuǎn)動(dòng)部分，其 余為靜止部分。
本發(fā)明的徑向位移傳感器9為非接觸位移傳感器，作為徑向混合磁軸承'5的位移傳感器，可以是電渦流傳感器，也可以是電容式位移傳感器。徑向位移傳感器9的探頭與檢測(cè) 環(huán)之間為探測(cè)間隙，測(cè)量范圍為0.25nun 1.25mm,考慮位移傳感器9的線性測(cè)量范圍，本 實(shí)施例取為0.7mm。
本發(fā)明的軸向磁軸承II為非機(jī)械接觸軸承，是永磁偏置的、電磁控制的主動(dòng)式混合磁 軸承，如圖6所示的永磁偏置主動(dòng)控制的內(nèi)磁鋼軸向磁軸承、圖7所示的永磁偏置主動(dòng)控 制的外磁鋼軸向磁軸承。在這兩種軸向磁軸承中，主要由軸承體lll、激磁線圈112、永磁 體113、導(dǎo)磁環(huán)U4、激磁氣隙115組成。
本發(fā)明的軸向位移傳感器7為非接觸位移傳感器，作為軸向混合磁軸承U的位移傳感 器，可以是電渦流傳感器，也可以是電容式位移傳感器。軸向位移傳感器7與轉(zhuǎn)軸2的端 部之間為軸向探測(cè)間隙，測(cè)量范圍為0.5 1.5mm,考慮位移傳感器7的線性測(cè)量范圍，所以 本實(shí)施例取為lmm。
本發(fā)明的高速電機(jī)4是雙框架控制力矩陀螺中飛輪系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分，采用無(wú)齒槽無(wú)鐵 心的空心杯形定子永磁無(wú)刷直流電機(jī)，圖8為其軸向剖面圖，它主要由內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心44、空 心杯定子42、永磁體43和外轉(zhuǎn)子鐵心41部件組成，其中空心杯定子42為靜止部分，其余 為轉(zhuǎn)動(dòng)部分。
本發(fā)明的高速電機(jī)4不含有軸承，徑向混合磁軸承5、軸向磁軸承II同時(shí)為高速電機(jī) 4起到徑向和軸向支承定位作用。
本發(fā)明的內(nèi)框架力矩電機(jī)13和外框架力矩電機(jī)28是框架系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分，采用無(wú)齒 槽無(wú)刷直流力矩，圖9為其軸向剖面圖，它主要由定子疊層131、定子繞組132、永磁體133、 轉(zhuǎn)子疊層134和擋板135組成，其中永磁體133、轉(zhuǎn)子疊層134和擋板135為轉(zhuǎn)動(dòng)部分，其 余為靜止動(dòng)部分，在轉(zhuǎn)動(dòng)部分與靜止部分形成磁氣隙136。
本發(fā)明的減速器16和27作為內(nèi)框架系統(tǒng)和外框架系統(tǒng)的減速機(jī)構(gòu)，主要作用是增加 輸出力矩，減小系統(tǒng)的體積和重量，提髙控制精度，可以是諧波減速器，也可以是直齒輪 減速器或?yàn)V波減速器。
本發(fā)明的22和35 (圖1)為角位置傳感器，可以是旋轉(zhuǎn)變壓器，也可以是感應(yīng)同步器， 其主要作用是為內(nèi)框架和外框架系統(tǒng)提供角位置信號(hào)，同時(shí)將位置信號(hào)反饋到外部控制系 統(tǒng)。
本發(fā)明的內(nèi)框架20為內(nèi)框架系統(tǒng)的支承體，其結(jié)構(gòu)如圖IO所示。 本發(fā)明的外框架32為外框架系統(tǒng)的支承體，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。 本發(fā)明中的3 (圖l)為真空插座，為電氣信號(hào)的接口，主要作用是為飛輪內(nèi)部的高速 電機(jī)、電渦流傳感器、徑向混合磁軸承和軸詢磁輸承提供電能，同時(shí)將內(nèi)部信號(hào)反饋到外部控制系統(tǒng)。
本發(fā)明中的10 (圖1)為真空抽氣閥，與真空泵相連接。真空泵通過(guò)真空抽氣闊將飛 輪系統(tǒng)內(nèi)部抽成真空，飛輪系統(tǒng)內(nèi)部抽成真空后，將真空抽氣閥關(guān)閉，保持飛輪內(nèi)部真空。
本發(fā)明中的33 (圖1)為插座，為電氣信號(hào)的接口，主要作用是為內(nèi)框架、外框架系 統(tǒng)中的力矩電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、導(dǎo)電滑環(huán)提供電能，同時(shí)將內(nèi)部信號(hào)反饋到外部控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的飛輪系統(tǒng)需加密封外罩以保持內(nèi)部真空或充入氦氣起到良好的散熱作用，同 時(shí)還有溫度傳感器，用于探測(cè)內(nèi)部的溫度。
權(quán)利要求
1、雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，它主要由飛輪、內(nèi)框架和外框架系統(tǒng)三部分組成，其中飛輪系統(tǒng)分為靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分，其特征在于靜止部分主要包括徑向混合磁軸承(5)的靜止部分、徑向位移傳感器(9)、軸向磁軸承(11)、軸向位移傳感器(7)、保護(hù)軸承(6)、高速電機(jī)(4)的定子部分、上陀螺房(1)、下陀螺房(12)、密封蓋(8)；轉(zhuǎn)動(dòng)部分主要包括轉(zhuǎn)軸(2)、徑向混合磁軸承(5)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分、高速電機(jī)(4)的轉(zhuǎn)子部分，兩個(gè)高速電機(jī)(4)處于飛輪的中部，軸向磁軸承(11)位于高速電機(jī)(4)的左右兩側(cè)、分別與上陀螺房(1)和下陀螺房(12)相連接；高速電機(jī)(4)徑向外側(cè)依次連接徑向混合磁軸承(5)、徑向位移傳感器(9)、保護(hù)軸承(6)、軸向位移傳感器(7)、上陀螺房(1)和下陀螺房(12)，其中徑向位移傳感器(9)與徑向混合磁軸承(5)的靜止部分相連接，徑向混合磁懸浮磁軸承(5)的靜止部分同時(shí)還分別與上陀螺房(1)和下陀螺(12)相連接，上陀螺房(1)和下陀螺房(12)分別與密封蓋(8)相連接；高速電機(jī)(4)的轉(zhuǎn)子部分、徑向混合磁懸浮磁軸承(5)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分分別與轉(zhuǎn)軸(2)連接在一起，保護(hù)軸承(6)和軸向位移傳感器(2)通過(guò)保護(hù)軸承壓板和軸承座與上陀螺房(1)和下陀螺房(12)相連接，保護(hù)軸承(6)與轉(zhuǎn)軸(2)之間在徑向上形成徑向保護(hù)間隙，保護(hù)軸承(6)與轉(zhuǎn)軸(2)的軸肩之間形成軸向保護(hù)間隙，徑向位移傳感器(9)的探頭與檢測(cè)環(huán)之間為徑向探測(cè)間隙，軸向位移傳感器(7)與轉(zhuǎn)軸(2)的端部之間為軸向探測(cè)間隙；內(nèi)框架系統(tǒng)主要由內(nèi)框架(20)、內(nèi)框架機(jī)械軸承(19)、內(nèi)框架力矩電機(jī)(13)、內(nèi)框架電機(jī)軸(17)、內(nèi)框架電機(jī)機(jī)械軸承(14)、內(nèi)框架減速器(16)、內(nèi)框架減速器軸(18)、內(nèi)框架角位置傳感器(22)、內(nèi)框架傳感器軸(21)、內(nèi)框架導(dǎo)電滑環(huán)(23)、內(nèi)框架導(dǎo)電滑環(huán)支架(24)和內(nèi)框架端蓋(15)以及相應(yīng)的內(nèi)框架控制系統(tǒng)組成，內(nèi)框架力矩電機(jī)(13)的轉(zhuǎn)子通過(guò)內(nèi)框架電機(jī)軸(17)與內(nèi)框架減速器(16)連接，內(nèi)框架減速器(16)通過(guò)內(nèi)框架減速器軸(18)與上陀螺房(1)一端的軸孔相連，內(nèi)框架力矩電機(jī)(13)的定子、內(nèi)框架電機(jī)機(jī)械軸承(14)的靜止部分與內(nèi)框架(20)相連，內(nèi)框架導(dǎo)電滑環(huán)(23)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分通過(guò)內(nèi)框架導(dǎo)電滑環(huán)支架(24)與內(nèi)框架傳感器軸(21)相連，內(nèi)框架導(dǎo)電滑環(huán)(23)的靜止部分與內(nèi)框架端蓋(15)相連，內(nèi)框架角位置傳感器(22)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分通過(guò)內(nèi)框架導(dǎo)電滑環(huán)支架(24)和內(nèi)框架傳感器軸(21)與上陀螺房(1)另一端的軸孔相連，內(nèi)框架角位置傳感器(22)的固定部分與內(nèi)框架(20)相連，內(nèi)框架電機(jī)機(jī)械軸承(14)對(duì)內(nèi)框架力矩電機(jī)(13)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分起支承作用，內(nèi)框架機(jī)械軸承(19)對(duì)內(nèi)框架減速器(16)和內(nèi)框架角位置傳感器(22)、內(nèi)框架導(dǎo)電滑環(huán)(23)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分起支承作用；外框架系統(tǒng)由外框架(32)、外框架機(jī)械軸承(25)、外框架力矩電機(jī)(28)、外框架電機(jī)軸(31)、外框架電機(jī)機(jī)械軸承(29)、外框架減速器(27)、外框架減速器軸(26)、外框架角位置傳感器(35)、外框架傳感器軸(38)、外框架導(dǎo)電滑環(huán)(37)、外框架導(dǎo)電滑環(huán)支架(36)和外框架端蓋(30)以及相應(yīng)的外框架控制系統(tǒng)組成，外框架力矩電機(jī)(28)的轉(zhuǎn)子通過(guò)外框架電機(jī)軸(31)與外框架減速器(27)連接，外框架減速器(27)通過(guò)外框架減速器軸(26)分別與內(nèi)框架(20)一端的軸孔相連，外框架力矩電機(jī)(28)的定子、外框架電機(jī)機(jī)械軸承(29)的靜止部分與外框架(32)相連，外框架導(dǎo)電滑環(huán)(27)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分通過(guò)外框架導(dǎo)電滑環(huán)支架(36)與外框架傳感器軸(38)相連，外框架導(dǎo)電滑環(huán)(27)的靜止部分與外框架端蓋(30)相連，外框架角位置傳感器(35)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分通過(guò)外框架導(dǎo)電滑環(huán)支架(36)和外框架傳感器軸(38)與內(nèi)框架(20)另一端的軸孔相連，外框架角位置傳感器(35)的固定部分與外框架(32)相連，外框架電機(jī)機(jī)械軸承(29)對(duì)外框架力矩電機(jī)(28)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分起支承作用，外框架機(jī)械軸承(25)對(duì)外框架減速器(27)和外框架角位置傳感器(35)、外框架導(dǎo)電滑環(huán)(27)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分起支承作用。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于所述的徑向混合 磁軸承(5)為非機(jī)械接觸軸承，是永磁偏置、電磁控制的混合磁軸承，包括轉(zhuǎn)動(dòng)部分和靜 止部分，其中外導(dǎo)磁環(huán)(52)、永磁體(53)、定子鐵心(55)、激磁線圈(51)、內(nèi)導(dǎo) 磁環(huán)(58)、轉(zhuǎn)子鐵心(57)、磁氣隙(56)、激磁氣隙(54)組成，其中內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)(58)、 永磁體(53)和轉(zhuǎn)子鐵心(57)為轉(zhuǎn)動(dòng)部分，其余為靜止部分。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于所述的軸向磁軸 承(11)為非機(jī)械接觸軸承，是永磁偏置、電磁控制的混合磁軸承，包括軸承體(111)、 激磁線圈(112)、永磁體(113)、導(dǎo)磁環(huán)(114)、激磁氣隙(115)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于所述的高速電機(jī) (4)包括靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分，轉(zhuǎn)動(dòng)部分主要由內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心(44)、永磁體(43)和外轉(zhuǎn)子鐵心(41)部件組成部分，靜止部分主要由空心杯定子(42)組成。高速電機(jī)(4)不含 有機(jī)械軸承，徑向混合磁軸承(5)、軸向磁軸承(II)同時(shí)為高速電機(jī)(4)起到徑向和 軸向支承定位作用。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1和3所述的雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于所述的高速 電機(jī)(4)是無(wú)定子鐵心的空心杯形永磁無(wú)刷直流電機(jī)，或?yàn)橛来磐诫姍C(jī)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于所述的框架系統(tǒng) 用的力矩電機(jī)(13)和(28)均為無(wú)齒槽的低速力矩電機(jī)，'或?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于所述的角位置傳 感器(22)和(25)均為旋轉(zhuǎn)變壓器，或?yàn)楦袘?yīng)同步器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于所述的徑向位移傳感器(9)的探頭與檢測(cè)環(huán)之間為探測(cè)間隙，測(cè)量范圍為0.25mm 1.25mm。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于所述的軸向位移 傳感器(7)與轉(zhuǎn)軸(2)的端部之間為軸向探測(cè)間隙，測(cè)量范圍為0.5 1.5mm。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于所述的減速器 (16)和(27)均為諧波減速器，或?yàn)橹饼X輪減速器，或?yàn)闉V波減速器。
全文摘要
雙框架磁懸浮控制力矩陀螺主要由飛輪、內(nèi)框架和外框架系統(tǒng)組成，飛輪處于雙框架磁懸浮控制力矩陀螺的中部，飛輪主要由轉(zhuǎn)軸、徑向混合磁軸承、軸向磁軸承、徑向位移傳感器、軸向位移傳感器、高速電機(jī)和陀螺房組成；內(nèi)框架和外框架系統(tǒng)主要由框架、機(jī)械軸承、力矩電機(jī)、減速器、角位置傳感器、導(dǎo)電滑環(huán)及控制系統(tǒng)組成；內(nèi)框架系統(tǒng)通過(guò)減速器與陀螺房一端的軸孔相連，導(dǎo)電滑環(huán)和角位置傳感器與陀螺房另一端的軸孔相連；外框架系統(tǒng)通過(guò)減速器與內(nèi)框架一端的軸孔相連，導(dǎo)電滑環(huán)和角位置傳感器與內(nèi)框架另一端的軸孔相連。本發(fā)明通過(guò)混合磁軸承減小了系統(tǒng)的噪聲、體積和重量，消除了軸承摩擦力，從而提高了控制力矩陀螺的壽命和控制精度。
文檔編號(hào)B64G1/24GK101219714SQ20071030423
公開(kāi)日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2007年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月26日
發(fā)明者劉珠榮, 孫津濟(jì), 房建成, 李海濤, 韓邦成, 彤 魏 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)