一种全悬浮双端支撑的单框架控制力矩陀螺制造技术

本发明专利技术公开了一种全悬浮双端支撑的单框架控制力矩陀螺，主要由磁悬浮框架系统和磁悬浮高速转子系统两大部分组成。磁悬浮框架系统主要由框架、框架三自由度磁轴承、框架径向传感器、框架电机、框架保护轴承、框架轴向传感器、左框架轴、右框架轴等组成；磁悬浮高速转子系统主要由上陀螺房、下陀螺房、轴向磁轴承、高速驱动电机、陀螺高速转子、径向磁轴承、径向位移传感器、轴向位移传感器、保护轴承等组成。本发明专利技术采用了磁轴承支撑的高速转子系统，大大提高了陀螺高速转子的工作转速和使用寿命；同时框架系统采用磁轴承双端支撑方式，提高了支撑刚度，消除了机械摩擦，提高了系统的控制精度。

A single frame control moment gyroscope with a fully suspended double end support

The invention discloses a fully suspended double ended supporting single frame control moment gyroscope, which is mainly composed of two parts: the magnetic suspension frame system and the magnetic levitation high-speed rotor system. Maglev frame system consists of frame and three degree of freedom magnetic bearing, radial sensor, motor, frame frame frame protection, bearing frame axis sensor, the left frame and the right frame shaft shaft etc; magnetic levitation high-speed rotor system is mainly composed of a gyro, gyroscope, real real under axial magnetic bearing and high speed drive motor, high speed rotor gyro the radial magnetic bearing and radial axial displacement sensor, displacement sensor, protection of bearings etc.. The invention adopts a high-speed rotor system with magnetic bearings, greatly improving the gyro high speed rotor working speed and service life; at the same time frame system adopts the double end supporting magnetic bearings, improve support stiffness, eliminate mechanical friction, improve the control precision of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种全悬浮双端支撑的单框架控制力矩陀螺
本专利技术涉及控制力矩陀螺的
，具体涉及一种全悬浮双端支撑的单框架控制力矩陀螺，可作为航天器的姿态执行机构，可用于大型航天器或小型航天器，如空间站或敏捷机动卫星的姿态控制。
技术介绍
随着载人航天、对地观测、科学研究的发展，相应的空间站、卫星平台或小型航天器对姿态控制的要求越来越高，具体体现在姿态控制的稳定性和大角度机动的灵活性。现有的姿态控制执行机构主要包括推力器、惯性执行机构和环境力矩执行机构三大类。相比于其它两类执行机构，惯性执行机构是利用动量交换定理来实现姿态控制的，具有无需消耗工质、控制力矩精度高的优点。惯性执行机构可分为惯性动量轮和控制力矩陀螺两大类。惯性动量轮只能输出单方向的较小力矩且存在饱和问题，而控制力矩陀螺具有力矩放大倍数大、动态性能好、输出力矩连续且精度高。相比于双框架控制力矩陀螺，单框架控制力矩陀螺具有结构相对简单，输出力矩大的优点，因此可作为航天器主要的姿态控制执行机构。现有的单框架控制力矩陀螺，高速转子系统和框架系统都采用机械轴承支承，机械轴承有摩擦、磨损、需要润滑等缺点，这些缺点对高速转子系统的影响体现在转速受限问题、发热问题、润滑导致的污染问题和无法维护导致的寿命有限问题等；这些缺点对框架系统的影响体现在框架轴所受非线性的摩擦力矩给航天器系统带来一个干扰力矩，从而影响航天器的稳定性。现有的单框架控制力矩陀螺，框架的支撑方式有单端支撑和双端支撑两种。单端支撑式相比双端支撑式的主要缺点是，只在一端支撑使得框架整体刚度降低，模态频率进而下降，输出较大陀螺力矩时容易发生共振，因此单端支撑式框架只适用于输出较小力矩的场合。专利CN200710065550.1《单端支撑式单框架磁悬浮控制力矩陀螺》中，采用了磁悬浮支撑的转子，但框架系统采用了单端机械轴承支撑的方式，框架轴受摩擦力矩影响导致系统的非线性不易被克服。专利CN200710065551.6《完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺》中，采用了磁悬浮支撑的转子系统和框架系统，但框架采用单端支撑的方式，不利于框架刚度的提高，进而影响整个系统的振动特性。专利CN200710304236.4《双框架磁悬浮控制力矩陀螺》、专利CN201410383894.7《一种四自由度单框架磁悬浮控制力矩陀螺》和专利CN201410384117.4《一种四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺》中的磁悬浮控制力矩陀螺，其框架系统采用了双端机械轴承支撑的方式，没有实现框架的无摩擦悬浮。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，将磁悬浮支承技术同时应用于控制力矩陀螺的高速转子系统和框架系统中，提供了一种全悬浮双端支撑的单框架控制力矩陀螺，可作为航天器的姿态执行机构用于大型航天器或小型航天器，如空间站或敏捷机动卫星的大角度机动姿态控制。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案是：一种全悬浮双端支撑的单框架控制力矩陀螺，主要由磁悬浮高速转子系统和磁悬浮框架系统两大部分组成，其中磁悬浮高速转子系统分为静止部分和转动部分，其特征在于：静止部分由上陀螺房、下陀螺房、电器接插件、轴向磁轴承、高速驱动电机的定子部分、径向磁轴承的定子部分、径向位移传感器、轴向位移传感器、保护轴承、保护轴承压板、保护轴承座、密封盖组成；转动部分由陀螺高速转子、高速驱动电机的转子部分、径向磁轴承的转子部分组成；其中，陀螺高速转子为扁平状的飞轮并沿轴向有上、下轴伸端，其飞轮两侧面分别固定有高速驱动电机的转子部分，高速驱动电机的转子部分内外转子之间通过电机气隙连接有高速驱动电机的定子部分，高速驱动电机的定子部分分别固定在上陀螺房和下陀螺房上；高速驱动电机的定子部分径向外侧固定有轴向磁轴承，轴向磁轴承的转子部分即是陀螺高速转子扁平状的飞轮；陀螺高速转子的上、下轴伸端分别固定有径向磁轴承的转子部分，径向磁轴承的转子部分径向外侧通过磁轴承气隙连接有径向磁轴承的定子部分，径向磁轴承的定子部分分别固定在上陀螺房和下陀螺房上；径向磁轴承的定子部分轴向外侧有径向位移传感器，径向位移传感器分别固定在上陀螺房和下陀螺房上；径向位移传感器轴向外侧有保护轴承，保护轴承外圈通过保护轴承压板和保护轴承座分别固定在上陀螺房和下陀螺房上，保护轴承内圈通过保护间隙保护陀螺高速转子；保护轴承轴向外侧有轴向位移传感器，轴向位移传感器通过保护轴承座分别固定在上陀螺房和下陀螺房上；轴向位移传感器轴向外侧有密封盖，密封盖分别固定在上陀螺房和下陀螺房上；磁悬浮框架系统主要由框架、框架保护轴承座、框架磁轴承座、框架三自由度磁轴承、框架径向传感器、框架电机、框架保护轴承、框架轴向传感器、左框架轴、右框架轴、导电滑环、角位置传感器、传感器压板、导电滑环座、底座把手、框架底座组成；其中，框架固定在框架底座上，框架底座通过机械接口与航天器本体相连，框架底座上固定有底座把手；框架保护轴承座固定在框架上，框架保护轴承外圈通过螺纹压环固定在框架保护轴承座上；框架保护轴承轴向外侧有框架电机的定子部分，框架电机的定子部分通过螺纹压环固定在框架保护轴承座上；框架电机的定子部分轴向外侧有框架径向传感器，框架径向传感器固定在框架磁轴承座上；框架径向传感器轴向外侧有框架三自由度磁轴承的定子部分，框架三自由度磁轴承的定子部分固定在框架磁轴承座上；框架三自由度磁轴承的定子部分轴向外侧有框架轴向传感器，框架轴向传感器固定在框架磁轴承座上，框架磁轴承座固定在框架保护轴承座上；框架三自由度磁轴承的转子部分、框架电机的转子部分分别安装在左框架轴和右框架轴上，框架保护轴承通过保护间隙保护左框架轴和右框架轴，左框架轴和右框架轴通过螺钉和上陀螺房固定连接。其中，所述的磁悬浮框架系统中的框架三自由度磁轴承为非机械接触轴承，可以是纯电磁磁轴承或永磁偏置、电磁控制的混合磁轴承或纯永磁被动磁轴承。其中，所述的框架三自由度磁轴承的永磁偏置、电磁控制形式的混合磁轴承包括转动部分和静止部分，由三自由度径向定子、三自由度径向线圈、三自由度径向转子、三自由度永磁体、三自由度内导磁环、三自由度外导磁环、三自由度轴向线圈、三自由度轴向转子组成，其中三自由度径向转子和三自由度轴向转子为转动部分，其余为静止部分。其中，所述的框架三自由度磁轴承为没有推力盘的结构形式，三自由度轴向转子端面起到推力盘的作用。其中，所述的三自由度内导磁环、三自由度外导磁环、三自由度轴向转子是实心结构的软磁材料，三自由度径向定子、三自由度径向转子可以是软磁材料叠层叠压而成，也可以是实心结构的软磁材料。其中，所述的左框架轴和右框架轴不再通过机械轴承支撑，而是通过左右两个框架三自由度磁轴承无接触地支撑，进而实现五个自由度的主动可控悬浮，并通过框架电机驱动其旋转。其中，所述的框架电机为无刷直流电机，或永磁同步电机。其中，所述的框架径向传感器探头与框架检测环之间为径向探测间隙，测量范围为0.5mm～1.2mm，检测左框架轴和右框架轴的两个径向平动广义位移和两个径向转动广义位移。其中，所述的框架轴向传感器探头与左框架轴之间为轴向探测间隙，测量范围为0.6～1.2mm，检测左框架轴的轴向平动广义位移。其中，所述的角位置传感器为旋转变压器或者光电码盘。本专利技术的原理是：全悬浮双端支撑的单框架控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全悬浮双端支撑的单框架控制力矩陀螺，主要由磁悬浮高速转子系统和磁悬浮框架系统两大部分组成，其中磁悬浮高速转子系统分为静止部分和转动部分，其特征在于：静止部分由上陀螺房(1)、下陀螺房(2)、电器接插件(3)、轴向磁轴承(4)、高速驱动电机(5)的定子部分、径向磁轴承(6)的定子部分、径向位移传感器(7)、轴向位移传感器(9)、保护轴承(10)、保护轴承压板(11)、保护轴承座(12)、密封盖(13)组成；转动部分由陀螺高速转子(8)、高速驱动电机(5)的转子部分、径向磁轴承(6)的转子部分组成；其中，陀螺高速转子(8)为扁平状的飞轮并沿轴向有上、下轴伸端，其飞轮两侧面分别固定有高速驱动电机(5)的转子部分，高速驱动电机(5)的转子部分内外转子之间通过电机气隙连接有高速驱动电机(5)的定子部分，高速驱动电机(5)的定子部分分别固定在上陀螺房(1)和下陀螺房(2)上；高速驱动电机(5)的定子部分径向外侧固定有轴向磁轴承(4)，轴向磁轴承(4)的转子部分即是陀螺高速转子(8)扁平状的飞轮；陀螺高速转子(3)的上、下轴伸端分别固定有径向磁轴承(6)的转子部分，径向磁轴承(6)的转子部分径向外侧通过磁轴承气隙连接有径向磁轴承(6)的定子部分，径向磁轴承(6)的定子部分分别固定在上陀螺房(1)和下陀螺房(2)上；径向磁轴承(6)的定子部分轴向外侧有径向位移传感器(7)，径向位移传感器(7)分别固定在上陀螺房(1)和下陀螺房(2)上；径向位移传感器(7)轴向外侧有保护轴承(10)，保护轴承(10)外圈通过保护轴承压板(11)和保护轴承座(12)分别固定在上陀螺房(1)和下陀螺房(2)上，保护轴承(10)内圈通过保护间隙保护陀螺高速转子(3)；保护轴承(10)轴向外侧有轴向位移传感器(9)，轴向位移传感器(9)通过保护轴承座(12)分别固定在上陀螺房(1)和下陀螺房(2)上；轴向位移传感器(9)轴向外侧有密封盖(13)，密封盖(13)分别固定在上陀螺房(1)和下陀螺房(2)上；磁悬浮框架系统主要由框架(14)、框架保护轴承座(15)、框架磁轴承座(16)、框架三自由度磁轴承(17)、框架径向传感器(18)、框架电机(19)、框架保护轴承(20)、框架轴向传感器(21)、左框架轴(22)、右框架轴(23)、导电滑环(24)、角位置传感器(25)、传感器压板(26)、导电滑环座(27)、底座把手(28)、框架底座(29)组成；其中，框架(14)固定在框架底座(29)上，框架底座(29)通过机械接口与航天器本体相连，框架底座(29)上固定有底座把手(28)；框架保护轴承座(15)固定在框架(14)上，框架保护轴承(20)外圈通过螺纹压环固定在框架保护轴承座(15)上；框架保护轴承(20)轴向外侧有框架电机(19)的定子部分，框架电机(19)的定子部分通过螺纹压环固定在框架保护轴承座(15)上；框架电机(19)的定子部分轴向外侧有框架径向传感器(18)，框架径向传感器(18)固定在框架磁轴承座(16)上；框架径向传感器(18)轴向外侧有框架三自由度磁轴承(17)的定子部分，框架三自由度磁轴承(17)的定子部分固定在框架磁轴承座(16)上；框架三自由度磁轴承(17)的定子部分轴向外侧有框架轴向传感器(21)，框架轴向传感器(21)固定在框架磁轴承座(16)上，框架磁轴承座(16)固定在框架保护轴承座(15)上；框架三自由度磁轴承(17)的转子部分、框架电机(19)的转子部分分别安装在左框架轴(22)和右框架轴(23)上，框架保护轴承(20)通过保护间隙保护左框架轴(22)和右框架轴(23)，左框架轴(22)和右框架轴(23)通过螺钉和上陀螺房(1)固定连接。...

【技术特征摘要】
1.一种全悬浮双端支撑的单框架控制力矩陀螺，主要由磁悬浮高速转子系统和磁悬浮框架系统两大部分组成，其中磁悬浮高速转子系统分为静止部分和转动部分，其特征在于：静止部分由上陀螺房(1)、下陀螺房(2)、电器接插件(3)、轴向磁轴承(4)、高速驱动电机(5)的定子部分、径向磁轴承(6)的定子部分、径向位移传感器(7)、轴向位移传感器(9)、保护轴承(10)、保护轴承压板(11)、保护轴承座(12)、密封盖(13)组成；转动部分由陀螺高速转子(8)、高速驱动电机(5)的转子部分、径向磁轴承(6)的转子部分组成；其中，陀螺高速转子(8)为扁平状的飞轮并沿轴向有上、下轴伸端，其飞轮两侧面分别固定有高速驱动电机(5)的转子部分，高速驱动电机(5)的转子部分内外转子之间通过电机气隙连接有高速驱动电机(5)的定子部分，高速驱动电机(5)的定子部分分别固定在上陀螺房(1)和下陀螺房(2)上；高速驱动电机(5)的定子部分径向外侧固定有轴向磁轴承(4)，轴向磁轴承(4)的转子部分即是陀螺高速转子(8)扁平状的飞轮；陀螺高速转子(3)的上、下轴伸端分别固定有径向磁轴承(6)的转子部分，径向磁轴承(6)的转子部分径向外侧通过磁轴承气隙连接有径向磁轴承(6)的定子部分，径向磁轴承(6)的定子部分分别固定在上陀螺房(1)和下陀螺房(2)上；径向磁轴承(6)的定子部分轴向外侧有径向位移传感器(7)，径向位移传感器(7)分别固定在上陀螺房(1)和下陀螺房(2)上；径向位移传感器(7)轴向外侧有保护轴承(10)，保护轴承(10)外圈通过保护轴承压板(11)和保护轴承座(12)分别固定在上陀螺房(1)和下陀螺房(2)上，保护轴承(10)内圈通过保护间隙保护陀螺高速转子(3)；保护轴承(10)轴向外侧有轴向位移传感器(9)，轴向位移传感器(9)通过保护轴承座(12)分别固定在上陀螺房(1)和下陀螺房(2)上；轴向位移传感器(9)轴向外侧有密封盖(13)，密封盖(13)分别固定在上陀螺房(1)和下陀螺房(2)上；磁悬浮框架系统主要由框架(14)、框架保护轴承座(15)、框架磁轴承座(16)、框架三自由度磁轴承(17)、框架径向传感器(18)、框架电机(19)、框架保护轴承(20)、框架轴向传感器(21)、左框架轴(22)、右框架轴(23)、导电滑环(24)、角位置传感器(25)、传感器压板(26)、导电滑环座(27)、底座把手(28)、框架底座(29)组成；其中，框架(14)固定在框架底座(29)上，框架底座(29)通过机械接口与航天器本体相连，框架底座(29)上固定有底座把手(28)；框架保护轴承座(15)固定在框架(14)上，框架保护轴承(20)外圈通过螺纹压环固定在框架保护轴承座(15)上；框架保护轴承(20)轴向外侧有框架电机(19)的定子部分，框架电机(19)的定子部分通过螺纹压环固定在框架保护轴承座(15)上；框架电机(19)的定子部分轴向外侧有框架径向传感器(18)，框架径向传感器(18)固定在框架磁轴承座(16)上；框架径向传感器(18)轴向外侧有框架三自由度磁轴承(17)的定子部分，框架三自由度磁轴承(17)的定子部分固定在框架磁轴承座(16)上；框架三自由度磁轴承(17)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟鲁鑫，郑世强，李海涛，刘刚，乐韵，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11