一种五自由度磁悬浮飞轮制造技术

技术编号:20326979 阅读:3 留言:0更新日期:2019-02-13 04:32
一种五自由度磁悬浮飞轮,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,由磁轴承、高速电机、径轴一体化传感器、径向传感器、上保护轴承、下保护轴承、芯轴、轮体、底座、上传感器检测环、下传感器检测环和壳体组成。五自由度磁悬浮飞轮中的径向磁轴承控制飞轮转子的两个径向平动,轴向磁轴承控制飞轮转子的轴向平动与两个径向偏转运动。本发明专利技术各个组件布局紧凑,减小了体积和重量,消除了机械轴承飞轮的转速过零摩擦力和机械磨损,提高了飞轮的输出力矩和控制精度。

A 5-DOF Maglev Flywheel

A five-degree-of-freedom magnetic suspension flywheel can be used as attitude control actuator for satellites, earth observation platforms, space telescopes and other spacecrafts. It consists of magnetic bearings, high-speed motors, radial sensors, upper protective bearings, lower protective bearings, mandrel, wheel body, base, upper sensor detection ring, lower sensor detection ring and shell. The radial magnetic bearings in the five-degree-of-freedom magnetic suspension flywheel control the two radial translations of the flywheel rotor, and the axial magnetic bearings control the axial translations and two radial deflections of the flywheel rotor. Each component of the invention has compact layout, reduces volume and weight, eliminates zero-crossing friction and mechanical wear of the flywheel of mechanical bearing, and improves the output torque and control accuracy of the flywheel.

【技术实现步骤摘要】
一种五自由度磁悬浮飞轮
本专利技术涉及一种磁悬浮飞轮,特别是一种五自由度可输出大偏转力矩的磁悬浮飞轮,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,按照悬浮自由度的划分,可分为单自由度磁悬浮飞轮~五自由度磁悬浮飞轮,现有的五自由度飞轮结构,通常是采用两个径向磁轴承提供两个径向平动以及两个径向偏转运动,采用轴向磁轴承提供一个轴向平动运动,在需要飞轮输出大偏转力矩时,通常是通过增加两个径向磁轴承跨距输出足够力矩,这会使得芯轴较长,模态降低,限制了转速提升,加剧了振动。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供一种五自由度磁悬浮飞轮,实现大偏转力矩输出,以减小自身体积和重量。本专利技术的技术解决方案为:一种五自由度磁悬浮飞轮,由径向磁轴承(1)、上轴向磁轴承(2)、下轴向磁轴承(3)、高速电机(4)、径轴一体化传感器(5)、径向传感器(6)、上保护轴承(7)、下保护轴承(8)、芯轴(9)、轮体(10)、底座(11)、上轴向推力盘(12)、下轴向推力盘(13)、壳体(14)组成,其中芯轴(9)位于壳体(14)的中心,径向磁轴承(1)的定子部分套放在芯轴(9)上,径向磁轴承(1)定子部分的上端是上轴向磁轴承(2),上轴向磁轴承(2)由八个轴向磁轴承定子单元组成,上轴向磁轴承(2)的上端是上保护轴承(7),上轴向磁轴承(2)和上保护轴承(7)均固定在芯轴(9)上,上保护轴承(7)的径向外侧是上轴向推力盘(12),上保护轴承(7)与上轴向推力盘(12)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙,上轴向推力盘(12)径向外侧是径轴一体化传感器(5),其中上轴向推力盘(12)与径轴一体化传感器(5)的径向探头之间形成径向探测间隙,上轴向推力盘(12)与径轴一体化传感器(5)的轴向探头之间形成轴向探测间隙,径轴一体化传感器(5)通过传感器座与芯轴(9)固连;径向磁轴承(1)定子的下端是下轴向磁轴承(3),下轴向磁轴承(3)由八个轴向磁轴承定子单元组成,下轴向磁轴承(3)的下端为下轴向推力盘(13),下轴向推力盘(13)的下端为下保护轴承(8),下轴向磁轴承(3)和下保护轴承(8)也固定在芯轴(9)上,下保护轴承(8)和下轴向推力盘(13)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙,下轴向推力盘(13)的径向外侧是径向传感器(6),下轴向推力盘(13)与径向传感器(6)的探头部分之间形成径向探测间隙,径向传感器(6)通过传感器座与底座(11)固连,底座(11)通过连接板固定高速电机(4)定子部分,高速电机(4)定子的外侧为外转子铁心,内侧为内转子铁心,外转子铁心和内转子铁心均安装在轮体(10)的下部,高速电机(4)的定子分别与内转子铁心和外转子铁心之间形成内侧磁间隙和外侧磁间隙,轮体(10)内侧固连径向磁轴承(1)的转子部分,两者采用过盈配合,轮体(10)的外部是壳体(14),壳体(14)与底座(11)通过螺钉连接将轮体密封。所述的径向磁轴承(1)由定子导磁环(101)、定子永磁体(102)、定子铁心(103)、线圈(104)、转子导磁环(105)、转子铁心(106)、气隙(107)组成,其中每个定子铁心(103)由±X、±Y方向4个磁极组成,两个定子铁心(103)组成磁轴承上下两端8个磁极,每个定子铁心(103)的磁极上绕制有线圈(104),定子铁心(103)外部为转子铁心(106),转子铁心(106)内表面与定子铁心(103)外表面留有一定的间隙,形成气隙(107),转子铁心(106)外部为转子导磁体(105),定子铁心(103)的径向内部为定子导磁环(101),上下定子导磁环(101)中间是定子永磁体(102)。所述的上轴向磁轴承(2)由八个轴向磁轴承定子单元组成,轴向磁轴承定子单元呈“E”字型,由三个定子磁极构成,内侧磁极是凸出的第一定子磁极,中间磁极是凹陷的第二定子磁极,外侧磁极是凸出的第三定子磁极,分别与上轴向推力盘(12)的“山”字型结构的内侧凹陷,中部凸起,外侧凹陷形成内侧气隙,中部气隙,外侧气隙。八个轴向磁轴承定子单元分别沿±X、±Y、±45°与±135°方向布置,其中±X、±Y方向放置的定子单元第一定子磁极缠绕内线圈(112),第三定子磁极缠绕外线圈(113),沿±45°与±135°分布的定子单元在第二定子磁极缠绕中线圈(111)。所述的下轴向磁轴承(3)与所述的上轴向磁轴承(2)具有相同结构,与所述的上轴向磁轴承(2)对称放置。所述的径轴一体化传感器(5)具有4个正交放置的径向探头,完成轮体(10)的两个径向平动广义位移的检测。具有4个正交放置的轴向探头,完成轮体(10)的轴向平动、绕X轴径向转动和绕Y轴径向转动三个广义位移的检测。上述方案的原理是:通过控制五自由度磁悬浮飞轮中径向磁轴承和上下轴向磁轴承的线圈电流完成飞轮转子的一个轴向平动,两个径向平动和两个径向偏转共五个自由度的控制,保持飞轮的旋转部分与飞轮静止部分间隙均匀;通过控制轴向磁轴承电流实现飞轮偏转力矩的输出。其中径向磁轴承的控制原理为:飞轮转子系统所用径向磁轴承通过控制两组定子铁心磁极缠绕线圈电流的大小和通电方向,实现对磁轴承径向平动的控制。定子永磁体产生永磁偏置磁场,线圈电流产生电磁场与永磁偏置磁场相叠加,通过调节线圈电流改变每极下磁场的强度,从而改变电磁力大小维持定子与转子间气隙均匀,使转子无接触稳定悬浮。其永磁磁路为:磁通从定子永磁体N极出发,经过上部定子导磁环,上定子铁心,上端气隙,上端转子铁心,转子导磁体,下端转子铁心,下端气隙,下端定子铁心,下部定子导磁环,回到定子永磁体的S极构成闭合回路,如附图2所示。电磁磁路为(以Y+方向为例):磁通从线圈中心,即定子铁心出发,经过气隙,转子铁心,另外三个方向的气隙,回到定子铁心构成闭合回路,如附图3所示。例如当高速转子发生沿Y+方向平动时,Y+方向定子线圈通入控制电流产生与永磁体偏置磁场方向相同的磁场,增强电磁力,Y-方向的定子线圈通入控制电流产生与永磁体偏置磁场方向相反的磁场,削弱电磁力,使得转子向Y-方向移动,回到平衡位置。轴向磁轴承的控制原理为:上轴向磁轴承和下轴向磁轴承的轴向磁轴承定子单元缠绕的所有线圈首先通入偏置电流产生偏置磁场,当转子发生轴向平动或径向偏转时,线圈中通入控制电流改变电磁力使得转子恢复平衡。其中沿±45°和±135°方向的轴向磁轴承定子单元控制转子轴向平动,沿±X,±Y方向放置的轴向磁轴承定子单元控制转子沿径向上的偏转运动。上轴向磁轴承沿±45°和±135°方向的轴向磁轴承定子单元构成的电磁磁路为:从“E”字型定子中间的第二定子磁极出发,经过上端中部气隙,上轴向推力盘的“山”字型结构中间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种五自由度磁悬浮飞轮,其特征在于:由径向磁轴承(1)、上轴向磁轴承(2)、下轴向磁轴承(3)、高速电机(4)、径轴一体化传感器(5)、径向传感器(6)、上保护轴承(7)、下保护轴承(8)、芯轴(9)、轮体(10)、底座(11)、上轴向推力盘(12)、下轴向推力盘(13)、壳体(14)组成,其中芯轴(9)位于壳体(14)的中心,径向磁轴承(1)的定子部分套放在芯轴(9)上,径向磁轴承(1)定子部分的上端是上轴向磁轴承(2),上轴向磁轴承(2)由八个轴向磁轴承定子单元组成,每个轴向磁轴承定子单元呈“E”字型,上轴向磁轴承(2)的上端是上保护轴承(7),上轴向磁轴承(2)和上保护轴承(7)均固定在芯轴(9)上,上保护轴承(7)的径向外侧是上轴向推力盘(12),上轴向推力盘(12)上存在“山”字型凹槽,上保护轴承(7)与上轴向推力盘(12)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙,上轴向推力盘(12)径向外侧是径轴一体化传感器(5),其中上轴向推力盘(12)与径轴一体化传感器(5)的径向探头之间形成径向探测间隙,上轴向推力盘(12)与径轴一体化传感器(5)的轴向探头之间形成轴向探测间隙,径轴一体化传感器(5)通过传感器座与芯轴(9)固连;径向磁轴承(1)定子的下端是下轴向磁轴承(3),下轴向磁轴承(3)由八个轴向磁轴承定子单元组成,每个轴向磁轴承定子单元呈“E”字型,下轴向磁轴承(3)的下端为下轴向推力盘(13),下轴向推力盘(13)上存在“山”字型凹槽,下轴向推力盘(13)的下端为下保护轴承(8),下轴向磁轴承(3)和下保护轴承(8)也固定在芯轴(9)上,下保护轴承(8)和下轴向推力盘(13)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙,下轴向推力盘(13)的径向外侧是径向传感器(6),下轴向推力盘(13)与径向传感器(6)的探头部分之间形成径向探测间隙,径向传感器(6)通过传感器座与底座(11)固连,底座(11)通过连接板固定高速电机(4)定子部分,高速电机(4)定子的外侧为外转子铁心,内侧为内转子铁心,外转子铁心和内转子铁心均安装在轮体(10)的下部,高速电机(4)的定子分别与内转子铁心和外转子铁心之间形成内侧磁间隙和外侧磁间隙,轮体(10)内侧固连径向磁轴承(1)的转子部分,两者采用过盈配合,轮体(10)的外部是壳体(14),壳体(14)与底座(11)通过螺钉连接将轮体密封。...

【技术特征摘要】
1.一种五自由度磁悬浮飞轮,其特征在于:由径向磁轴承(1)、上轴向磁轴承(2)、下轴向磁轴承(3)、高速电机(4)、径轴一体化传感器(5)、径向传感器(6)、上保护轴承(7)、下保护轴承(8)、芯轴(9)、轮体(10)、底座(11)、上轴向推力盘(12)、下轴向推力盘(13)、壳体(14)组成,其中芯轴(9)位于壳体(14)的中心,径向磁轴承(1)的定子部分套放在芯轴(9)上,径向磁轴承(1)定子部分的上端是上轴向磁轴承(2),上轴向磁轴承(2)由八个轴向磁轴承定子单元组成,每个轴向磁轴承定子单元呈“E”字型,上轴向磁轴承(2)的上端是上保护轴承(7),上轴向磁轴承(2)和上保护轴承(7)均固定在芯轴(9)上,上保护轴承(7)的径向外侧是上轴向推力盘(12),上轴向推力盘(12)上存在“山”字型凹槽,上保护轴承(7)与上轴向推力盘(12)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙,上轴向推力盘(12)径向外侧是径轴一体化传感器(5),其中上轴向推力盘(12)与径轴一体化传感器(5)的径向探头之间形成径向探测间隙,上轴向推力盘(12)与径轴一体化传感器(5)的轴向探头之间形成轴向探测间隙,径轴一体化传感器(5)通过传感器座与芯轴(9)固连;径向磁轴承(1)定子的下端是下轴向磁轴承(3),下轴向磁轴承(3)由八个轴向磁轴承定子单元组成,每个轴向磁轴承定子单元呈“E”字型,下轴向磁轴承(3)的下端为下轴向推力盘(13),下轴向推力盘(13)上存在“山”字型凹槽,下轴向推力盘(13)的下端为下保护轴承(8),下轴向磁轴承(3)和下保护轴承(8)也固定在芯轴(9)上,下保护轴承(8)和下轴向推力盘(13)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙,下轴向推力盘(13)的径向外侧是径向传感器(6),下轴向推力盘(13)与径向传感器(6)的探头部分之间形成径向探测间隙,径向传感器(6)通过传感器座与底座(11)固连,底座(11)通过连接板固定高速电机(4)定子部分,高速电机(4)定子的外侧为外转子铁心,内侧为内转子铁心,外转子铁心和内转子铁心均安装在轮体(10)的下部,高速电机(4)的定子分别与内转子铁心和外转子铁心之间形成内侧磁间隙和外...

【专利技术属性】
技术研发人员:孙津济赵霁野汤继强乐韵侯林
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

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