一種內(nèi)轉(zhuǎn)子磁懸浮球面陀螺飛輪的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可作為敏捷機(jī)動衛(wèi)星平臺的姿態(tài)控制系統(tǒng)的慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)，尤其涉及一種內(nèi)轉(zhuǎn)子磁懸浮球面陀螺飛輪。
【背景技術(shù)】
[0002]由于動量交換系統(tǒng)可提供很高的姿態(tài)控制精度，被廣泛用于衛(wèi)星、探測器等航天器的姿態(tài)控制系統(tǒng)。飛輪系統(tǒng)通過控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來改變角動量的大小產(chǎn)生所需要的控制力矩，從而精確地控制航天器的姿態(tài)。增加轉(zhuǎn)速可以提高飛輪輸出力矩范圍，但隨著轉(zhuǎn)速的提高，傳統(tǒng)機(jī)械軸承支撐的飛輪系統(tǒng)壽命將會受到影響。同時由于機(jī)械軸承的摩擦，轉(zhuǎn)子速度不可能很高，要提高飛輪角動量，只能提高轉(zhuǎn)子角動量和重量，這將增加航天器的載荷。傳統(tǒng)機(jī)械軸承已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代航天器姿態(tài)控制的要求。磁懸浮飛輪采用磁軸承支承技術(shù)，消除了機(jī)械軸承帶來的摩擦損耗，克服了高速轉(zhuǎn)子對姿控系統(tǒng)的振動干擾，增加了其使用壽命，是航天器的姿態(tài)控制理想慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
[0003]磁懸浮飛輪在轉(zhuǎn)速方面的優(yōu)勢，使得其既能工作在反作用狀態(tài)用于反作用飛輪，又能工作在偏置狀態(tài)用于偏置動量輪，進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速，還可以用于姿控/儲能兩用飛輪。對于五自由度全主動控制的磁懸浮飛輪還可用作大力矩偏置動量輪，即陀螺飛輪，能輸出瞬間大控制力矩。論文《一種磁懸浮陀螺飛輪方案設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)分析》所述的磁懸浮陀螺飛輪，采用洛倫茲力磁軸承支承方式實(shí)現(xiàn)了五自由度全主動懸浮，與磁阻式磁軸承相比，雖然控制精度較高，但是洛倫茲力磁軸承承載力較低，限制了陀螺飛輪轉(zhuǎn)子重量和轉(zhuǎn)動慣量，其轉(zhuǎn)子角動量較小，導(dǎo)致陀螺飛輪輸出的陀螺控制力矩較小。中國專利201110253688.0所述的大力矩磁懸浮飛輪，采用洛倫茲力磁軸承和磁阻式磁軸承復(fù)合支承方式，利用洛倫茲力磁軸承控制轉(zhuǎn)子徑向兩自由度扭動，利用徑向磁阻式解耦錐形磁軸承控制轉(zhuǎn)子軸向單自由度平動和徑向兩自由度平動。由于采用了磁阻式解耦錐形磁軸承進(jìn)行轉(zhuǎn)子平動懸浮控制，提高了支承系統(tǒng)的承載力和轉(zhuǎn)子角動量，能夠輸出較大的陀螺控制力矩。但磁阻式解耦錐形磁軸承磁極處的磁間隙為錐殼氣隙，當(dāng)轉(zhuǎn)子處于平衡位置時，磁極處的磁間隙具有很好的均勻性，即磁極表面產(chǎn)生的電磁力均勻性較好；當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，單個磁極處的磁間隙一端較大另一端較小，較大磁間隙處的磁極產(chǎn)生較小的電磁力，較小磁間隙處的磁極產(chǎn)生較大的電磁力，從而產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)力矩，即轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)狀態(tài)下磁阻式解耦錐形磁軸承會產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)干擾力矩。該偏轉(zhuǎn)力矩與洛倫茲力磁軸承輸出的偏轉(zhuǎn)控制力矩進(jìn)行疊加，降低了轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)機(jī)動精度，從而降低了陀螺飛輪輸出力矩精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種大慣量、易于控制、力矩精度高，實(shí)現(xiàn)了平動控制與扭動控制完全解耦的內(nèi)轉(zhuǎn)子磁懸浮球面陀螺飛輪。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]本發(fā)明的內(nèi)轉(zhuǎn)子磁懸浮球面陀螺飛輪，包括靜止部分和轉(zhuǎn)動部分，靜止部分主要包括:上陀螺房、中陀螺房、下陀螺房、上密封圈、下密封圈、上軸向球面磁軸承定子、下軸向球面磁軸承定子、上保護(hù)軸承、下保護(hù)軸承、電機(jī)組件定子、上軸向位移傳感器組件、下軸向位移傳感器組件、徑向位移傳感器組件、徑向球面磁軸承定子和洛倫茲力磁軸承定子；轉(zhuǎn)動部分主要包括:陀螺外轉(zhuǎn)盤組件、陀螺內(nèi)轉(zhuǎn)軸、球心調(diào)整墊環(huán)和陀螺轉(zhuǎn)子鎖母；上陀螺房位于中陀螺房軸向上端，并通過螺釘緊固在中陀螺房上，下陀螺房位于中陀螺房軸向下端，并通過螺釘緊固在中陀螺房上，上密封圈位于中陀螺房軸向上端的環(huán)形凹槽內(nèi)，并通過上陀螺房軸向下端平面壓緊在中陀螺房軸向上端的環(huán)形凹槽內(nèi)，下密封圈位于中陀螺房軸向下端的環(huán)形凹槽內(nèi)，并通過下陀螺房軸向上端平面壓緊在中陀螺房軸向下端的環(huán)形凹槽內(nèi)，上陀螺房、中陀螺房、下陀螺房、上密封圈和下密封圈組成一個封閉空間，為陀螺飛輪轉(zhuǎn)子提供一個真空密封環(huán)境，上軸向球面磁軸承定子位于上陀螺房的軸向上端凹槽內(nèi)，并通過螺釘緊固在上陀螺房上，下軸向球面磁軸承定子位于下陀螺房軸向下端凹槽內(nèi)，并通過螺釘緊固在下陀螺房上，上保護(hù)軸承位于上陀螺房軸向下端環(huán)形臺內(nèi)，并通過鎖母固定安裝在上陀螺房軸向下端的環(huán)形臺內(nèi)，下保護(hù)軸承位于下陀螺房軸向上端環(huán)形臺內(nèi)，并通過鎖母固定安裝在下陀螺房軸向上端的環(huán)形臺內(nèi)，電機(jī)組件定子位于上陀螺房軸向下端和上保護(hù)軸承徑向外側(cè)，并通過螺釘緊固在上陀螺房上，上軸向位移傳感器組件位于上陀螺房軸向下端和電機(jī)組件定子的徑向外側(cè)，并通過環(huán)氧樹脂膠固化安裝在上陀螺房軸向下端的凸臺上，下軸向位移傳感器組件位于下陀螺房軸向上端，并通過環(huán)氧樹脂膠固化安裝在下陀螺房軸向上端的凸臺上，徑向位移傳感器組件位于徑向球面磁軸承定子內(nèi)圓柱面內(nèi)側(cè)，并通過徑向球面磁軸承定子的凹槽固定安裝在徑向球面磁軸承定子內(nèi)圓柱面上，徑向球面磁軸承定子位于中陀螺房的徑向內(nèi)側(cè)，并通過鎖母固定安裝在中陀螺房上，洛倫茲力磁軸承定子位于陀螺外轉(zhuǎn)盤組件徑向凹槽內(nèi)，并通過螺釘固定安裝在下陀螺房上，陀螺外轉(zhuǎn)盤組件位于徑向球面磁軸承定子徑向內(nèi)側(cè)和陀螺內(nèi)轉(zhuǎn)軸徑向外側(cè)，陀螺內(nèi)轉(zhuǎn)軸位于上軸向球面磁軸承定子軸向下端和下軸向球面磁軸承定子軸向上端，球心調(diào)整墊環(huán)位于陀螺內(nèi)轉(zhuǎn)軸徑向外側(cè)和陀螺外轉(zhuǎn)盤組件徑向內(nèi)側(cè)上端，陀螺外轉(zhuǎn)盤組件和球心調(diào)整墊環(huán)通過陀螺轉(zhuǎn)子鎖母和陀螺內(nèi)轉(zhuǎn)軸之間的螺紋配合固定安裝在陀螺內(nèi)轉(zhuǎn)軸上，上軸向球面磁軸承定子球面和下軸向球面磁軸承定子球面與陀螺內(nèi)轉(zhuǎn)軸球面間留有一定的球殼間隙，形成軸向球殼氣隙，徑向球面磁軸承定子球面和陀螺外轉(zhuǎn)盤組件球面間留有一定的球殼間隙，形成徑向球殼氣隙。
[0007]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的內(nèi)轉(zhuǎn)子磁懸浮球面陀螺飛輪，由于采用了磁阻式球面磁軸承實(shí)現(xiàn)三自由度平動懸浮控制，與洛倫茲力磁軸承支承的陀螺飛輪相比，其承載力更大，轉(zhuǎn)子質(zhì)量、角動量可進(jìn)一步提高，便于增加陀螺控制力矩范圍；與徑向解耦錐形磁軸承支承的陀螺飛輪相比，其球面磁軸承氣隙為球殼形狀，轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)不會引起球殼氣隙形狀的變化，任意時刻磁極表面磁通分布均勻，避免了磁偏拉力和負(fù)力矩的產(chǎn)生，提高了轉(zhuǎn)子懸浮精度；此外，五個懸浮控制通道完全解耦，便于高精度懸浮控制，同時軸向球面磁軸承磁極球面的球心和徑向球面磁軸承磁極球面的球心與陀螺飛輪轉(zhuǎn)子質(zhì)心完全重合，使得磁軸承作用于轉(zhuǎn)子的電磁力始終經(jīng)過轉(zhuǎn)子質(zhì)心，即電磁力不會對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)干擾力矩，進(jìn)一步提高了懸浮精度和控制力矩精度。
【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的內(nèi)轉(zhuǎn)子磁懸浮球面陀螺飛輪的徑向剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0009]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中陀螺外轉(zhuǎn)盤組件的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖3a為本發(fā)明實(shí)施例中上軸向球面磁軸承的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖3b為本發(fā)明實(shí)施例中上軸向球面磁軸承定子的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖4a為本發(fā)明實(shí)施例中徑向球面磁軸承的徑向X向剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖4b為本發(fā)明實(shí)施例中徑向球面磁軸承的徑向Y向剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖5a為本發(fā)明實(shí)施例中洛倫茲力磁軸承的徑向X向剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖5b為本發(fā)明實(shí)施例中洛倫茲力磁軸承的徑向Y向剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖6為本發(fā)明實(shí)施例中電機(jī)組件和上陀螺房之間的連接截面局部結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面將對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0018]本發(fā)明的內(nèi)轉(zhuǎn)子磁懸浮球面陀螺飛輪，其較佳的【具體實(shí)施方式】是:
[0019]包括靜止部分和轉(zhuǎn)動部分，靜止部分主要包括:上陀螺房、中陀螺房、下陀