本發明專利技術公開了一種外轉子磁懸浮錐形球面陀螺飛輪，主要由靜止部分和轉子部分組成，靜止部分包括：上密封蓋、中陀螺房、下密封蓋、密封圈、上陀螺房、下陀螺房、電機組件定子、洛倫茲力磁軸承定子、軸向位移傳感器組件、徑向位移傳感器組件、芯軸、保護軸承和徑向錐形球面磁軸承定子組件；轉子部分包括：陀螺外轉盤組件和保護軸承蓋。本發明專利技術提出了一種外轉子磁懸浮錐形球面陀螺飛輪，采用了球殼形狀的磁氣隙結構，具有大慣量、易于控制、大偏轉角度和高力矩精度等優點。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種五自由度全主動懸浮控制的外轉子磁懸浮錐形球面陀螺飛輪，具有大慣量、易控制、大偏轉角度、高力矩精度等優點，實現了五個控制通道完全解耦，可作為敏捷機動衛星平臺的姿控系統的慣性執行機構。
技術介紹
由于動量交換系統可提供很高的姿態控制精度，被廣泛應用于航天器(各類衛星、載人飛船、空間站、宇宙探測器等)的姿控系統。飛輪系統通過控制轉子轉速大小和方向改變角動量大小和方向輸出力矩來精確控制航天器姿態。隨著空間技術的發展，機械飛輪漸顯不足。磁懸浮飛輪采用磁懸浮非接觸支承技術，消除了機械軸承引起的摩擦磨損，降低了振動，具有無接觸、無摩擦、無需潤滑、長壽命、高精度、微振動等優點，是航天器姿態控制的理想慣性執行機構。磁懸浮飛輪在轉速方面的優勢，使得其既能工作在反作用狀態用于反作用飛輪，又能工作在偏置狀態用于偏置動量輪，進一步提高轉速，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計與關鍵技術分析》所述的磁懸浮陀螺飛輪，采用洛倫茲力磁軸承實現了轉子五自由度全主動懸浮支承，與磁阻式磁軸承相比，洛倫茲力磁軸承控制精度高，但其承載力較低，限制了轉子重量和轉動慣量，使其轉子角動量偏小，導致陀螺飛輪瞬間輸出的陀螺控制力矩偏小。授權專利201110253688.0所述的一種大力矩磁懸浮飛輪，采用洛倫茲力磁軸承和磁阻式磁軸承復合支承方式，利用洛倫茲力磁軸承控制轉子徑向兩自由度扭動，利用磁阻式錐形磁軸承控制轉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行轉子三自由度平動懸浮控制，提升了支承系統的承載力，能夠瞬間輸出較大的陀螺控制力矩。但磁阻式錐形磁軸承利用錐面磁極產生的電磁力控制轉子三個平動自由度，在徑向平動和軸向平動控制通道存在耦合，降低了磁軸承控制精度。此外，轉子偏轉狀態下，磁阻式錐形磁軸承錐面磁極存在一定的拉偏干擾力矩，進一步降低了磁軸承控制精度。專利申請號201510006192.1所述的一種七通道磁路解耦的磁懸浮陀螺儀采用洛倫茲力磁軸承控制轉子的軸向平動和徑向扭動，徑向磁軸承控制轉子的徑向兩自由度平動，實現了軸向平動與徑向平動和徑向扭動控制的解耦，提高了轉子系統的懸浮控制精度和磁軸承承載力。一種七通道磁路解耦的磁懸浮陀螺儀的電機和洛倫茲力磁軸承的氣隙為柱殼形狀，當轉子處于平衡狀態下，磁極處的磁間隙具有很好的均勻性，即磁極表面產生的電磁力均勻性較好。但當轉子處于偏轉狀態下時，磁極處的磁間隙一端較大一端較小，較大磁間隙處的磁密較小，磁極產生的電磁力偏小，較小磁間隙處的磁密較大，磁極產生的電磁力偏大，即磁極處存在一定的拉偏干擾力矩，降低了轉子懸浮精度和系統瞬間輸出控制力矩精度。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種大慣量、易于控制、大偏轉角度和高力矩精度的外轉子磁懸浮錐形球面陀螺飛輪。本專利技術的目的是通過以下技術方案實現的：本專利技術的外轉子磁懸浮錐形球面陀螺飛輪，其較佳的具體實施方式是：主要由靜止部分和轉子部分組成，靜止部分主要包括：上密封蓋、中陀螺房、下密封蓋、上密封圈、下密封圈、上陀螺房、下陀螺房、電機組件定子、洛倫茲力磁軸承定子、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、芯軸、保護軸承鎖母、上保護軸承、下保護軸承、上調整墊環、下調整墊環、徑向錐形球面磁軸承定子組件和鍵；轉子部分主要包括：陀螺外轉盤組件，上保護軸承蓋和下保護軸承蓋；上密封蓋位于中陀螺房軸向上端，并通過螺釘固定在中陀螺房上端面，下密封蓋位于中陀螺房軸向下端并通過螺釘固定在中陀螺房下端面，上密封圈位于中陀螺房軸向上端凹槽內，并通過上密封蓋將其壓緊在中陀螺房軸向上端凹槽內，下密封圈位于中陀螺房軸向下端凹槽內，并通過下密封蓋將其壓緊在中陀螺房軸向下端凹槽內，上密封蓋、中陀螺房、下密封蓋、上密封圈和下密封圈為陀螺飛輪提供一個真空的密封環境，上陀螺房位于上密封蓋徑向內側和中陀螺房軸向上端，并通過螺釘固定在中陀螺房上端面，下陀螺房位于下密封蓋徑向內側和中陀螺房軸向下端，并通過螺釘固定在中陀螺房軸向下端面，電機組件定子位于上陀螺房軸向下端，并通過螺釘固定在上陀螺房上，洛倫茲力磁軸承定子組件位于下陀螺房軸向上端，并通過螺釘固定在下陀螺房上，上軸向位移傳感器組件位于上陀螺房軸向上端，并通過螺釘固定在上陀螺房上，下軸向位移傳感器組件位于下陀螺房軸向下端，并通過螺釘固定在下陀螺房上，徑向位移傳感器組件位于中陀螺房徑向內側和下陀螺房軸向上端，并通過螺釘固定在下陀螺房上，芯軸位于上陀螺房軸向下端環形凹槽內和下陀螺房軸向上端環形凹槽內，定子鎖母、上保護軸承、下保護軸承、上調整墊環、下調整墊環和錐形球面磁軸承定子組件位于芯軸的徑向外側，從上到下依次為定子鎖母、上保護軸承、上調整墊環、錐形球面磁軸承定子組件、下調整墊環和下保護軸承，鍵位于錐形球面磁軸承定子組件的徑向內側鍵槽內和芯軸徑向外側鍵槽內，用于限制錐形球面磁軸承定子組件沿芯軸的軸向轉動，上保護軸承、下保護軸承、上調整墊環、下調整墊環、錐形球面磁軸承定子組件和鍵通過芯軸與定子鎖母的螺紋配合固定在芯軸上，芯軸、定子鎖母、上保護軸承、下保護軸承、上調整墊環、下調整墊環、錐形球面磁軸承定子組件和鍵組成定子芯軸組件，定子芯軸組件通過螺釘固定安裝在上陀螺房軸向下端環形凹槽內和下陀螺房的軸向上端環形凹槽內，陀螺外轉盤組件位于錐形球面磁軸承定子組件的徑向外側，上保護軸承蓋位于陀螺外轉盤組件軸向上端和上保護軸承徑向外側，并通過螺釘固定安裝在陀螺外轉盤組件上，下保護軸承蓋位于陀螺外轉盤組件軸向下端和下保護軸承徑向外側，并通過螺釘固定安裝在陀螺外轉盤組件上，錐形球面磁軸承定子組件的錐形磁極外球面與陀螺外轉盤組件內球面之間形成徑向球殼氣隙，上保護軸承蓋和下保護軸承蓋分別與上保護軸承和下保護軸承軸向端面形成軸向保護氣隙，上保護軸承蓋和下保護軸承蓋分別與上保護軸承和下保護軸承徑向外柱面形成徑向保護氣隙。由上述本專利技術提供的技術方案可以看出，本專利技術實施例提供的外轉子磁懸浮錐形球面陀螺飛輪，由于采用了錐形球面磁軸承控制轉子的徑向平動，與洛倫茲力磁軸承支承的陀螺飛輪相比，其承載力更大，進一步提高了轉子角動量和控制力矩；與徑向錐形磁軸承支承的陀螺飛輪相比，消除了軸向平動控制與徑向平動控制之間的耦合，提高了轉子懸浮精度；與柱殼氣隙的洛倫茲力磁軸承支承的陀螺飛輪相比，洛倫茲力磁軸承氣隙本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種外轉子磁懸浮錐形球面陀螺飛輪主要由靜止部分和轉子部分組成，其特征在于，所述靜止部分主要包括：上密封蓋(1)、中陀螺房(2)、下密封蓋(3)、上密封圈(4A)、下密封圈(4B)、上陀螺房(5)、下陀螺房(6)、電機組件(7)定子、洛倫茲力磁軸承(8)定子、上軸向位移傳感器組件(9A)、下軸向位移傳感器組件(9B)、徑向位移傳感器組件(10)、芯軸(11)、保護軸承鎖母(12)、上保護軸承(13A)、下保護軸承(13B)、上調整墊環(14A)、下調整墊環(14B)、徑向錐形球面磁軸承(15)定子組件和鍵(16)；所述轉子部分主要包括：陀螺外轉盤組件(17)，上保護軸承蓋(18A)和下保護軸承蓋(18B)；所述上密封蓋(1)位于中陀螺房(2)軸向上端，并通過螺釘固定在中陀螺房(2)上端面，下密封蓋(3)位于中陀螺房(2)軸向下端，并通過螺釘固定在中陀螺房(2)下端面，上密封圈(4A)位于中陀螺房(2)軸向上端凹槽內，并通過上密封蓋(1)將其壓緊在中陀螺房(2)軸向上端凹槽內，下密封圈(4B)位于中陀螺房(2)軸向下端凹槽內，并通過下密封蓋(3)將其壓緊在中陀螺房(2)軸向下端凹槽內，上密封蓋(1)、中陀螺房(2)、下密封蓋(3)、上密封圈(4A)和下密封圈(4B)為陀螺飛輪提供一個真空的密封環境，上陀螺房(5)位于上密封蓋(1)徑向內側和中陀螺房(2)軸向上端，并通過螺釘固定在中陀螺房(2)上端面，下陀螺房(6)位于下密封蓋(3)徑向內側和中陀螺房(2)軸向下端，并通過螺釘固定在中陀螺房(2)軸向下端面，電機組件(7)定子位于上陀螺房(5)軸向下端，并通過螺釘固定在上陀螺房(5)上，洛倫茲力磁軸承(8)定子組件位于下陀螺房(6)軸向上端，并通過螺釘固定在下陀螺房(6)上，上軸向位移傳感器組件(9A)位于上陀螺房(5)軸向上端，并通過螺釘固定在上陀螺房(5)上，下軸向位移傳感器組件(9B)位于下陀螺房(6)軸向下端，并通過螺釘固定在下陀螺房(6)上，徑向位移傳感器組件(10)位于中陀螺房(2)徑向內側和下陀螺房(6)軸向上端，并通過螺釘固定在下陀螺房(6)上，芯軸(11)位于上陀螺房(5)軸向下端環形凹槽內和下陀螺房(6)軸向上端環形凹槽內，定子鎖母(12)、上保護軸承(13A)、下保護軸承(13B)、上調整墊環(14A)、下調整墊環(14B)和錐形球面磁軸承(15)定子組件位于芯軸(11)的徑向外側，從上到下依次為定子鎖母(12)、上保護軸承(13A)、上調整墊環(14A)、錐形球面磁軸承(15)定子組件、下調整墊環(14B)和下保護軸承(13B)，鍵(16)位于錐形球面磁軸承(15)定子組件的徑向內側鍵槽內和芯軸(11)徑向外側鍵槽內，用于限制錐形球面磁軸承(15)定子組件沿芯軸(11)的軸向轉動，上保護軸承(13A)、下保護軸承(13B)、上調整墊環(14A)、下調整墊環(14B)、錐形球面磁軸承(15)定子組件和鍵(16)通過芯軸(11)與定子鎖母(12)的螺紋配合固定在芯軸(11)上，芯軸(11)、定子鎖母(12)、上保護軸承(13A)、下保護軸承(13B)、上調整墊環(14A)、下調整墊環(14B)、錐形球面磁軸承(15)定子組件和鍵(16)組成定子芯軸組件，定子芯軸組件通過螺釘固定安裝在上陀螺房(5)軸向下端環形凹槽內和下陀螺房(6)的軸向上端環形凹槽內，陀螺外轉盤組件(17)位于錐形球面磁軸承(15)定子組件的徑向外側，上保護軸承蓋(18A)位于陀螺外轉盤組件(17)軸向上端和上保護軸承(13A)徑向外側，并通過螺釘固定安裝在陀螺外轉盤組件(17)上，下保護軸承蓋(18B)位于陀螺外轉盤組件(17)軸向下端和下保護軸承(13B)徑向外側，并通過螺釘固定安裝在陀螺外轉盤組件(17)上，錐形球面磁軸承(15)定子組件的錐形磁極外球面與陀螺外轉盤組件(17)內球面之間形成徑向球殼氣隙(19)，上保護軸承蓋(18A)和下保護軸承蓋(18B)分別與上保護軸承(13A)和下保護軸承(13B)軸向端面形成軸向保護氣隙(20)，上保護軸承蓋(18A)和下保護軸承蓋(18B)分別與上保護軸承(13A)和下保護軸承(13B)徑向外柱面形成徑向保護氣隙(21)。...
【技術特征摘要】
1.一種外轉子磁懸浮錐形球面陀螺飛輪主要由靜止部分和轉子部分組成，其特征在
于，所述靜止部分主要包括：上密封蓋(1)、中陀螺房(2)、下密封蓋(3)、上密封
圈(4A)、下密封圈(4B)、上陀螺房(5)、下陀螺房(6)、電機組件(7)定子、
洛倫茲力磁軸承(8)定子、上軸向位移傳感器組件(9A)、下軸向位移傳感器組件
(9B)、徑向位移傳感器組件(10)、芯軸(11)、保護軸承鎖母(12)、上保護軸承
(13A)、下保護軸承(13B)、上調整墊環(14A)、下調整墊環(14B)、徑向錐形
球面磁軸承(15)定子組件和鍵(16)；
所述轉子部分主要包括：陀螺外轉盤組件(17)，上保護軸承蓋(18A)和下保護
軸承蓋(18B)；
所述上密封蓋(1)位于中陀螺房(2)軸向上端，并通過螺釘固定在中陀螺房(2)
上端面，下密封蓋(3)位于中陀螺房(2)軸向下端，并通過螺釘固定在中陀螺房(2)
下端面，上密封圈(4A)位于中陀螺房(2)軸向上端凹槽內，并通過上密封蓋(1)將
其壓緊在中陀螺房(2)軸向上端凹槽內，下密封圈(4B)位于中陀螺房(2)軸向下端
凹槽內，并通過下密封蓋(3)將其壓緊在中陀螺房(2)軸向下端凹槽內，上密封蓋
(1)、中陀螺房(2)、下密封蓋(3)、上密封圈(4A)和下密封圈(4B)為陀螺飛
輪提供一個真空的密封環境，上陀螺房(5)位于上密封蓋(1)徑向內側和中陀螺房
(2)軸向上端，并通過螺釘固定在中陀螺房(2)上端面，下陀螺房(6)位于下密封蓋
(3)徑向內側和中陀螺房(2)軸向下端，并通過螺釘固定在中陀螺房(2)軸向下端
面，電機組件(7)定子位于上陀螺房(5)軸向下端，并通過螺釘固定在上陀螺房(5)
上，洛倫茲力磁軸承(8)定子組件位于下陀螺房(6)軸向上端，并通過螺釘固定在下
陀螺房(6)上，上軸向位移傳感器組件(9A)位于上陀螺房(5)軸向上端，并通過螺
釘固定在上陀螺房(5)上，下軸向位移傳感器組件(9B)位于下陀螺房(6)軸向下
端，并通過螺釘固定在下陀螺房(6)上，徑向位移傳感器組件(10)位于中陀螺房
(2)徑向內側和下陀螺房(6)軸向上端，并通過螺釘固定在下陀螺房(6)上，芯軸
(11)位于上陀螺房(5)軸向下端環形凹槽內和下陀螺房(6)軸向上端環形凹槽內，
定子鎖母(12)、上保護軸承(13A)、下保護軸承(13B)、上調整墊環(14A)、下
調整墊環(14B)和錐形球面磁軸承(15)定子組件位于芯軸(11)的徑向外側，從上
到下依次為定子鎖母(12)、上保護軸承(13A)、上調整墊環(14A)、錐形球面磁軸
承(15)定子組件、下調整墊環(14B)和下保護軸承(13B)，鍵(16)位于錐形球面
\t磁軸承(15)定子組件的徑向內側鍵槽內和芯軸(11)徑向外側鍵槽內，用于限制錐形
球面磁軸承(15)定子組件沿芯軸(11)的軸向轉動，上保護軸承(13A)、下保護軸
承(13B)、上調整墊環(14A)、下調整墊環(14B)、錐形球面磁軸承(15)定子組
件和鍵(16)通過芯軸(11)與定子鎖母(12)的螺紋配合固定在芯軸(11)上，芯軸
(11)、定子鎖母(12)、上保護軸承(13A)、下保護軸承(13B)、上調整墊環
(14A)、下調整墊環(14B)、錐形球面磁軸承(15)定子組件和鍵(16)組成定子芯
軸組件，定子芯軸組件通過螺釘固定安裝在上陀螺房(5)軸向下端環形凹槽內和下陀螺
房(6)的軸向上端環形凹槽內，陀螺外轉盤組件(17)位于錐形球面磁軸承(15)定子
組件的徑向外側，上保護軸承蓋(18A)位于陀螺外轉盤組...
【專利技術屬性】
技術研發人員：劉強，胡燈亮，吳波，孟偉，梁棟航，高憲鵬，
申請(專利權)人：北京石油化工學院，中國航天空氣動力技術研究院，
類型：發明
國別省市：北京;11
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