[发明专利]基于MEMS微泵的飞轮用固液复合润滑轴系

说明书

技术领域

本发明属于空间摩擦学技术领域，涉及一种基于MEMS微泵的飞轮用固液复合润滑轴系。 

背景技术

卫星的发展要求姿态控制系统具有高精度和长寿命并能提供精确的控制力矩，因而越来越多地采用飞轮三轴姿态稳定系统。空间姿控飞轮一般由转子、轴系、直流无刷电机以及密封壳体构成。轴系是飞轮中的关键部件，其设计直接决定了飞轮的控制精度、可靠性以及寿命。 

姿态控制用飞轮分为偏置动量轮和反作用飞轮两种，其中偏置动量轮的平均转速一般在2000～3000转/分钟，飞轮单方向旋转；反作用飞轮的平均转速为0，可以正反两个方向旋转。相对于偏置动量轮，反作用飞轮在相同惯量条件下具有高角动量输出范围以及良好的控制特性，成为姿态控制飞轮的重要发展方向。目前国外卫星姿态控制方案的发展趋势是将反作用飞轮工作在偏置状态下构成整星零动量，即反作用飞轮不过零，国内反作用飞轮还处于研制阶段，寿命和可靠性不高。反作用飞轮转速不过零，其角动量输出范围减小50％多，导致其功能密度严重降低。其原因是由于反作用飞轮在零转速附近的摩擦磨损剧烈同时带有强烈的非线性，因而导致反作用飞轮在零转速附近控制精度低，其本质是由于飞轮轴系在零转速附近存在磨损剧烈、摩擦非线性以及润滑不良等问题造成的。 

当前，飞轮轴系支撑轴承采用钢制球轴承，润滑方式为液体油润滑。油润滑在零转速及低速下难于形成良好的弹性流体动压润滑膜，因此零转速及低速下的摩擦力矩大、轴承磨损剧烈，这样导致了轴系在零转速和低速下控制精度低，对卫星造成了姿态扰动，因此，姿态控制飞轮(包括偏置动量轮和反作用飞轮)仅能工作在较高的工作转速下。 

姿态控制飞轮轴系的润滑方式有脂润滑、油润滑和固体润滑三种方式。其中油润滑在较高转速下具有摩擦力矩低、运转平稳以及功耗小的优点，但其在 低速下的润滑状况不好；脂润滑不易挥发，润滑结构相对油润滑简单，低速下的润滑状况好于油润滑，但在较高转速下功耗较大；固体润滑具有结构简单、摩擦性能不随温度变化以及良好的低速特性等优点，但在较高转速下磨损剧烈，寿命有限。 

发明内容

针对当前飞轮中存在零速附近摩擦力矩大、磨损剧烈以及控制精度低等问题，本发明提供一种基于MEMS微泵的空间飞轮用固-液复合润滑轴系，可同时为内转子飞轮电机和外转子飞轮电机提供有效支撑，通过利用MEMS微孔增强的固体薄膜润滑陶瓷轴承+MEMS微泵精确供油的液体复合润滑方式，轴系润滑系统采用由空腔储油器-MEMS微泵-迷宫密封组成的储油、供油及保持装置，使轴系从静止启动到高速运转的宽转速范围内都具有良好的润滑特性和摩擦特性，有效改善初期磨合及防止启动咬合，同时提高了轴系在零速附近的控制精度、使用寿命和可靠性。 

本发明包括第一MEMS微孔增强的固体薄膜润滑陶瓷轴承1、第二MEMS微孔增强的固体薄膜润滑陶瓷轴承3、MEMS微泵储油-供油系统2、主轴4、内支撑套5、外支撑套6以及油储7。内支撑套5和外支撑套6均可与飞轮电机转子联接，可同时为内转子飞轮电机和外转子飞轮电机提供可靠支撑；第一MEMS微孔增强的固体薄膜润滑陶瓷轴承1和第二MEMS微孔增强的固体薄膜润滑陶瓷轴承3同轴排列安装于主轴4上，两端由内支撑套5实现紧固，外支撑套6对轴承提供预紧，内支撑套5和外支撑套6之间采用迷宫密封结构以减小液体润滑剂的分子损失；第一MEMS微孔增强的固体薄膜润滑陶瓷轴承1和第二MEMS微孔增强的固体薄膜润滑陶瓷轴承3的内圈17和外圈18沟道表面在涂敷固体润滑薄膜之前采用MEMS微加工工艺在其沟道表面预制微孔，增强固体润滑膜与钢基的结合力，为轴系在零速附近提供良好的润滑，同时增加轴系的使用寿命。MEMS微泵储油-供油系统2安装在第一MEMS微孔增强的固体薄膜润滑陶瓷轴承1和第二MEMS微孔增强的固体薄膜润滑陶瓷轴承3之间，根据电机转子类型(内转子、外转子)确定其固定方式，其中MEMS楔形进油口9和微阀11可对第一MEMS微孔增强的固体薄膜润滑陶瓷轴承1和第二MEMS微孔增强的固体薄膜润滑陶瓷轴承3进行精确可控的供油，从而消除轴承因过 量供油和缺油而造成的润滑性能下降，提高油储7中所储润滑油的利用效率，增加使用寿命。 

本发明的有益效果是：采用MEMS微孔增强的固体薄膜润滑陶瓷轴承+MEMS微泵精确供油的液体复合润滑方式，轴系润滑系统采用由空腔储油器-MEMS微泵-迷宫密封组成的储油、供油及保持装置，使轴系从静止启动到高速运转的宽转速范围内具有良好的润滑特性和摩擦特性，有效改善初期磨合及防止启动咬合，同时提高了轴系在低速下的控制精度、使用寿命和可靠性。 

附图说明