[发明专利]一种大力矩磁悬浮飞轮

说明书

技术领域

本发明涉及一种大力矩磁悬浮飞轮，可作为卫星、对地观测平台等航天器的姿态控制系统执行机构。

背景技术

随着卫星、对地观测平台等航天器任务多样化的发展，航天器对姿态控制系统执行机构的要求越来越高。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，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。现有的基于磁轴承支承的磁悬浮飞轮结构中，一般采用两个单自由度轴向磁轴承+两个两自由度径向磁轴承结构，或两个三自由度轴向磁轴承+一个两自由度径向磁轴承结构。无论采用哪种结构，主要功能都是通过动量交换系统控制航天器的姿态，为了满足航天器在大角速率条件下对承载力的要求，需要增大转子出力大小，只能依靠增加扭转力臂长度即轴承转子跨距，这势必增加了飞轮的重量和体积，因而现有的磁悬浮飞轮存在力矩较小的缺点。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有机械轴承飞轮和磁悬浮轴承飞轮的不足，提供一种便于机动控制、短时间内力矩大、利用陀螺效应的一种大力矩磁悬浮飞轮。

本发明的技术解决方案为：一种大力矩磁悬浮飞轮，由静止部分和转动部分组成，其特征在于：静止部分包括：底座、密封罩、芯轴、轴套、转接板、保护轴承、径向解耦锥形磁轴承组件定子部分、洛伦兹力磁轴承组件定子部分、传感器组件和电机组件定子部分；转动部分包括：限位套、径向解耦锥形磁轴承组件转子部分、洛伦兹力磁轴承组件转子部分和电机组件的转子部分。芯轴位于轮体的中心，固定在转接板上，芯轴上装有保护轴承和轴套，保护轴承的径向外侧是限位套，保护轴承和限位套在径向上形成径向保护间隙，在轴向上形成轴向保护间隙，限位套的径向外侧是轮毂，轮毂的径向外侧是轮缘，轮毂与轮缘构成转子组件，径向解耦锥形磁轴承组件位于芯轴、限位套和轮毂构成的空腔内，径向解耦锥形磁轴承组件定子部分固定在轴套上，其转子部分安装在轮毂上，径向解耦锥形磁轴承组件的径向外侧是电机组件，电机组件的定子部分与转接板相连，其转子部分安装在轮毂上，电机组件的径向外侧是传感器组件，传感器组件位于轮毂和轮缘构成的间隙内，固定于底座上，传感器组件的径向外侧是洛伦兹力磁轴承组件，洛伦兹力磁轴承组件的定子部分安装在底座上，其转子部分安装在轮缘上，密封罩安装在底座上，底座位于飞轮的最底部。

所述的径向解耦锥形磁轴承由由定子部分和转子部分组成，其中定子部分包括定子导磁环、上锥形定子、定子隔磁环、轴向上层线圈、永磁体、径向定子、径向定子隔磁环、径向线圈、下锥形定子以及轴向下层线圈，转子部分包括上锥形转子、转子导磁环、径向转子铁心、转子隔磁环、下锥形转子，其中永磁体的外侧为径向定子，径向定子共有两个，沿圆周方向正交放置，两个径向定子之间有径向定子隔磁环，各径向定子均由定子齿和定子导磁轭组成，径向定子齿上均绕有径向线圈，永磁体的轴向上下两侧均为定子隔磁环，永磁体与定子隔磁环的径向内侧为定子导磁环，定子导磁环的上下两端分别为上锥形定子和下锥形定子，径向定子的外侧为径向转子铁心，径向定子和径向转子铁心之间为径向磁气隙，径向转子铁心上下两侧为转子隔磁环，转子导磁环安装在径向转子铁心和转子隔磁环的径向外侧，并将上锥形转子和下锥形转子连起来，形成磁通路，上锥形定子的外侧为上锥形转子，上锥形定子和上锥形转子之间为上锥形气隙，下锥形定子的外侧为下锥形转子，下锥形定子和下锥形转子之间为下锥形气隙，上锥形定子和下锥形定子沿圆周方向均为整环结构，轴向上层线圈和轴向下层线圈分别套在上锥形定子和下锥形定子的内侧。径向定子在x、y方向各有一个，两个径向定子及相邻的定子隔磁环、永磁体、径向定子隔磁环共同组成了径向定子部分，在安装时x、y方向的两个径向定子正交放置，径向定子隔磁环位于两个通道定子之间，用于隔离两个通道的永磁磁路和电磁磁路，单个通道的径向定子部分包括径向定子、永磁体、径向定子隔磁环，每个径向定子均由定子齿和定子导磁轭组成，两个径向定子形成的定子部分沿圆周均匀分布有四个定子齿。上下锥形定子均采用整环结构，而锥形定转子面的法线均通过质心，则无论转子处于什么位置，锥形转子面上各点产生的吸力方向均通过质心，从而避免了轴承负刚度力产生的力矩对转子扭转的影响。径向解耦锥形磁轴承为采用永磁偏置和电磁控制的非接触式主动控制磁悬浮轴承。