[发明专利]一种磁悬浮反作用飞轮装置

说明书

本发明公开了一种磁悬浮反作用飞轮装置，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，主要由轮体、外壳、底座、径向磁悬浮轴承、轴向被动磁悬浮轴承、保护轴承、位置传感器、电机部件组成。采用磁悬浮轴承对飞轮转子进行五自由度非接触悬浮，并由电机驱动飞轮转子绕转轴旋转，输出控制力矩，径向磁悬浮轴承控制转子径向平动，轴向磁悬浮轴承控制转子的径向转动和轴向平动。本发明各个组件布局合理、紧凑，减小了体积，减轻了重量，消除了机械轴承飞轮的转速过零摩擦力和机械磨损，提高了飞轮的控制精度和使用寿命。

技术领域

本发明涉及飞轮机构的技术领域，具体涉及一种磁悬浮反作用飞轮装置，可用于卫星、对地观测平台、空间望远镜等航天器的姿态控制。

背景技术

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。有的磁悬浮飞轮，采用两个径向磁悬浮轴承沿轴向并排放置，受到整个飞轮重量和体积的限制，两个径向磁轴承之间的距离很短，这会使得飞轮转子在受到扰动等因素需要输出力矩调整姿态时，作用到两个径向磁轴承的力会很大，因而径向磁轴承在径向方向的尺寸就会增加，这势必会增加飞轮的体积和重量。有的磁悬浮飞轮径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承均采用永磁偏置、主动控制方式的混合磁悬浮轴承，因此存在功耗大和可靠性低的缺点。有的五自由度悬浮结构采用轴向混合磁轴承，转子位于悬浮结构中部，因此存转动惯量小和质量重的缺点，故不能满足卫星、对地观测平台等航天器所要求的体积小、重量轻的目的。还有些储能飞轮系统采用轴向混合混合磁轴承和径向混合磁轴承及主动控制方式，因此存在结构复杂和可靠性低的缺点。中国专利申请CN200610011579.7、中国专利申请CN201210147464.6、中国申请专利CN201310334470.7，给出了三种磁悬浮储能飞轮，但这两种储能飞轮用于航天器的储能装置，不适合做为航天器姿态控制执行机构。中国专利申请CN201510003170.X、中国专利申请CN201510003197.9，给出了两种轴向混合磁轴承实现转子五自由度悬浮结构，尽管这两种五自由度悬浮结构可用于提供转子轴向和径向悬浮力，但由于没有电机，不能驱动飞轮系统的转子组件旋转，因此不能提供角动量控制航天器的姿态。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有机械轴承飞轮、两个径向磁悬浮轴承轴向并置的磁悬浮飞轮的不足，提供一种结构简单体积小、可靠性高、重量轻、振动噪声小、寿命长的磁悬浮反作用飞轮。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种磁悬浮反作用飞轮装置，由静止部分和转动部分两部分组成，静止部分包括：径向磁悬浮轴承的静止部分、外壳、轴向磁悬浮轴承的静止部分、保护轴承、位置传感器、电机的定子部分、底座；转动部分包括：轮体、径向磁悬浮轴承的转动部分、轴向磁悬浮轴承的转动部分、电机的转动部分，保护轴承处于飞轮的中部，保护轴承与底座连接，在保护轴承的外侧是径向磁悬浮轴承，其静止部分与底座连接，其转动部分与轮体连接，在径向磁悬浮轴承的外侧是位置传感器，位置传感器与底座连接，在位置传感器的外侧是电机，其静止部分与底座连接，其转动部分与轮体连接，在电机的外侧是轴向磁悬浮轴承，其静止部分与底座连接，其转动部分与轮体连接，位置传感器的输出电信号与外加控制器的输入端相连，该控制器的输出端与径向磁悬浮轴承的电磁线圈相连，形成电的闭环回路，底座位于飞轮的最底部。

其中，径向磁悬浮轴承为永磁偏置、电磁控制的主动式磁轴承。

其中，轴向被动磁悬浮轴承为永磁被动式磁轴承。

其中，所述的径向磁悬浮轴承和轴向被动磁悬浮轴承是磁力相等的对称结构，或磁力不相等的非对称结构。