[发明专利]一种磁悬浮反作用飞轮装置

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于：静止部分包括径向磁悬浮轴承(4)的静止部分、外壳(1)、轴向磁悬浮轴承(7)的静止部分、保护轴承(3)、位置传感器(5)、电机(6)的定子部分和底座(8)；转动部分包括轮体(2)、径向磁悬浮轴承(4)的转动部分、轴向磁悬浮轴承(7)的转动部分和电机(6)的转动部分，保护轴承(3)处于飞轮的中部，保护轴承(3)与底座(8)连接，在保护轴承(3)的外侧是径向磁悬浮轴承(4)，其静止部分与底座(8)连接，其转动部分与轮体(2)连接，在径向磁悬浮轴承(4)的外侧是位置传感器(5)，位置传感器(5)与底座(8)连接，在位置传感器(5)的外侧是电机(6)，其静止部分与底座(8)连接，其转动部分与轮体(2)连接，在电机(6)的外侧是轴向磁悬浮轴承(7)，其静止部分与底座(8)连接，其转动部分与轮体(2)连接，位置传感器(5)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(4)的电磁线圈相连，形成电的闭环回路，底座(8)位于飞轮的最底部，通过径向磁悬浮轴承保持飞轮的转动部分与飞轮的静止部分的径向间隙及电机定转子径向间隙均匀，通过轴向磁悬浮轴承保持飞轮的转动部分与飞轮的静止部分轴向对齐，同时保持电机的定、转子轴向对齐；当飞轮受到某一因素的干扰后，使飞轮的径向间隙发生变化时，位置传感器将及时检测出间隙的变化，发出检测信号，外加控制器通过增加或减小径向磁悬浮轴承的电磁线圈的电流，增大或减小径向混合磁悬浮轴承的电磁力，从而保持飞轮的静止部分与转动部分的径向间隙均匀，消除干扰的影响；当飞轮受到某一因素的干扰后，使飞轮的轴向间隙发生变化时，轴向磁悬浮轴承增大或减小磁力，从而保持飞轮的静止部分与转动部分的轴向间隙均匀，消除干扰的影响，从而维持飞轮正常稳定运转，消除了机械轴承的摩擦力矩，提高了飞轮系统的转速，因而提高了输出转矩与角动量的比，同时减小了磁悬浮反作飞轮系统的体积、振动噪声，提高了系统的使用寿命；采用了径向混合磁轴承技术和轴向被动磁悬浮轴承技术，结构紧凑，减小了磁悬浮飞轮系统的体积和重量，提高了系统的可靠性；所述的径向磁悬浮轴承(4)为永磁偏置、电磁控制的主动式磁轴承；所述的轴向被动磁悬浮轴承(7)为永磁被动磁轴承；所述的径向磁悬浮轴承(4)和轴向被动磁悬浮轴承(7)是磁力相等的对称结构，或磁力不相等的非对称结构；所述的电机(6)不再含有机械轴承，径向磁悬浮轴承(4)、轴向磁悬浮轴承(7)为电机(6)起到径向和轴向支撑定位作用；径向磁悬浮轴承位于飞轮系统中部，位于径向位置传感器(5)和保护轴承(3)之间，主要由磁悬浮轴承外转子导磁环(41)、转子铁心(42)、内定铁心(43)、定子导磁环(44)、永磁体(45)、激磁线圈(46)组成，其中径向磁悬浮轴承转子导磁环(41)、转子铁心(42)为转动部分，其余为静止部分；其功能是实现飞轮系统的定子组件和转子组件之间的径向非接触稳定悬浮；飞轮系统所使用的径向位置传感器(5)中，它主要由四个径向位移传感器探头(51、52、53、54)组成，其中第一径向位移传感器探头(51)和第二径向位移传感器探头(52)沿X方向180度放置，用以探测X方向的位置信号，第三径向位移传感器探头(53)和第四径向位移传感器探头(54)沿Y方向180度放置，用以探测Y方向的位置信号，这4个通道的前置放大器和探头集成一体，可及时检测出径向间隙的变化，发出检测信号给外加控制器，径向位置传感器(5)在飞轮系统的径向磁悬浮轴承的外侧；电机(6)为飞轮系统转子组件的驱动部分，位于飞轮系统径向位置传感器的外侧，电机(6)主要由电机外转子叠层(61)、电机磁钢(62)、电机内转子叠层(64)、杯形定子(63)组成，其中杯形定子(63)为电机静止部分，其余为电机转动部分，电机(6)的功能是驱动飞轮系统的转子组件高速旋转，通过转子组件提供恒定的角动量。