一種四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺的制作方法
【專利摘要】一種四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，由四自由度磁軸承、高速電機、徑軸一體化傳感器、徑向傳感器、上保護軸承、下保護軸承、芯軸、輪體、底座、上傳感器檢測環、下傳感器檢測環、殼體、內框框架芯軸、內框框架電機、內框框架、內框機械軸承、內框角位置傳感器、內框導電滑環、外框框架芯軸、外框框架電機、外框框架、外框機械軸承、外框角位置傳感器、外框導電滑環組成，四自由度磁軸承的主動部分控制轉子的徑向平動與偏轉，轉子的軸向平動通過四自由度磁軸承的被動部分實現。本發明各個組件布局緊湊，減小了體積和重量，減小了系統的噪聲、體積和重量，消除了軸承摩擦力，從而提高了雙框架控制力矩陀螺的壽命和控制精度。
【專利說明】一種四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，可作為長期運行或要求大機動和快速響應的航天器和空間站等大型航天器的姿態控制系統的執行機構。
【背景技術】
[0002]控制力矩陀螺是應用在大型航天器上的一類慣性執行機構，主要由高速轉子和框架系統組成，通過框架伺服系統控制高速轉子角動量的方向，從而輸出陀螺力矩對航天器的姿態進行控制。要求大機動和快速響應的航天器以及空間站等大型航天器的姿態控制的執行機構要求輸出力矩大、壽命長、可靠性高、響應速度快、精度高、體積小、重量輕、功耗低，這就要求輸出角動量的高速轉子的轉速要高，以減輕重量、縮小體積；要求框架系統的框架電機輸出力矩大、控制精度高。根據框架的自由度個數，與單框架控制力矩陀螺相比，雙框架控制力矩陀螺組成的姿態控制系統的主要優點是:動量包絡為球體、奇異性不明顯、構型和控制律簡單、便于操縱，安裝可靠方便，相同冗余度時，比單框架控制力矩陀螺組成的姿態系統質量要輕。所以雙框架控制力矩陀螺是大型航天器姿態控制系統關鍵執行機構。作為高速轉子的支承部件，現有的雙框架控制力矩陀螺采用機械軸承支承，因而從根本上限制了轉子轉速的提高、降低了系統的使用壽命和可靠性，增加了系統的功耗，振動和噪聲大，控制精度低，為了使控制力矩陀螺輸出所需的角動量，不得不增加控制力矩陀螺的重量和體積。因此現有的雙框架控制力矩陀螺主要缺點是體積和重量大、控制精度低、可靠性差、壽命比較短等。現有的磁懸浮雙框架控制力矩陀螺采用的是五自由度全主動的結構形式，盡管采用了永磁偏置磁軸承的結構形式，但是其功耗仍然較大，而且五自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺在電路板的數量及體積都明顯過大。
【發明內容】
[0003]本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供一種四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，以減小自身體積重量和功耗。
[0004]本發明的技術解決方案為:一種四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，由四自由度磁軸承(I)、高速電機(2)、徑軸一體化傳感器(3)、徑向傳感器(4)、上保護軸承(5)、下保護軸承(6)、芯軸(7)、輪體(8)、底座(9)、上傳感器檢測環(10)、下傳感器檢測環(11)、殼體(12)、內框框架芯軸(13)、內框框架電機(14)、內框框架(15)、內框機械軸承(16)、內框角位置傳感器(17)、內框導電滑環(18)、外框框架芯軸(19)、外框框架電機(20)、外框框架
(21)、外框機械軸承(22)、外框角位置傳感器(23)、外框導電滑環(24)組成，其中四自由度磁軸承(I)位于控制力矩陀螺的中部，其定子部分安裝在芯軸(7)的中部，四自由度磁軸承
(I)定子的上端為上保護軸承(5)，上保護軸承(5)也固定在芯軸(7)上，上保護軸承(5)的徑向外側為上傳感器檢測環(10)，上保護軸承(5)與上傳感器檢測環(10)之間形成徑向保護間隙和軸向保護間隙，上傳感器檢測環(10)的徑向外側是徑軸一體化傳感器(3)，徑軸一體化傳感器(3)的徑向探頭和軸向探頭與上傳感器檢測環(10)之間形成徑向探測間隙和軸向探測間隙，徑軸一體化傳感器⑶通過傳感器座與芯軸(7)固連；四自由度磁軸承
(I)定子的下端為下保護軸承(6)，下保護軸承(6)也固定在芯軸(7)上，其徑向外側為下傳感器檢測環(11)，下保護軸承(6)和下傳感器檢測環(11)之間形成徑向保護間隙，下傳感器檢測環(11)的徑向外側是徑向傳感器(4)，徑向傳感器(4)的探頭與下傳感器檢測環
(II)之間形成徑向探測間隙，徑向傳感器(4)通過傳感器座與底座(9)固連；四自由度磁軸承(I)的轉子的徑向外側是輪體(8)，兩者采用過盈配合，輪體(8)的下端安裝有高速電機(2)的內轉子鐵心和外轉子鐵心，高速電機(2)的定子與內轉子鐵心和外轉子鐵心之間形成磁間隙，并通過連接板固定在底座(9)上，殼體(12)與底座(9)通過螺釘相連，用以將輪體密封起來；殼體(12)的兩端與內框框架芯軸(13)相連，內框框架芯軸(13)通過內框機械軸承(16)與內框框架(15)固連，內框框架(15)的一端與內框框架電機(14)的定子部分相連，另一端與內框角位置傳感器(17)的定子相連，內框角位置傳感器(17)的定子與內框導電滑環(18)的靜止部分相連；內框框架電機(14)的轉子部分與內框框架芯軸(13)連接，內框角位置傳感器(17)的轉子以及內框導電滑環(18)的轉動部分與另一端的內框框架芯軸(13)固連；內框框架(15)的兩端與外框框架芯軸(19)相連，外框框架芯軸(19)通過外框機械軸承(22)與外框框架(21)固連，外框框架(21)的一端與外框框架電機(20)的定子部分相連，另一端與外框角位置傳感器(23)的定子相連，外框角位置傳感器(23)的定子與外框導電滑環(24)的靜止部分相連；外框框架電機(20)的轉子部分與外框框架芯軸(19)連接，外框角位置傳感器(23)的轉子以及外框導電滑環(24)的轉動部分與另一端的外框框架芯軸(19)固連。
[0005]所述的四自由度磁軸承⑴由被動部分轉子導磁環(101)、轉子永磁體(102)、轉子導磁體(103)、轉子鐵心(104)、氣隙(105)、定子鐵心(106)、定子導磁環(107)、定子永磁體(108)、線圈(109)、被動部分定子導磁環(110)和被動部分氣隙(111)組成，其中每個定子鐵心(106)由4個磁極組成，兩個定子鐵心(106)組成磁軸承上下兩端8個磁極，分別組成X、Y軸正負方向的磁極，每個定子鐵心(106)的磁極上繞制有線圈(109)，定子鐵心
(106)外部為轉子鐵心(104)，轉子鐵心(104)外部為轉子導磁體(103)，轉子鐵心(104)內表面與定子鐵心(106)外表面留有一定的間隙，形成氣隙(105)，定子鐵心(106)的徑向內部為定子導磁環(107)，兩個被動部分定子導磁環(110)位于兩個定子鐵心(106)之間，定子鐵心(106)與被動部分定子導磁環(110)之間有兩個定子永磁體(108),兩個被動部分定子導磁環(110)之間有一個定子永磁體(108),被動部分定子導磁環(110)的徑向外部為被動部分轉子導磁環(101)，兩個轉子導磁體(103)之間為轉子永磁體(102)，被動部分轉子導磁環(101)的內表面與被動部分定子導磁環(107)的外表面之間留有一定間隙,形成被動部分氣隙(111)。
[0006]所述的每個定子鐵心(106)的磁極繞制有線圈(109)為獨立控制。
[0007]所述的轉子永磁體(102)和每個定子永磁體(108)為軸向圓環,沿軸向充磁,且體積相等。
[0008]所述的被動部分轉子導磁環(101)和被動部分定子導磁環(110)由實心整環導磁材料制成。
[0009]所述的被動部分轉子導磁環(101)和被動部分定子導磁環(110)為兩個、四個、六個或八個。
[0010]所述的徑軸一體化傳感器(3)具有4個正交放置的徑向探頭和4個正交放置的軸向探頭，軸向探頭完成輪體(8)的軸向平動、兩個徑向轉動三個廣義位移的檢測，徑向探頭完成輪體(8)的兩個徑向平動廣義位移的檢測。
[0011]所述的內框角位置傳感器(17)和外框角位置傳感器(23)為旋轉變壓器，也可以為光電碼盤。
[0012]上述方案的原理是:雙框架控制力矩陀螺由高速轉子系統、內框架系統和外框架系統三部分組成，內框架系統和外框架系統轉軸的軸線相互垂直，并通過高速轉子系統的質心。通過高速轉子系統的轉速控制部分使得高速轉子系統轉子的轉速保持恒定，通過高速轉子提供角動量。內框架系統和外框架系統轉動迫使高速轉子的角動量改變方向，從而輸出陀螺力矩，陀螺力矩等于框架轉速矢量與高速轉子角動量矢量的叉積。其中，內框架系統控制高速轉子角動量作一個自由度的進動，外框架系統控制高速轉子角動量作另一個自由度的進動，從而內框架系統和外框架系統控制高速轉子兩個自由度的進度，產生兩個自由度的陀螺力矩。通過一個雙框架控制力矩陀螺可控制航天器的兩自由度姿態控制，需要兩個雙框架控制力矩陀螺可實現航天器三自由度姿態控制。其中四自由度磁軸承的控制原理為:通過控制上下兩組定子鐵心磁極的線圈(即獨立控制各個線圈中的電流，也就是說，“獨立控制”指的是各個線圈中的電流沒有直接聯系，是通過功放根據位移傳感器檢測到的探測氣隙變化對每個定子磁極線圈進行通電)，實現磁軸承轉動部分的徑向平動和徑向扭動，利用中間的被動部分的定子導磁環和被動部分轉子導磁環通過軸向位移產生的磁偏拉力實現磁軸承轉動部分的軸向平動。定子永磁體和轉子永磁體給磁軸承提供永磁偏置磁場，承擔磁軸承所受的徑向力，線圈所產生的磁場起調節作用，用來改變每極下磁場的強弱，保持磁軸承定轉子氣隙均勻，并使轉子得到無接觸支撐。本發明的永磁磁路為三個部分(如圖4所示)，一部分為:磁通從上端定子永磁體N極出發，通過定子導磁環、上端定子鐵心、上端氣隙、上端轉子鐵心、上端轉子導磁體、上端被動部分轉子導磁環、上端被動部分氣隙、上端被動部分定子導磁環、定子導磁環回到上端定子永磁體的S極；第二部分為:磁通從下端定子永磁體N極出發,通過定子導磁環、下端被動部分定子導磁環、下端被動部分氣隙、下端被動部分轉子導磁環、下端轉子導磁體、下端轉子鐵心、下端氣隙、下端定子鐵心、定子導磁環回到下端定子永磁體的S極；第三部分為:磁通從中間的定子永磁體N極出發，通過定子導磁環、下端被動部分定子導磁環、下端被動部分氣隙、下端被動部分轉子導磁環、下端轉子導磁體、轉子永磁體S極、轉子永磁體N極、上端轉子導磁體、上端被動部分轉子導磁環、上端被動部分氣隙、上端被動部分定子導磁環、定子導磁環，回到中間定子永磁體的S極。如圖3所示，以某端Y軸正方向線圈電流產生的磁通為例，其路徑為:定子鐵心形成的Y軸正方向磁極、Y軸正方向氣隙到轉子鐵心、然后到另外三個方向氣隙、定子鐵心形成的另外三個方向磁極、回到定子鐵心形成的Y軸正方向磁極，構成閉合回路。
[0013]本發明與現有技術相比的優點在于:本發明利用四自由度磁軸承實現雙框架磁懸浮控制力矩陀螺兩個徑向平動以及兩個徑向偏轉的控制，并且被動部分的定子永磁體和轉子永磁體實現四自由度磁軸承被動剛度的提高，對主動部分沒有影響，此外，本發明的每個定子永磁體和轉子永磁體體積相同，可以使得整機剩磁矩接近零，滿足航天的要求；本發明的四自由度磁軸承中的軸向被動部分為整環結構，磁場波動小，旋轉功耗小。另外，本發明的上保護軸承和下保護軸承大小不同，便于雙框架磁懸浮控制力矩陀螺內部輪體的拆卸；由于本發明采用了四自由度的雙框架磁懸浮控制力矩陀螺結構形式，電路板數量以及體積和相應的功耗均會明顯減小。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺示意圖；
[0015]圖2為本發明的四自由度磁軸承軸向截面圖；
[0016]圖3為本發明的四自由度磁軸承軸向端面圖；其中圖3a為極靴形式的端面圖，圖3b為定子磁極夾角為62度時的端面圖；
[0017]圖4為本發明的四自由度磁軸承的永磁磁路圖；
[0018]圖5為本發明的含有四個被動部分轉子導磁環和被動部分定子導磁環的四自由度磁軸承軸向截面圖；
[0019]圖6為本發明的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺中高速電機結構圖；
[0020]圖7為本發明的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺的徑軸一體化傳感器結構圖；
[0021]圖8為本發明的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺的內框框架電機示意圖。
【具體實施方式】
[0022]如圖1所示，一種四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，由四自由度磁軸承(I)、高速電機(2)、徑軸一體化傳感器(3)、徑向傳感器(4)、上保護軸承(5)、下保護軸承(6)、芯軸(7)、輪體(8)、底座(9)、上傳感器檢測環(10)、下傳感器檢測環(11)、殼體(12)、內框框架芯軸(13)、內框框架電機(14)、內框框架(15)、內框機械軸承(16)、內框角位置傳感器(17)、內框導電滑環(18)、外框框架芯軸(19)、外框框架電機(20)、外框框架(21)、外框機械軸承(22)、外框角位置傳感器(23)、外框導電滑環(24)組成，其中四自由度磁軸承(I)位于控制力矩陀螺的中部，其定子部分安裝在芯軸(7)的中部，四自由度磁軸承(I)定子的上端為上保護軸承(5)，上保護軸承(5)也固定在芯軸(7)上，上保護軸承(5)的徑向外側為上傳感器檢測環(10)，上保護軸承(5)與上傳感器檢測環(10)之間形成徑向保護間隙和軸向保護間隙，上傳感器檢測環(10)的徑向外側是徑軸一體化傳感器(3)，徑軸一體化傳感器(3)的徑向探頭和軸向探頭與上傳感器檢測環(10)之間形成徑向探測間隙和軸向探測間隙，徑軸一體化傳感器⑶通過傳感器座與芯軸(7)固連；四自由度磁軸承⑴定子的下端為下保護軸承(6)，下保護軸承(6)也固定在芯軸(7)上，其徑向外側為下傳感器檢測環(11)，下保護軸承(6)和下傳感器檢測環(11)之間形成徑向保護間隙，下傳感器檢測環(11)的徑向外側是徑向傳感器(4)，徑向傳感器(4)的探頭與下傳感器檢測環(11)之間形成徑向探測間隙，徑向傳感器(4)通過傳感器座與底座(9)固連；四自由度磁軸承(I)的轉子的徑向外側是輪體(8)，兩者采用過盈配合，輪體⑶的下端安裝有高速電機(2)的內轉子鐵心和外轉子鐵心，高速電機(2)的定子與內轉子鐵心和外轉子鐵心之間形成磁間隙，并通過連接板固定在底座(9)上，殼體(12)與底座(9)通過螺釘相連，用以將輪體密封起來；殼體(12)的兩端與內框框架芯軸(13)相連，內框框架芯軸(13)通過內框機械軸承
(16)與內框框架(15)固連，內框框架(15)的一端與內框框架電機(14)的定子部分相連，另一端與內框角位置傳感器(17)的定子相連，內框角位置傳感器(17)的定子與內框導電滑環(18)的靜止部分相連；內框框架電機(14)的轉子部分與內框框架芯軸(13)連接，內框角位置傳感器(17)的轉子以及內框導電滑環(18)的轉動部分與另一端的內框框架芯軸
(13)固連；內框框架(15)的兩端與外框框架芯軸(19)相連，外框框架芯軸(19)通過外框機械軸承(22)與外框框架(21)固連，外框框架(21)的一端與外框框架電機(20)的定子部分相連，另一端與外框角位置傳感器(23)的定子相連，外框角位置傳感器(23)的定子與外框導電滑環(24)的靜止部分相連；外框框架電機(20)的轉子部分與外框框架芯軸(19)連接，外框角位置傳感器(23)的轉子以及外框導電滑環(24)的轉動部分與另一端的外框框架芯軸(19)固連。
[0023]所述的四自由度磁軸承⑴由被動部分轉子導磁環(101)、轉子永磁體(102)、轉子導磁體(103)、轉子鐵心(104)、氣隙(105)、定子鐵心(106)、定子導磁環(107)、定子永磁體(108)、線圈(109)、被動部分定子導磁環(110)和被動部分氣隙(111)組成，其中每個定子鐵心(106)由4個磁極組成，兩個定子鐵心(106)組成磁軸承上下兩端8個磁極，分別組成X、Y軸正負方向的磁極，每個定子鐵心(106)的磁極上繞制有線圈(109)，定子鐵心(106)外部為轉子鐵心(104)，轉子鐵心(104)外部為轉子導磁體(103)，轉子鐵心(104)內表面與定子鐵心(106)外表面留有一定的間隙，形成氣隙(105)，定子鐵心(106)的徑向內部為定子導磁環(107)，兩個被動部分定子導磁環(110)位于兩個定子鐵心(106)之間，定子鐵心(106)與被動部分定子導磁環(110)之間有兩個定子永磁體(108),兩個被動部分定子導磁環(110)之間有一個定子永磁體(108),被動部分定子導磁環(110)的徑向外部為被動部分轉子導磁環(101)，兩個轉子導磁體(103)之間為轉子永磁體(102)，被動部分轉子導磁環(101)的內表面與被動部分定子導磁環(107)的外表面之間留有一定間隙,形成被動部分氣隙(111)。
[0024]所述的每個定子鐵心(106)的磁極繞制有線圈(109)為獨立控制。
[0025]所述的轉子永磁體(102)和每個定子永磁體(108)為軸向圓環，沿軸向充磁，且體積相等。
[0026]所述的被動部分轉子導磁環(101)和被動部分定子導磁環(110)由實心整環導磁材料制成。
[0027]所述的被動部分轉子導磁環(101)和被動部分定子導磁環(110)為兩個、四個、六個或八個。
[0028]所述的徑軸一體化傳感器(3)具有4個正交放置的徑向探頭和4個正交放置的軸向探頭，軸向探頭完成輪體(8)的軸向平動、兩個徑向轉動三個廣義位移的檢測，徑向探頭完成輪體(8)的兩個徑向平動廣義位移的檢測。
[0029]所述的每個定子鐵心(106)的磁極繞制有線圈(109)為獨立控制，以實現磁軸承轉動部分的徑向平動控制和徑向扭轉控制，即實現磁軸承轉動部分沿X和I方向的兩個平動自由度控制和繞X及y方向的兩個扭轉自由度控制(共四個自由度)。
[0030]所述的被動部分轉子導磁環(101)和被動部分定子導磁環(110)由實心整環導磁材料制成，通過被動部分轉子導磁環(101)和被動部分定子導磁環(110)的軸向錯位實現磁軸承的軸向穩定(即軸向平動自由度為被動)。
[0031]為了增加被動部分的剛度，所述的被動部分轉子導磁環(101)和被動部分定子導磁環(110)為兩個、四個、六個或八個，其中圖5給出了被動部分轉子導磁環和被動部分定子導磁環為4個的外轉子四自由度磁軸承截面圖。
[0032]另外，為了減小被動部分對主動部分帶來的附加位移負剛度，所述的被動部分氣隙(111)的磁阻為氣隙(105)磁阻的2?4倍。
[0033]所述的內框角位置傳感器(17)和外框角位置傳感器(23)為旋轉變壓器，也可以為光電碼盤。
[0034]上述本發明技術方案所用的被動部分轉子導磁環(101)、轉子導磁體(103)、定子導磁環(107)和被動部分定子導磁環(110)均為實心結構,采用導磁性能良好的材料制成，如電工純鐵、各種碳鋼、鑄鐵、鑄鋼、合金鋼、1J50和1J79等磁性材料等。定子鐵心(106)和轉子鐵心(104)可用導磁性能良好的材料如電工純鐵、電工硅鋼板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79等磁性材料沖壓疊制而成。轉子永磁體(102)和定子永磁體(108)的材料為磁性能良好的稀土永磁體、釹鐵硼永磁體或鐵氧體永磁體，轉子永磁體(102)和定子永磁體(108)為軸向圓環，沿軸向充磁，且轉子永磁體(102)和每個定子永磁體(108)要保證體積相等，相鄰定子永磁體(108)的充磁方向相反,被動部分定子導磁環之間的定子永磁體(108)的充磁方向與被動部分轉子導磁環之間的轉子永磁體(102)的充磁方向相反。線圈(109)采用導電良好的電磁線繞制后浸漆烘干而成。另外，由于永磁體產生的磁場通過定子鐵心磁極在轉子鐵心中產生的磁場是大小變化的，因此在轉子高速旋轉時會產生渦流損耗，為減小這部分損耗，定子鐵心(106)的磁極應采用極靴形式(如圖3所示)以減小高速下的渦流損耗，其中圖3a為極靴形式的端面圖，圖3b為定子磁極夾角為62度時的端面圖，兩種結構的定子鐵心端面按照不同需求進行選擇使用，對于體積較小的磁軸承，宜采用圖3b所示結構，對于體積稍大要求的磁軸承，則宜采用圖3a所示結構。圖3a中定子鐵心磁極根部與定子鐵心軛部之間的銳角會導致磁密集中過大的問題，此時可以采用圖3b中給出的定子鐵心端面圖，圖中給出的定子鐵心磁極兩邊對應的圓心角為62度，這種結構可以有效減小定子鐵心磁極根部與定子鐵心軛部之間的銳角所導致的磁密集中。
[0035]圖6為本發明的高速電機⑵軸向剖面圖，由電機杯形定子(201)、電機外轉子壓板(202)、外轉子疊層(203)、磁鋼(204)、內轉子疊層(205)和內轉子壓板(206)組成，磁鋼(204)的徑向外側是外轉子疊層(203)，外轉子疊層(203)和磁鋼(204)的軸向下端安裝有電機外轉子壓板(202)，磁鋼(204)的徑向內側是內轉子疊層(205)，內轉子疊層(205)的軸向下端安裝有內轉子壓板(206)。其中杯形定子(201)為電機靜止部分，其余為轉動部分，杯形定子(201)位于磁鋼204和內轉子疊層(205)之間，通過螺釘以及連接板與底座
(9)固連。
[0036]圖7為本發明的徑軸一體化傳感器(3)的示意圖，該位移傳感器由探頭(301)?探頭(308)與傳感器外殼(309)兩部分組成，其中探頭(301)、探頭(303)、探頭(305)和探頭(307)在軸向端面上分別沿+y、+x、-y和_x均勻放置，構成軸向探頭，探頭(302)、探頭(304)、探頭(306)和探頭(308)在徑向圓周上分別沿+y、+x、_y和_x均勻放置，構成徑向探頭。軸向探頭完成軸向平動和兩個繞徑向轉動三個廣義位移的檢測，徑向探頭完成兩個徑向平動位移的檢測。傳感器外殼(309)屏蔽電磁干擾，內部為檢測電路，完成轉子位移信息的提取。本發明的傳感器探頭的放置方式不是唯一的，只要保證4個徑向探頭正交以及4個軸向探頭正交即可，徑向探頭與軸向探頭的相對位置可任意。
[0037]圖8所示的內框框架電機(14)主要由定子疊層(141)、定子繞組(142)、轉子磁鋼(143)、轉子鐵心(144)、轉子壓板(145)，其中定子疊層(141)和定子繞組(142)為框架電機靜止部分，其余為轉動部分。其中轉子鐵心(144)采用導磁性好的1J22棒材制成。定子疊層(141)與內框框架(15)過盈配合，轉子磁鋼(143)與轉子鐵心(144)過盈配合，轉子鐵心(144)與內框框架芯軸(13)通過過盈配合相連，外框框架電機(20)的結構與內框框架電機(14)完全相同。
[0038]本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。
【權利要求】
1.一種四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于:由四自由度磁軸承(I)、高速電機(2)、徑軸一體化傳感器(3)、徑向傳感器(4)、上保護軸承(5)、下保護軸承(6)、芯軸(7)、輪體(8)、底座(9)、上傳感器檢測環(10)、下傳感器檢測環(11)、殼體(12)、內框框架芯軸(13)、內框框架電機(14)、內框框架(15)、內框機械軸承(16)、內框角位置傳感器(17)、內框導電滑環(18)、外框框架芯軸(19)、外框框架電機(20)、外框框架(21)、外框機械軸承(22)、外框角位置傳感器(23)、外框導電滑環(24)組成，其中四自由度磁軸承(I)位于控制力矩陀螺的中部，其定子部分安裝在芯軸(7)的中部，四自由度磁軸承(I)定子的上端為上保護軸承(5)，上保護軸承(5)也固定在芯軸(7)上，上保護軸承(5)的徑向外側為上傳感器檢測環(10)，上保護軸承(5)與上傳感器檢測環(10)之間形成徑向保護間隙和軸向保護間隙，上傳感器檢測環(10)的徑向外側是徑軸一體化傳感器(3)，徑軸一體化傳感器(3)的徑向探頭和軸向探頭與上傳感器檢測環(10)之間形成徑向探測間隙和軸向探測間隙，徑軸一體化傳感器⑶通過傳感器座與芯軸(7)固連；四自由度磁軸承⑴定子的下端為下保護軸承(6)，下保護軸承(6)也固定在芯軸(7)上，其徑向外側為下傳感器檢測環(11)，下保護軸承(6)和下傳感器檢測環(11)之間形成徑向保護間隙，下傳感器檢測環(11)的徑向外側是徑向傳感器(4)，徑向傳感器(4)的探頭與下傳感器檢測環(11)之間形成徑向探測間隙，徑向傳感器(4)通過傳感器座與底座(9)固連；四自由度磁軸承(I)的轉子的徑向外側是輪體(8)，兩者采用過盈配合，輪體⑶的下端安裝有高速電機(2)的內轉子鐵心和外轉子鐵心，高速電機(2)的定子與內轉子鐵心和外轉子鐵心之間形成磁間隙，并通過連接板固定在底座(9)上，殼體(12)與底座(9)通過螺釘相連，用以將輪體密封起來；殼體(12)的兩端與內框框架芯軸(13)相連，內框框架芯軸(13)通過內框機械軸承(16)與內框框架(15)固連，內框框架(15)的一端與內框框架電機(14)的定子部分相連，另一端與內框角位置傳感器(17)的定子相連，內框角位置傳感器(17)的定子與內框導電滑環(18)的靜止部分相連；內框框架電機(14)的轉子部分與內框框架芯軸(13)連接，內框角位置傳感器(17)的轉子以及內框導電滑環(18)的轉動部分與另一端的內框框架芯軸(13)固連；內框框架(15)的兩端與外框框架芯軸(19)相連，外框框架芯軸(19)通過外框機械軸承(22)與外框框架(21)固連，外框框架(21)的一端與外框框架電機(20)的定子部分相連，另一端與外框角位置傳感器(23)的定子相連，外框角位置傳感器(23)的定子與外框導電滑環(24)的靜止部分相連；外框框架電機(20)的轉子部分與外框框架芯軸(19)連接，外框角位置傳感器(23)的轉子以及外框導電滑環(24)的轉動部分與另一端的外框框架芯軸(19)固連。
2.根據權利要求1所述的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于:所述的四自由度磁軸承(I)由被動部分轉子導磁環(101)、轉子永磁體(102)、轉子導磁體(103)、轉子鐵心(104)、氣隙(105)、定子鐵心(106)、定子導磁環(107)、定子永磁體(108)、線圈(109)、被動部分定子導磁環(110)和被動部分氣隙(111)組成，其中每個定子鐵心(106)由4個磁極組成，兩個定子鐵心(106)組成磁軸承上下兩端8個磁極，分別組成X、Y軸正負方向的磁極，每個定子鐵心(106)的磁極上繞制有線圈(109),定子鐵心(106)外部為轉子鐵心(104)，轉子鐵心(104)外部為轉子導磁體(103)，轉子鐵心(104)內表面與定子鐵心(106)外表面留有一定的間隙，形成氣隙(105)，定子鐵心(106)的徑向內部為定子導磁環(107)，兩個被動部分定子導磁環(110)位于兩個定子鐵心(106)之間，定子鐵心(106)與被動部分定子導磁環(110)之間有兩個定子永磁體(108),兩個被動部分定子導磁環(110)之間有一個定子永磁體(108)，被動部分定子導磁環(110)的徑向外部為被動部分轉子導磁環(101),兩個轉子導磁體(103)之間為轉子永磁體(102),被動部分轉子導磁環(101)的內表面與被動部分定子導磁環(107)的外表面之間留有一定間隙，形成被動部分氣隙(111)。
3.根據權利要求2所述的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于:所述的每個定子鐵心(106)的磁極繞制有線圈(109)為獨立控制。
4.根據權利要求2所述的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于:所述的轉子永磁體(102)和每個定子永磁體(108)為軸向圓環,沿軸向充磁,且體積相等。
5.根據權利要求2所述的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于:所述的被動部分轉子導磁環(101)和被動部分定子導磁環(110)由實心整環導磁材料制成。
6.根據權利要求2所述的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于:所述的被動部分轉子導磁環(101)和被動部分定子導磁環(110)為兩個、四個、六個或八個。
7.根據權利要求1所述的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于:所述的徑軸一體化傳感器(3)具有4個正交放置的徑向探頭和4個正交放置的軸向探頭，軸向探頭完成輪體(8)的軸向平動、兩個徑向轉動三個廣義位移的檢測，徑向探頭完成輪體(8)的兩個徑向平動廣義位移的檢測。
8.根據權利要求1所述的四自由度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，其特征在于:所述的內框角位置傳感器(17)和外框角位置傳感器(23)為旋轉變壓器，也可以為光電碼盤。
【文檔編號】G01C19/24GK104176277SQ201410384117
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月6日 優先權日:2014年8月6日
【發明者】孫津濟, 湯繼強, 劉虎, 韓偉濤, 樂韻 申請人:北京航空航天大學
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