专利名称：单端支撑式单框架磁悬浮控制力矩陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及单端支撑式单框架磁悬浮控制力矩陀螺，可用于中小型航天器比如小卫星或是微小卫星的大角度机动姿态控制。
背景技术：
现代应用于对地观测或是科学研究的卫星平台或是小型航天器对稳定性和大角度机动的灵活性提出了越来越高的要求，能大角度机动的卫星可以提高对地观测的效率和质量。单框架控制力矩陀螺是航天器用于姿态控制的主要执行部件之一。现有的单框架控制力矩陀螺，陀螺转子系统都采用机械轴承支撑，由于机械轴承存在磨损，所以在转速和使用寿命方面还存在很多限制，同时由于机械轴摩擦力矩的非线性，会给航天器系统带来一个干扰力矩，从而影响航天器的稳定性；现有的单框架控制力矩陀螺都采用两端支撑的方式，如附图1，框架系统有两个支撑点(支撑点1、2)，这种结构的控制力矩陀螺的框架系统需要为转子系统提供回转空间，所以框架系统的体积和重量相对较大，并且和卫星的机械接口也比较大，不适合中小力矩输出的控制力矩陀螺。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，将磁悬浮支承技术应用于控制力矩陀螺的转子系统中，提供了一种单端支撑式单框架磁悬浮控制力矩陀螺，可用于中小型航天器比如小卫星或是微小卫星的大角度机动姿态控制。
本发明的技术解决方案为单端支撑式单框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于主要由磁悬浮转子系统和框架系统两大部分组成，其中磁悬浮转子系统主要由陀螺转子、轴向磁轴承、径向磁轴承、径向位移传感器、轴向位移传感器、保护轴承、驱动电机、陀螺房组成，驱动电机位于磁悬浮转子系统的中部，两侧由里向外依次是径向磁轴承、径向位移传感器、保护轴承、轴向位移传感器，轴向磁轴承位于驱动电机径向方向的外侧，其中陀螺转子、径向磁轴承转子部分以及驱动电机转子部分组成磁悬浮转子系统的转子组件，其余为定子组件，定子组件和转子组件之间通过径向磁轴承和轴向磁轴承实现非机械接触的稳定悬浮，其中径向磁轴承的定子部分、轴向磁轴承的定子部分、驱动电机的定子部分、径向位移传感器、轴向位移传感器和保护轴承与陀螺房连接在一起，保护轴承与陀螺转子之间形成保护间隙，径向位移传感器与陀螺转子之间形成径向探测间隙，轴向位移传感器与陀螺转子之间形成轴向探测间隙；框架系统主要由框架连接件、框架端盖、框架芯轴、框架力矩电机、角位置传感器、导电滑环、机械轴承、底座组成，其中框架芯轴与框架力矩电机转子部分、角位置传感器转子部分以及框架连接件相连组成框架的转动部分，其余为静止部分，底座内侧从上到下依次安装有框架力矩电机的定子部分、角位置传感器的定子部分以及机械轴承，框架力矩电机的转子部分、角位置传感器的转子部分安装于框架芯轴上，导电滑环转动部分安装于框架芯轴内侧，静止部分与底座连接，框架芯轴通过机械轴承与底座相连，通过螺钉与框架连接件相连，框架连接件与磁悬浮转子系统的陀螺房固连，使转子系统和框架系统组成一体。
其中，径向磁轴承和轴向磁轴承为永磁偏置、电磁控制的主动式磁轴承，或纯电励磁的磁轴承，或被动式磁轴承。驱动电机不再含有机械轴承，径向磁轴承、轴向磁轴承为驱动电机起到径向和轴向支撑定位作用。
上述方案的原理是单端支撑式单框架磁悬浮控制力矩陀螺的磁悬浮转子系统通过径向磁轴承和轴向磁轴承保持转子系统的转子组件与定子组件的径向和轴向间隙及驱动电机定、转子径向和轴向间隙均匀。当磁悬浮转子系统的转子组件受到某一因素的干扰后，磁悬浮转子系统的转子组件的径向或轴向间隙会发生变化，此时径向位移传感器和轴向位移传感器将及时检测出径向或轴向间隙的变化，发出检测信号给外加控制器，外加控制器通过增加或减小径向磁轴承或轴向磁轴承的电磁线圈中的电流，增大或减小径向磁轴承或轴向磁轴承的磁力，从而保持磁悬浮转子系统的定子组件与转子组件的径向和轴向间隙均匀，消除干扰的影响，维持磁悬浮转子系统的正常稳定高速运转；当控制力矩陀螺收到控制指令对航天器进行姿态调整时，框架力矩电机驱动框架系统转动部分以一定角速度旋转，此时角位置传感器检测框架系统所转过的角度，并将这个角度信号在控制器中与指令信号进行反馈控制，从而实现了角速度的精确控制，框架系统的旋转轴与磁悬浮转子系统的转子组件的角动量方向始终在空间垂直，根据陀螺力矩方程，控制力矩陀螺将会输出一个控制力矩，这个控制力矩通过框架系统的底座与航天器的机械接口传递到航天器上，从而对航天器进行姿态控制。转子系统与框架系统采用串联的方式连接，支撑点只有一个，从而实现单端支撑。
本发明与现有技术相比的优点在于本发明由于采用了磁悬浮支承技术，即消除了机械轴承的摩擦力矩，提高了转子系统的转速，因而提高了输出转矩与角动量的比，同时减小了控制力矩陀螺系统的体积、振动噪声，提高了系统的可靠性和使用寿命；采用单端支撑方式将转子系统完全置于框架系统的外部，减小了框架系统的体积和重量，也减小了框架底座底端的结合面积，为控制力矩陀螺与卫星提供了方便的机械接口。
图1为现有的两端支撑式单框架控制力矩陀螺；图2为本发明的单端支撑式单框架磁悬浮控制力矩陀螺结构示意图；图3为本发明的永磁偏置径向磁轴承剖面图；图4为本发明的永磁偏置轴向磁轴承定子剖面图；图5为本发明的径向位移传感器剖面图；图6为本发明的轴向位移传感器剖面图；
图7为本发明的驱动电机剖面图；图8为本发明的框架力矩电机剖面图；图9为本发明的角位置传感器剖面图。
具体实施例方式
如图2，本发明主要由磁悬浮转子系统和框架系统两大部分组成，其中磁悬浮转子系统主要由陀螺转子1、轴向磁轴承2、径向磁轴承3、径向位移传感器4、轴向位移传感器5、保护轴承6、驱动电机7、陀螺房8组成，两个驱动电机7位于磁悬浮转子系统的中部，两侧由里向外依次是径向磁轴承3、径向位移传感器4、保护轴承6、轴向位移传感器5，两个轴向磁轴承2位于驱动电机7径向方向的外侧，其中陀螺转子1、径向磁轴承3转子部分以及驱动电机7转子部分组成磁悬浮转子系统的转子组件，其余为定子组件，定子组件和转子组件之间通过径向磁轴承和轴向磁轴承实现非机械接触的稳定悬浮，其中径向磁轴承3的定子部分、轴向磁轴承2的定子部分、驱动电机7的定子部分、径向位移传感器4、轴向位移传感器5和保护轴承6与陀螺房8连接在一起，保护轴承6与陀螺转子1之间形成保护间隙，径向位移传感器4与陀螺转子1之间形成径向探测间隙，轴向位移传感器5与陀螺转子1之间形成轴向探测间隙；框架系统主要由框架连接件9、框架端盖10、框架芯轴11、框架力矩电机12、角位置传感器13、导电滑环14、机械轴承15、底座16组成，其中框架芯轴11与框架力矩电机12转子部分、角位置传感器13转子部分以及框架连接件9相连组成框架的转动部分，其余为静止部分，底座16内侧从上到下依次安装有框架力矩电机12的定子部分、角位置传感器13的定子部分以及机械轴承15，框架力矩电机12的转子部分、角位置传感器13的转子部分安装于框架芯轴11上，导电滑环14转动部分安装于框架芯轴11内侧，静止部分与底座16连接，框架芯轴11通过机械轴承15与底座16相连，通过螺钉与框架连接件9相连，框架连接件9与磁悬浮转子系统上的陀螺房8固连，使转子系统和框架系统组成一体，转子系统和框架系统上下串联，支撑点只有一个，转子系统完全置于框架系统的外侧，从而实现了单端支撑。
本发明的径向磁轴承3、轴向磁轴承2均为非机械接触的磁轴承，可以是永磁偏置、电磁控制的主动式磁轴承，或纯电励磁的磁轴承，或被动式磁轴承。
图3所示的永磁偏置径向磁轴承主要由磁轴承转子安装套31、导磁环32、激磁线圈33、定子铁心34、定子安装套35、转子铁心36、转子隔磁环37、永磁体38组成，其中磁轴承转子安装套31、导磁环32、转子铁心36、转子隔磁环37、永磁体38为转动部分，其余为静止部分。
图4所示的永磁偏置轴向磁轴承定子主要由定子磁钢21、轴向磁轴承定子磁轭22、激磁线圈23、轴向磁轴承定子座24组成，轴向磁轴承转子为陀螺转子1。
本发明的径向位移传感器4和轴向位移传感器5为一种非接触式位移传感器，作为径向磁轴承3、轴向磁轴承2的位移传感器，可以是图5和图6所示的电涡流传感器，也可以是电容式位移传感器。
在图5所示的径向位移传感器中，它主要由四个径向位移传感器探头41、42、43、44组成，其中探头41和43沿Y方向180度放置，用以探测Y方向的位移信号，探头42和44沿X方向180度放置，用以探测X方向的位移信号，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。
图6所述的轴向位移传感器主要有1个轴向位移传感器探头51，检测轴向位移信号，通过数学运算消除轴向探测信号误差，及时检测出径向间隙的变化，发出检测信号给外加控制器。
本发明的驱动电机7为陀螺转子系统转子组件的驱动部分，图7所示的驱动电机主要由电机转子外压环71、电机外转子叠层72、电机外转子安装套73、杯形定子74、电机内转子叠层75、电机内转子安装套76、电机内转子压环77、电机磁钢78组成，其中杯形定子74为电机静止部分，其余为电机转动部分。
本发明的框架力矩电机12为框架的驱动部分，可以是图8所示的永磁无刷直流力矩电机，也可以是永磁同步力矩电机。
图8所示的框架力矩电机主要由电机定子叠层121、定子绕组122、转子磁钢123、转子叠层压板124、螺纹压环125、转子叠层126、转子安装套127组成，其中定子叠层121和定子绕组122为电机静止部分，其余为转动部分。
图9所示的角位置传感器为旋转变压器，主要由定子安装套131、定子线圈132、转子线圈133、转子安装套134组成，其中定子安装套131和定子线圈132为静止部分，其余为转动部分。
本发明的框架端盖10和底座16组成整个系统的支撑体，底座16底端与航天器相连，为整个系统提供与航天器的机械接口。
权利要求
1.单端支撑式单框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于主要由磁悬浮转子系统和框架系统两大部分组成，其中磁悬浮转子系统主要由陀螺转子(1)、轴向磁轴承(2)、径向磁轴承(3)、径向位移传感器(4)、轴向位移传感器(5)、保护轴承(6)、驱动电机(7)、陀螺房(8)组成，驱动电机(7)位于磁悬浮转子系统的中部，两侧由里向外依次是径向磁轴承(3)、径向位移传感器(4)、保护轴承(6)、轴向位移传感器(5)，轴向磁轴承(2)位于驱动电机(7)径向方向的外侧，其中陀螺转子(1)、径向磁轴承(3)转子部分以及驱动电机(7)转子部分组成磁悬浮转子系统的转子组件，其余为定子组件，定子组件和转子组件之间通过径向磁轴承和轴向磁轴承实现非机械接触的稳定悬浮，其中径向磁轴承(3)的定子部分、轴向磁轴承(2)的定子部分、驱动电机(7)的定子部分、径向位移传感器(4)、轴向位移传感器(5)和保护轴承(6)与陀螺房(8)连接在一起，保护轴承(6)与陀螺转子(1)之间形成保护间隙，径向位移传感器(4)与陀螺转子(1)之间形成径向探测间隙，轴向位移传感器(5)与陀螺转子(1)之间形成轴向探测间隙；框架系统主要由框架连接件(9)、框架端盖(10)、框架芯轴(11)、框架力矩电机(12)、角位置传感器(13)、导电滑环(14)、机械轴承(15)、底座(16)组成，其中框架芯轴(11)与框架力矩电机(12)转子部分、角位置传感器(13)转子部分以及框架连接件(9)相连组成框架的转动部分，其余为静止部分，底座(16)内侧从上到下依次安装有框架力矩电机(12)的定子部分、角位置传感器(13)的定子部分以及机械轴承(15)，框架力矩电机(12)的转子部分、角位置传感器(13)的转子部分安装于框架芯轴(11)上，导电滑环(14)转动部分安装于框架芯轴(11)内侧，静止部分与底座(16)连接，框架芯轴(11)通过机械轴承(15)与底座(16)相连，通过螺钉与框架连接件(9)相连，框架连接件(9)与磁悬浮转子系统的陀螺房(8)固连，使转子系统和框架系统组成一体。
2.根据权利要求1所述的单端支撑式单框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于所述的径向磁轴承(3)和轴向磁轴承(2)为永磁偏置、电磁控制的主动式磁轴承，或纯电励磁的磁轴承，或被动式磁轴承。
3.根据权利要求1所述的单端支撑式单框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于所述的径向磁轴承(3)和轴向磁轴承(2)是磁力相等的对称结构，或磁力不相等的非对称结构。
4.根据权利要求1所述的单端支撑式单框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于所述的驱动电机(7)不再含有机械轴承，径向磁轴承(3)、轴向磁轴承(2)为驱动电机(7)起到径向和轴向支撑定位作用。
5.根据权利要求1所述的单端支撑式单框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于所述的框架力矩电机(12)为无刷直流力矩电机，或永磁同步力矩电机。
6.根据权利要求1所述的单端支撑式单框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于所述的角位置传感器(13)为旋转变压器，也可以为光电码盘。
全文摘要
单端支撑式单框架磁悬浮控制力矩陀螺，主要由磁悬浮转子系统和框架系统两大部分组成。磁悬浮转子系统主要由陀螺转子、轴向磁轴承、径向磁轴承、径向位移传感器、轴向位移传感器、保护轴承、驱动电机、陀螺房组成，磁悬浮转子通过径向磁轴承和轴向磁轴承实现非机械接触的稳定悬浮，从而保证陀螺转子组件实现超高速旋转；框架系统主要由框架连接件、框架端盖、框架芯轴、框架力矩电机、角位置传感器、导电滑环、机械轴承、底座组成，框架连接件与陀螺房固连，使磁悬浮转子系统和框架系统组成一体。本发明采用了磁轴承支撑的转子，大大提高了陀螺的工作转速和使用寿命，采用了单端支撑的方式使结构更加紧凑，减小了陀螺系统的体积、重量。
文档编号B64G1/28GK101049860SQ200710065550
公开日2007年10月10日 申请日期2007年4月16日 优先权日2007年4月16日
发明者房建成, 韩邦成, 叶全红, 刘刚, 魏彤, 孙津济, 刘珠荣 申请人:北京航空航天大学