一种高精度电磁离合型可变惯量反作用飞轮的制作方法

本发明涉及一种航天器姿态控制用反作用飞轮，具体涉及航天器姿态稳定与姿态机动共用驱动执行机构的可变惯量反作用飞轮。

背景技术：

反作用飞轮作为航天器重要的姿态控制驱动执行机构，其主要工作原理就是动量矩定律，通过驱动反作用飞轮获得反力矩，来实现航天器的姿态稳定或者姿态机动。

通常，航天器的姿态稳定要求反作用飞轮“输出力矩小、精细”，飞轮结构“小惯量、高转速”来进行高精度姿态稳定与调整；而航天器的姿态机动则要求反作用飞轮“输出力矩大、快速”，飞轮结构“大惯量、低转速”来实现大角度快速机动姿态调整。由于这两种控制目的有显著差异，故工程上往往采取两套系统来实现。

可变惯量反作用飞轮是在同一驱动电路与驱动电机的基础上，通过改变飞轮体的惯量，既可以实现“小惯量、高转速”的姿态稳定功能，也可以实现“大惯量、低转速”姿态机动功能的新型反作用飞轮，希望实现原有两套系统的合二为一，从而提高航天器的功能密度与效能，符合未来航天器的发展趋势与需求。

现有国内外文献与专利中公开的可变惯量反作用飞轮，其原理是通过丝杠与丝杠螺母配合传动带动飞轮组件中的配重块沿导杆移动，调整和控制配重块的惯性半径，从而改变飞轮组件的转动惯量。基于该原理的可变惯量反作用飞轮普遍存在以下不足：

1.结构尺寸较大、结构与运动机构复杂，当反作用飞轮工作在高速状态时，还需为配重块设计相应的锁紧机构；

2.较难保证高速时转动平稳，因而对控制电路及控制算法要求较高，不利于工程实现；

3.、由于尺寸较大，不易于实现密封，因而润滑方式只能采用固体润滑，而固体润滑技术在空间环境下高速、长寿命理论与技术尚不成熟，当反作用飞轮处于高转速工况时，易出现摩擦力矩增大、卡滞、磨损加剧等现象，可靠性不高。

综上所述，现有的可变惯量反作用飞轮较难实现航天产品化。

技术实现要素：

为解决现有可变惯量反作用飞轮结构复杂、尺寸大、对控制电路及算法的要求较高而不易实现航天产品化的技术问题，本发明提供了一种高精度电磁离合型可变惯量反作用飞轮。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种高精度电磁离合型可变惯量反作用飞轮，其特殊之处在于：包括电机定子、整星接口法兰、真空密封壳、电机转子、姿态稳定飞轮体组件、姿态机动附加飞轮体组件和电磁离合组件；

电机定子包括空心长轴，空心长轴的底部向外延伸形成底座；电机定子的空心长轴底部固定安装有线缆接插件用于电源供电与信号传输，电机定子的空心长轴顶部固定安装有圆感应同步器转定子；

整星接口法兰与电机定子固定连接，并在接合面处用真空密封圈实现密封；整星接口法兰上还设置有真空抽嘴；

真空密封壳与整星接口法兰扣合后固定连接，并在接合面处用真空密封圈实现密封；

真空密封壳、整星接口法兰和电机定子共同形成电机转子、姿态稳定飞轮体组件和姿态机动附加飞轮体组件的安装腔体；

电机转子为空心长轴，内部安装有电机磁极；电机转子套设在电机定子外；电机转子与电机定子之间设置有圆感应同步器转子，圆感应同步器转子与电机定子之间具有空隙；

姿态稳定飞轮体组件包括从下至上依次设置的稳姿飞轮轴承、稳姿飞轮轴承内轴套、姿态稳定飞轮体、稳姿飞轮轴承外轴套；

姿态机动附加飞轮体组件包括机动飞轮轴承外轴套、姿态机动附加飞轮体和机动飞轮轴承；

稳姿飞轮轴承套设在电机转子外，稳姿飞轮轴承的内圈与电机转子过盈配合，稳姿飞轮轴承的外圈过渡配合安装在整星接口法兰内；

稳姿飞轮轴承内轴套的底部与电机转子固定连接，稳姿飞轮轴承内轴套的底部同时压紧稳姿飞轮轴承的内圈，通过调整稳姿飞轮轴承内轴套的尺寸，调节稳姿飞轮轴承的轴承预紧力；稳姿飞轮轴承内轴套的上部与姿态稳定飞轮体固定连接；

稳姿飞轮轴承外轴套与整星接口法兰固定连接；稳姿飞轮轴承外轴套为中空轴状结构，且其内侧壁和外侧壁均为台阶面；稳姿飞轮轴承外轴套的底部内侧压紧稳姿飞轮轴承的外圈，底部外侧压紧所述机动飞轮轴承的内圈；稳姿飞轮轴承外轴套外侧固定安装有电磁离合器线圈；

机动飞轮轴承外轴套的下部与姿态机动附加飞轮体的上部固定连接；姿态机动附加飞轮体与机动飞轮轴承的外圈过渡配合固定连接；机动飞轮轴承外轴套的底部同时压紧机动飞轮轴承的外圈，通过修整机动飞轮轴承外轴套的尺寸，调节机动飞轮轴承的轴承预紧力；机动飞轮轴承外轴套顶部相应位置处设置有与所述第一盘齿轮啮合的第二盘齿轮；

电磁离合组件设置在所述稳姿飞轮轴承内轴套的外侧壁上，用于实现稳姿飞轮轴承内轴套与所述机动飞轮轴承外轴套的结合与分离。

进一步地，电磁离合组件包括电磁离合器吸合盘、用于使吸合盘其复位的板状弹簧、匹配啮合的第一盘齿轮和第二盘齿轮；

电磁离合器吸合盘滑动设置在稳姿飞轮轴承内轴套的外侧壁上；板状弹簧的一端与电磁离合器吸合盘连接，另一端与稳姿飞轮轴承内轴套连接；第一盘齿轮设置在电磁离合器吸合盘底部，第一盘齿轮设置在所述机动飞轮轴承外轴套的顶部。

进一步地，稳姿飞轮轴承内轴套的外侧壁上设置有花键槽，电磁离合器吸合盘的侧壁上设置有花键，电磁离合器吸合盘通过所述花键与花键槽的配合，可沿所述稳姿飞轮轴承内轴套上下滑动。

进一步地，稳姿飞轮轴承外轴套与机动飞轮轴承外轴套之间留有1mm以上间隙。

进一步地，整星接口法兰和姿态机动附加飞轮体之间留有1mm以上间隙。

进一步地，稳姿飞轮轴承内轴套与稳姿飞轮轴承外轴套之间留有1mm以上间隙。

进一步地，姿态稳定飞轮体与姿态机动附加飞轮体之间留有1mm以上间隙。

进一步地，整星接口法兰和电机转子之间留有1mm以上间隙。

本发明的有益效果：

1.姿态机动附加飞轮体与姿态稳定飞轮体均采用传统飞轮结构，可以实现非常高的动不平衡量配平，保证反作用飞轮无论工作在高速还是在低速时转动平稳，对控制电路的控制电路及算法要求较低，利于工程实现。

2.与传统反作用飞轮采用电机内部3个霍尔传感器来采集飞轮转速不同，本发明的反作用飞轮中与电机同轴安装有圆感应同步器来采集飞轮角度与速度值，圆感应同步器测角精度与测速精度远远高于3个霍尔传感器的采集精度，从而为控制电路提供较高精度的角度与速度反馈信息。

3.由于本发明尺寸小，易于采取传统反作用飞轮的真空密封工艺，保证了飞轮体转动过程中可以不考虑空气阻力影响(在非真空下飞轮转动平稳性则需要考虑非线性的空气阻力的影响)，转速和力矩精度较高。

4.由于本发明采取传统反作用飞轮的真空密封工艺，因此稳姿飞轮轴承与机动飞轮轴承的润滑系统都可以采用成熟的油润滑方式。油润滑方式相比航天机构常用的固体润滑方式，其摩擦力小且非线性梯度小，转动精度高、寿命长。总之，轴承可以采用油润滑提高了转动精度。

5.本发明结构简单、设计合理可行，通过调节稳姿飞轮轴承内轴套、稳姿飞轮轴承外轴套、机动飞轮轴承外轴套的尺寸，可以调整稳姿飞轮轴承与机动飞轮轴承的预紧力，还可以调整姿态机动附加飞轮体与姿态稳定飞轮体的同轴度，从而保证整个反作用飞轮在承载转动过程中的速度平稳性，降低了对控制电路及算法复杂度的要求。

附图说明

图1是本发明反作用飞轮的剖面图。

图2是本发明反作用飞轮整体三维剖视图(图中隐去了螺栓等连接件以及板状弹簧、真空抽嘴、线缆接插件、真空密封圈和电磁离合器线圈)。

图3是本发明反作用飞轮中电磁离合器吸合盘的结构示意图。

图中，1-电机定子，2-线缆接插件，3-圆感应同步器转定子，4-整星接口法兰，5-真空密封圈，6-电机转子，7-圆感应同步器转子，8-稳姿飞轮轴承，9-稳姿飞轮轴承内轴套，10-姿态稳定飞轮体，11-电磁离合器吸合盘，12-板状弹簧，13-稳姿飞轮轴承外轴套，14-电磁离合器线圈，15-机动飞轮轴承，16-姿态机动附加飞轮体，17-机动飞轮轴承外轴套，18-真空抽嘴，19-真空密封壳，20-真空密封圈。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清晰，以下结合附图对本发明作进一步详细说明。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均采用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的主要组成部分。

如图1所示，本发明的可变惯量反作用飞轮包括：电机定子1、线缆接插件2、圆感应同步器转定子3、整星接口法兰4、真空密封圈5、电机转子6，圆感应同步器转子7、稳姿飞轮轴承8、稳姿飞轮轴承内轴套9、姿态稳定飞轮体10、电磁离合器吸合盘11、板状弹簧12、稳姿飞轮轴承外轴套13、电磁离合器线圈14、机动飞轮轴承15、姿态机动附加飞轮体16、机动飞轮轴承外轴套17、真空抽嘴18、真空密封壳19和真空密封圈20。

电机定子1包括空心长轴，空心长轴的底部向外延伸形成底座；电机定子1的空心长轴底部固定安装有线缆接插件2用于电源供电与信号传输；

电机定子1的空心轴顶部固定安装有圆感应同步器转定子3；电机定子1和整星接口法兰4通过螺钉固定连接，并用真空密封圈5实现密封；在反作用飞轮调试完成后，电机定子1和整星接口法兰4采取焊接实现密封；

电机转子6为空心长轴，内部安装有电机磁极，电机转子6空心轴的内部安装有圆感应同步器转子7，需注意，安装后的圆感应同步器转子7与电机定子1之间留有空隙，安装后的电机转子6与电机定子1之间也留有空隙；

稳姿飞轮轴承8套设在电机转子6外，电机转子6和稳姿飞轮轴承8的内圈之间采用过盈配合连接，实现一起转动；稳姿飞轮轴承8的外圈过渡配合安装在整星接口法兰4内，稳姿飞轮轴承8的外圈不旋转；

稳姿飞轮轴承内轴套9底部与电机转子6固定连接，随电机转子6旋转；稳姿飞轮轴承内轴套9底部同时压紧稳姿飞轮轴承8的内圈，通过调整稳姿飞轮轴承内轴套9的尺寸，调节稳姿飞轮轴承8的轴承预紧力；稳姿飞轮轴承内轴套9上部与姿态稳定飞轮体10固定连接，保证姿态稳定飞轮体10随电机转子6旋转；

电磁离合器吸合盘11的花键和稳姿飞轮轴承内轴套9的花键槽配合，可以自由顺畅滑动；

稳姿飞轮轴承内轴套9与板状弹簧12固定连接；电磁离合器吸合盘11与板状弹簧12固定连接；

稳姿飞轮轴承外轴套13上固定安装有电磁离合器线圈14；稳姿飞轮轴承外轴套13通过螺钉与整星接口法兰4固定连接；

稳姿飞轮轴承外轴套13为中空轴状结构，且其内侧壁和外侧壁均为台阶面；稳姿飞轮轴承外轴套13的底部内侧压紧稳姿飞轮轴承8的外圈，稳姿飞轮轴承外轴套13底部外侧压紧机动飞轮轴承15的内圈，稳姿飞轮轴承外轴套13与电磁离合器线圈14在整个工作过程中不运动；

姿态机动附加飞轮体16与机动飞轮轴承15的外圈过渡配合固定连接实现一起运动；

机动飞轮轴承外轴套17的下部与姿态机动附加飞轮体16的上部固定连接；机动飞轮轴承外轴套17底部压紧机动飞轮轴承15的外圈，通过修整机动飞轮轴承外轴套17的尺寸，调节机动飞轮轴承15的轴承预紧力；

当电磁离合器线圈14通电执行吸和指令后，电磁离合器吸合盘11克服板状弹簧12拉力沿稳姿飞轮轴承内轴套9的花键槽向下滑行，实现电磁离合器吸合盘11底部的盘齿轮与机动飞轮轴承外轴套17顶部的盘齿轮的啮合，实现姿态机动附加飞轮体16与姿态稳定飞轮体10共同随电机转子6转动；

真空抽嘴18是在整星接口法兰4上开孔设计，用于反作用飞轮内部抽真空，最终装在卫星上在发射前焊接密封；

真空密封壳19通过真空密封圈20和整星接口法兰4固定连接，在反作用飞轮调试完成后焊接密封。

在设计时需注意，稳姿飞轮轴承外轴套13与机动飞轮轴承外轴套17之间留有较大间隙；整星接口法兰4和姿态机动附加飞轮体16之间留有较大间隙；稳姿飞轮轴承内轴套9与稳姿飞轮轴承外轴套13之间留有较大间隙；姿态稳定飞轮体10与姿态机动附加飞轮体16之间留有较大间隙；整星接口法兰4和电机转子6之间留有较大间隙。

本发明的工作过程：

1.当反作用飞轮工作在姿态稳定模式时，电磁离合器线圈14不通电，电磁离合器吸合盘11受板状弹簧12拉力沿稳姿飞轮轴承内轴套9的花键槽向上滑行到最高位置，实现电磁离合器吸合盘11底部的盘齿轮与机动飞轮轴承外轴套17顶部的盘齿轮的分离，这样只有姿态稳定飞轮体10随电机转子6转动。此时，电机驱动的反作用飞轮转动惯量仅由姿态稳定飞轮体10、稳姿飞轮轴承内轴套9、稳姿飞轮轴承8的内圈、电机转子6等组件绕中心轴线的转动惯量，从而可以实现小惯量、高转速。

2.当反作用飞轮工作在姿态机动模式时，电磁离合器线圈14通电执行吸合指令后，电磁离合器吸合盘11克服板状弹簧12拉力沿稳姿飞轮轴承内轴套9的花键槽向下滑行，实现电磁离合器吸合盘11底部的盘齿轮与机动飞轮轴承外轴套17顶部的盘齿轮的啮合，实现姿态机动附加飞轮体16与姿态稳定飞轮体10共同随电机转子6转动。此时，电机驱动的反作用飞轮转动惯量主要由姿态稳定飞轮体10、稳姿飞轮轴承内轴套9、姿态机动附加飞轮体16、机动飞轮轴承外轴套17、稳姿飞轮轴承8的内圈、机动飞轮轴承15的外圈、电机转子6等绕中心轴线的转动惯量组成，从而可以实现大惯量、低转速。