专利名称：基于复合磁悬浮轴承的微小陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种微小陀螺，特别是一种基于复合磁悬浮轴承的微小陀螺，用于微系统领域。
背景技术：
磁悬浮轴承可分为主动轴承和被动轴承，亦称为电磁悬浮轴承和永磁悬浮轴承。目前基于磁悬浮轴承的陀螺一般利用其具有无机械接触，微摩擦，无磨损，长寿命，高转速，无需润滑等优点，而且电磁悬浮轴承具有主动控制能力，能有效抑制转轴的不平衡振动。这些应用都是利用其代替传统的轴承来实现陀螺效应。另外，目前还存在磁悬浮转子陀螺的研究，主要利用电磁作用实现转子的悬浮和旋转。这种陀螺由于其旋转磁场和悬浮磁场的耦合而难以实现高精度控制。
经对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号为03141542.3，名称为磁悬浮转子方位微陀螺，该专利自述为“推广了磁悬浮转子微陀螺的适用范围，采用转子支撑柱、双边定子的三明治结构，是可以垂直设置的悬浮系统”。该专利利用定子与铝材料转子之间的互感实现转子的整体悬浮及旋转。利用了电磁悬浮的优点克服重力。但采用这种结构的同时，转子的旋转轴在半径方向上的自由度无法精密控制，而且其异步旋转方式力矩波动大，难以实现高速旋转。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，利用被动悬浮和主动悬浮的特点，根据陀螺自身的定轴性，提供一种基于复合磁悬浮轴承的微小陀螺，将微电磁电机和陀螺设计为一个整体，电机转子作为陀螺的转子，使其通过控制轴承的刚度来满足陀螺在启动和高速旋转时的不同需求，为高精度微陀螺的设计制造提供一种新方法。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括上限位球面、上宝石球、转轴、上被动悬浮轴承内环、上被动悬浮轴承外环、上定子基底、上定子平面线圈、转子上磁钢、转子基底、转子下磁钢、下定子平面线圈、下定子基底、下被动悬浮轴承外环、下被动悬浮轴承内环、下宝石球及下限位球面。本发明采用单转子和上、下定子结构；转子上磁钢、转子下磁钢、转子基底构成微陀螺转子；上下定子平面线圈、上下定子基底上共同构成微陀螺定子，转子位于上、下定子的中间；其中转子上下磁钢位于转子基底的两侧，通过中心孔与转轴紧固连接，上下定子平面线圈分别制作在上下定子基底上。转轴穿过上、下定子的中心孔；上下被动悬浮轴承由上下被动悬浮轴承内环和上下被动悬浮轴承外环组成，上下被动悬浮轴承内环固定于转轴的外圆，上下被动悬浮轴承外环固定在限位球面的内侧；被动磁悬浮轴承支撑转子及转轴，使其悬浮于上、下定子中间；主动悬浮轴承由上下定子平面线圈与转子上下磁钢构成；宝石球固定于转轴的两侧，与限位球面相接触；限位球面与定子固定在一起。
主动悬浮轴承(电磁悬浮轴承)、被动悬浮轴承(永磁悬浮轴承)组成复合磁悬浮轴承，被动悬浮轴承外环内侧的磁性与其内环外侧的磁性相同；主动悬浮轴承则不需要单独的线圈；从而降低系统结构的复杂性，同时便于实现微型化及降低控制的复杂性。主动悬浮轴承的悬浮力通过在对称的两线圈通以相位相反的高频正弦电流产生。通过控制主动悬浮轴承的刚度，在旋转刚体起动时增加整个复合轴承的刚度，而在其高速旋转时，利用陀螺定轴性使得旋转刚体对轴承刚度要求降低，通过减小或去除主动悬浮力赋予旋转刚体在一定范围的自由度，从而形成陀螺。
轴向自由度的限制由宝石球与限位球面实现。宝石球位于转轴的两端，两个限位球面为同一球体的两部分，其球心为转子的旋转中心。宝石球体用来减小摩擦，而同一半径的球体则保证转子发生偏移时，其旋转中心保持不变。
通过检测定子与转子之间的电容变化检测旋转刚体的角度变化，并通过主动悬浮轴承施加力矩将旋转刚体复位，实现系统闭环控制。
本发明具有实质性特点和显著进步，通过复合磁悬浮轴承的设计，使得微电磁驱动器在高速旋转时具有陀螺效应，将微驱动器与微陀螺设计为一体。为微陀螺的设计提供一种新方法。在被动悬浮的基础上，利用主动悬浮的可控制性能及陀螺的定轴性，在陀螺的起动到高速旋转的过程中，改变复合轴承的刚度，满足其不同运行状态时的不同要求。同时，主动悬浮轴承还可以补偿因加工形成的转子质量分别不均匀，提高微小陀螺的精度。
图1本发明结构示意2本发明主动悬浮力示意3本发明主动悬浮力局部结构放大示意图具体实施方式
如图1、图2所示，本发明包括上限位球面1、上宝石球2、转轴3、上被动悬浮轴承内环4、上被动悬浮轴承外环5、上定子基底6、上定子平面线圈7、转子上磁钢8、转子基底9、转子下磁钢10、下定子平面线圈11、下定子基底12、下被动悬浮轴承外环13、下被动悬浮轴承内环14、下宝石球15及下限位球面16。
本发明采用单转子和上、下定子结构，转子上磁钢8、转子下磁钢10、转子基底9构成微陀螺的转子；上、下定子平面线圈7、11、上、下定子基底6、12构成微陀螺上、下定子。转子上磁钢8和转子下磁钢10位于转子基底9的两侧，通过中心孔与转轴3紧固连接；上定子平面线圈7和下定子平面线圈11分别通过微细加工技术制作在上定子基底6和下定子基底12上；转子位于上、下定子的中间，转轴3穿过定子的中心孔；上被动悬浮轴承内环4与上被动悬浮轴承外环5、上被动悬浮轴承内环14与下被动悬浮轴承外环13分别组成上下被动悬浮轴承，上被动悬浮轴承内环4固定于转轴3的外圆，上被动悬浮轴承外环5固定在上限位球面1的内侧；下被动悬浮轴承内环14固定于转轴3的外圆，下被动悬浮轴承外环13固定在下限位球面16的内侧；被动磁悬浮轴承支撑转子及转轴，使其悬浮于两定子中间；上定子平面线圈7与转子上磁钢8、下定子平面线圈11与转子下磁钢10分别构成上下主动悬浮轴承；上、下定子平面线圈7、11均由六个绕组组成，转子上、下磁钢8、10均由四对磁极组成，其控制按照同步电机控制；上、下宝石球2、15分别固定于转轴的两侧，与上、下限位球面1、16相接触；上下限位球面1、16与上下定子基底6、12固定在一起。
主动悬浮轴承(电磁悬浮轴承)、被动悬浮轴承(永磁悬浮轴承)组成复合磁悬浮轴承。被动悬浮轴承外环5、13内侧的磁性与其内环4、14外侧的磁性相同；主动悬浮轴承则不需要单独的线圈；从而降低系统结构的复杂性，同时便于实现微型化及降低控制的复杂性。主动悬浮轴承的悬浮力通过在对称的两线圈通以相位相反的高频正弦电流产生。通过控制主动悬浮轴承的刚度，在旋转刚体起动时增加整个复合轴承的刚度，而在其高速旋转时，利用陀螺定轴性使得旋转刚体对轴承刚度要求降低，通过减小或去除主动悬浮力赋予旋转刚体在一定范围的自由度，从而形成陀螺。
主动悬浮轴承通过在上、下定子平面线圈7、11中的对称绕组通以频率相同、幅值相同而相位相差180°高频正弦波，利用电磁悬浮原理产生径向悬浮力，该悬浮力在圆周范围内旋转。其瞬时产生的悬浮力图如图2所示。一组对称的绕组通以相位相反的正弦波电流，其产生的力方向相同。因此，在这一瞬间，上下两个线圈产生水平和垂直的两个径向力，即主动悬浮的支撑力。
轴向位移由上、下限位球面1、16共同限定，利用宝石球2的低摩擦提高转子的灵活度，上、下限位球面1、16的球心为转子的旋转中心。球面的设计使得转子在偏移时仍保持其旋转中心，提高其传感精度。
通过检测定子与转子之间的电容变化检测旋转刚体的角度变化，并通过主动悬浮轴承施加力矩将转子复位，实现系统闭环控制。
权利要求
1.一种基于复合磁悬浮轴承电磁微陀螺，包括上定子基底(6)、上定子平面线圈(7)、转子基底(9)、下定子平面线圈(11)、下定子基底(12)，其特征在于，还包括上限位球面(1)、上宝石球(2)、转轴(3)、上被动悬浮轴承内环(4)、上被动悬浮轴承外环(5)、转子上磁钢(8)、转子下磁钢(10)、下被动悬浮轴承外环(13)、下被动悬浮轴承内环(14)、下宝石球(15)及下限位球面(16)，采用单转子和上、下定子结构，转子上磁钢(8)、转子下磁钢(10)、转子基底(9)构成微陀螺的转子，上、下定子平面线圈(7、11)和上、下定子基底(6、12)构成微陀螺上、下定子，转子位于上下两定子的中间，转轴(3)穿过定子的中心孔，上被动悬浮轴承内环(4)固定于转轴(3)的外圆，上被动悬浮轴承外环(5)固定在上限位球面(1)的内侧，下被动悬浮轴承内环(14)固定于转轴(3)的外圆，下被动悬浮轴承外环(13)固定在下限位球面(16)的内侧，上、下宝石球(2、15)分别固定于转轴(3)的两侧，与上、下限位球面(1、16)相接触，上下限位球面(1、16)与上下定子基底(6、12)固定在一起。
2.根据权利要求1所述的基于复合磁悬浮轴承的微小陀螺，其特征是，转子上磁钢(8)和转子下磁钢(10)位于转子基底(9)的两侧，通过中心孔与转轴(3)紧固连接，上定子平面线圈(7)和下定子平面线圈(11)分别制作在上定子基底(6)和下定子基底(12)上。
3.根据权利要求1所述的基于复合磁悬浮轴承的微小陀螺，其特征是，轴承(3)径向刚度可调，轴向位移由上下限位球面(1、16)和上下宝石球(2、15)限制，上、下宝石球(2、15)分别位于转轴的两端，上、下限位球面(1、16)为同一球体的两部分，其球心为转子的旋转中心。
4.根据权利要求1所述的基于复合磁悬浮轴承的微小陀螺，其特征是，上下被动悬浮轴承内环(4、14)与上下被动悬浮轴承外环(5、13)分别组成上下被动悬浮轴承，被动磁悬浮轴承支撑转子及转轴(3)，使其悬浮于两定子中间，上下定子平面线圈(7、11)与转子上下磁钢(8、10)分别构成上下主动悬浮轴承。
5.根据权利要求1或者4所述的基于复合磁悬浮轴承的微小陀螺，其特征是，上、下定子平面线圈(7、11)均由六个绕组组成。
6.根据权利要求1或者4所述的基于复合磁悬浮轴承的微小陀螺，其特征是，上、下磁钢(8、10)均由四对磁极组成。
全文摘要
一种微系统领域的基于复合磁悬浮轴承的微陀螺，采用单转子和上、下定子结构，转子上磁钢、转子下磁钢、转子基底构成微陀螺的转子，上、下定子平面线圈和上、下定子基底构成微陀螺上、下定子，转子位于上下两定子的中间，转轴穿过定子的中心孔；被动悬浮轴承内环固定于转轴的外圆，其外环固定在限位球面的内侧，被动磁悬浮轴承支撑转子及转轴，使其悬浮于两定子中间；宝石球固定于转轴的两侧，与限位球面相接触；限位球面与定子固定在一起。本发明能在微小尺寸内实现高精度微陀螺器件，结构简单、制造容易，适合在微小尺寸限制的条件下实现高精度的微陀螺。
文档编号G01C19/00GK1603744SQ200410067569
公开日2005年4月6日 申请日期2004年10月28日 优先权日2004年10月28日
发明者李振波, 陈佳品 申请人:上海交通大学