一种内转子磁悬浮球面陀螺飞轮的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种可作为敏捷机动卫星平台的姿态控制系统的惯性执行机构，尤其涉及一种内转子磁悬浮球面陀螺飞轮。
【背景技术】
[0002]由于动量交换系统可提供很高的姿态控制精度，被广泛用于卫星、探测器等航天器的姿态控制系统。飞轮系统通过控制转子转速来改变角动量的大小产生所需要的控制力矩，从而精确地控制航天器的姿态。增加转速可以提高飞轮输出力矩范围，但随着转速的提高，传统机械轴承支撑的飞轮系统寿命将会受到影响。同时由于机械轴承的摩擦，转子速度不可能很高，要提高飞轮角动量，只能提高转子角动量和重量，这将增加航天器的载荷。传统机械轴承已经不能满足现代航天器姿态控制的要求。磁悬浮飞轮采用磁轴承支承技术，消除了机械轴承带来的摩擦损耗，克服了高速转子对姿控系统的振动干扰，增加了其使用寿命，是航天器的姿态控制理想惯性执行机构。
[0003]磁悬浮飞轮在转速方面的优势，使得其既能工作在反作用状态用于反作用飞轮，又能工作在偏置状态用于偏置动量轮，进一步提高转速，还可以用于姿控/储能两用飞轮。对于五自由度全主动控制的磁悬浮飞轮还可用作大力矩偏置动量轮，即陀螺飞轮，能输出瞬间大控制力矩。论文《一种磁悬浮陀螺飞轮方案设计与关键技术分析》所述的磁悬浮陀螺飞轮，采用洛伦兹力磁轴承支承方式实现了五自由度全主动悬浮，与磁阻式磁轴承相比，虽然控制精度较高，但是洛伦兹力磁轴承承载力较低，限制了陀螺飞轮转子重量和转动惯量，其转子角动量较小，导致陀螺飞轮输出的陀螺控制力矩较小。中国专利201110253688.0所述的大力矩磁悬浮飞轮，采用洛伦兹力磁轴承和磁阻式磁轴承复合支承方式，利用洛伦兹力磁轴承控制转子径向两自由度扭动，利用径向磁阻式解耦锥形磁轴承控制转子轴向单自由度平动和径向两自由度平动。由于采用了磁阻式解耦锥形磁轴承进行转子平动悬浮控制，提高了支承系统的承载力和转子角动量，能够输出较大的陀螺控制力矩。但磁阻式解耦锥形磁轴承磁极处的磁间隙为锥壳气隙，当转子处于平衡位置时，磁极处的磁间隙具有很好的均匀性，即磁极表面产生的电磁力均匀性较好；当转子发生偏转时，单个磁极处的磁间隙一端较大另一端较小，较大磁间隙处的磁极产生较小的电磁力，较小磁间隙处的磁极产生较大的电磁力，从而产生一定的偏转力矩，即转子偏转状态下磁阻式解耦锥形磁轴承会产生一定的偏转干扰力矩。该偏转力矩与洛伦兹力磁轴承输出的偏转控制力矩进行叠加，降低了转子偏转机动精度，从而降低了陀螺飞轮输出力矩精度。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的是提供一种大惯量、易于控制、力矩精度高，实现了平动控制与扭动控制完全解耦的内转子磁悬浮球面陀螺飞轮。
[0005]本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的:
[0006]本实用新型的内转子磁悬浮球面陀螺飞轮，包括静止部分和转动部分，静止部分主要包括:上陀螺房、中陀螺房、下陀螺房、上密封圈、下密封圈、上轴向球面磁轴承定子、下轴向球面磁轴承定子、上保护轴承、下保护轴承、电机组件定子、上轴向位移传感器组件、下轴向位移传感器组件、径向位移传感器组件、径向球面磁轴承定子和洛伦兹力磁轴承定子；转动部分主要包括:陀螺外转盘组件、陀螺内转轴、球心调整垫环和陀螺转子锁母;上陀螺房位于中陀螺房轴向上端，并通过螺钉紧固在中陀螺房上，下陀螺房位于中陀螺房轴向下端，并通过螺钉紧固在中陀螺房上，上密封圈位于中陀螺房轴向上端的环形凹槽内，并通过上陀螺房轴向下端平面压紧在中陀螺房轴向上端的环形凹槽内，下密封圈位于中陀螺房轴向下端的环形凹槽内，并通过下陀螺房轴向上端平面压紧在中陀螺房轴向下端的环形凹槽内，上陀螺房、中陀螺房、下陀螺房、上密封圈和下密封圈组成一个封闭空间，为陀螺飞轮转子提供一个真空密封环境，上轴向球面磁轴承定子位于上陀螺房的轴向上端凹槽内，并通过螺钉紧固在上陀螺房上，下轴向球面磁轴承定子位于下陀螺房轴向下端凹槽内，并通过螺钉紧固在下陀螺房上，上保护轴承位于上陀螺房轴向下端环形台内，并通过锁母固定安装在上陀螺房轴向下端的环形台内，下保护轴承位于下陀螺房轴向上端环形台内，并通过锁母固定安装在下陀螺房轴向上端的环形台内，电机组件定子位于上陀螺房轴向下端和上保护轴承径向外侧，并通过螺钉紧固在上陀螺房上，上轴向位移传感器组件位于上陀螺房轴向下端和电机组件定子的径向外侧，并通过环氧树脂胶固化安装在上陀螺房轴向下端的凸台上，下轴向位移传感器组件位于下陀螺房轴向上端，并通过环氧树脂胶固化安装在下陀螺房轴向上端的凸台上，径向位移传感器组件位于径向球面磁轴承定子内圆柱面内侧，并通过径向球面磁轴承定子的凹槽固定安装在径向球面磁轴承定子内圆柱面上，径向球面磁轴承定子位于中陀螺房的径向内侧，并通过锁母固定安装在中陀螺房上，洛伦兹力磁轴承定子位于陀螺外转盘组件径向凹槽内，并通过螺钉固定安装在下陀螺房上，陀螺外转盘组件位于径向球面磁轴承定子径向内侧和陀螺内转轴径向外侧，陀螺内转轴位于上轴向球面磁轴承定子轴向下端和下轴向球面磁轴承定子轴向上端，球心调整垫环位于陀螺内转轴径向外侧和陀螺外转盘组件径向内侧上端，陀螺外转盘组件和球心调整垫环通过陀螺转子锁母和陀螺内转轴之间的螺纹配合固定安装在陀螺内转轴上，上轴向球面磁轴承定子球面和下轴向球面磁轴承定子球面与陀螺内转轴球面间留有一定的球壳间隙，形成轴向球壳气隙，径向球面磁轴承定子球面和陀螺外转盘组件球面间留有一定的球壳间隙，形成径向球壳气隙。
[0007]由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的内转子磁悬浮球面陀螺飞轮，由于采用了磁阻式球面磁轴承实现三自由度平动悬浮控制，与洛伦兹力磁轴承支承的陀螺飞轮相比，其承载力更大，转子质量、角动量可进一步提高，便于增加陀螺控制力矩范围；与径向解耦锥形磁轴承支承的陀螺飞轮相比，其球面磁轴承气隙为球壳形状，转子偏转不会引起球壳气隙形状的变化，任意时刻磁极表面磁通分布均匀，避免了磁偏拉力和负力矩的产生，提高了转子悬浮精度;此外，五个悬浮控制通道完全解耦，便于高精度悬浮控制，同时轴向球面磁轴承磁极球面的球心和径向球面磁轴承磁极球面的球心与陀螺飞轮转子质心完全重合，使得磁轴承作用于转子的电磁力始终经过转子质心，即电磁力不会对转子产生偏转干扰力矩，进一步提高了悬浮精度和控制力矩精度。
【附图说明】
[0008]图1为本实用新型实施例提供的内转子磁悬浮球面陀螺飞轮的径向剖视结构示意图；
[0009]图2为本实用新型实施例中陀螺外转盘组件的剖视结构示意图；
[0010]图3a为本实用新型实施例中上轴向球面磁轴承的剖视结构示意图；
[0011]图3b为本实用新型实施例中上轴向球面磁轴承定子的剖视结构示意图；
[0012]图4a为本实用新型实施例中径向球面磁轴承的径向X向剖视结构示意图；
[0013]图4b为本实用新型实施例中径向球面磁轴承的径向Y向剖视结构示意图；
[0014]图5a为本实用新型实施例中洛伦兹力磁轴承的径向X向剖视结构示意图；
[0015]图5b为本实用新型实施例中洛伦兹力磁轴承的径向Y向剖视结构示意图；
[0016]图6为本实用新型实施例中电机组件和上陀螺房之间的连接截面局部结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面将对本实用新型实施例作进一步地详细描述。
[0018]本实用新型的内转子磁悬浮球面陀螺飞轮，其较佳的【具体实施方式】是:
[0019]包括静止部分和转动部分，静止部分主要包括