一种安培力补偿机械式CMG及主动提高使用寿命的方法与流程

本发明涉及机械式控制力矩陀螺(cmg)，特别是一种安培力补偿机械式cmg及主动提高其使用寿命的方法。

背景技术：

控制力矩陀螺(cmg)是空间站等大型航天器和各类敏捷机动卫星平台姿态控制系统的核心关键部件，其寿命直接影响到大型航天器和敏捷卫星平台的使用寿命。

如图1所示，cmg主要包括陀螺房1和支承框架2，陀螺房1经第一轴3及轴承安装在支承框架2上，支承框架2提供陀螺房1的转动自由度和伺服驱动系统，陀螺房1主要由壳体11和置于其内的飞轮12组成，飞轮12经第二轴15及轴承13安装在陀螺房壳体11上。根据飞轮12的支承形式，cmg可分为传统机械式cmg和磁悬浮cmg。传统机械式cmg其飞轮由滚珠等机械式轴承支承，磁悬浮cmg其飞轮由磁轴承支承。由于磁悬浮cmg技术复杂，因而实际应用很少，目前国内外大型航天器姿态控制执行机构仍以传统机械式cmg为主，且通过在轨运行，积累了较多工程经验与试验数据，但同时也暴露出了一些问题，主要是机械式cmg飞轮的轴承组件可靠性与寿命问题。

目前机械式cmg的寿命仍难以满足长寿命航天器的需求。支承飞轮的机械轴承的寿命是决定机械式cmg寿命的主要因素之一。当机械式cmg工作时，如图1所示，陀螺房1绕支承框架2上的第一轴3旋转，飞轮12的角动量方向发生改变，由此而产生巨大的陀螺力矩tgro，此陀螺力矩tgro将反作用于轴承(机械轴承)13，在上、下两个轴承13内形成大小相等方向相反的径向作用力。机械轴承承受陀螺力矩tgro反作用带来的巨大交变载荷，工作条件恶劣，一方面会带来机械轴承阻力矩的明显变比，影响飞轮的转速稳定性，另一方面，它对机械轴承的使用寿命带来较大影响。目前解决该问题的主要办法是通过采用新材料、新结构、新的润滑技术等被动地提高机械轴承的机械性能，或者是通过增加机械轴承数量、加大机械轴承之间的距离来减小单个机械轴承承受的载荷。这些措施将引起机械式cmg成本的显著增加，且仍难以满足航天器对cmg寿命的要求。增加机械轴承的数量，还将导致cmg体积和重量增加，甚至是高速飞轮回转精度的下降。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术不足，提供一种能改善飞轮轴承工作条件，提高其长期稳定工作可靠性和寿命的机械式cmg及主动提高机械式cmg使用寿命的方法。为解决上述技术问题，本发明提供了一种陀螺力矩载荷安培力补偿机械式cmg的陀螺房结构，包括壳体和置于壳体内的飞轮，飞轮经第二轴及机械轴承安装在壳体上，其中：

所述第二轴的一端设置安培力磁轴承；

所述安培力磁轴承包括固定连接壳体的定子、固定连接飞轮的转子及磁轴承控制器，所述定子包括线圈骨架及嵌在线圈骨架内并左右对称设置的两个电磁线圈，所述转子包括转子磁轭和设置在其内的两层永磁体，且转子磁轭与两层永磁体之间形成闭合磁路，所述定子设在所述转子磁轭内的闭合磁路中，两个电磁线圈相互串联并经功率放大器与磁轴承控制器电性连接，两个电磁线圈中的控制电流方向相反。

进一步地，所述转子与飞轮集成为一体。

进一步地，所述定子和转子都为圆环状结构。

进一步地，所述线圈骨架采用轻质不导磁不导电的材料，比如玻璃钢、尼龙，机械加工而成。

进一步地，所述电磁线圈均采用聚氨酯漆包铜线绕制后浸漆烘干而成，且匝数相同。

进一步地，所述电磁线圈嵌于线圈骨架的预留槽内，并用环氧树脂将所述电磁线圈和所述线圈骨架灌封成为一体。

进一步地，所述两层永磁体分别沿其径向充磁，且上层永磁体的充磁方向朝内，下层永磁体的充磁方向朝外，使转子内形成所述闭合磁路。或者，所述两层永磁体分别沿其径向充磁，且上层永磁体的充磁方向朝外，下层永磁体的充磁方向朝内，使转子内形成所述闭合磁路。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种机械式cmg，其包括所述的陀螺房结构。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种主动提高机械式cmg使用寿命的方法，所述机械式cmg的陀螺房包括壳体和置于壳体内的飞轮，飞轮经第二轴及机械轴承安装在壳体上，其中：

所述第二轴的一端设置安培力磁轴承；

所述安培力磁轴承包括固定连接壳体的定子、固定连接飞轮的转子及磁轴承控制器，所述定子包括线圈骨架及嵌在线圈骨架内并左右对称设置的两个电磁线圈，所述转子包括转子磁轭和设置在其内的两层永磁体，且转子磁轭与两层永磁体之间形成闭合磁路，所述定子设在所述转子磁轭内的闭合磁路中，两个电磁线圈相互串联并经功率放大器与磁轴承控制器电性连接，两个电磁线圈中的控制电流方向相反；

当机械式cmg工作时，机械式cmg的伺服驱动系统获得陀螺房转动角速度并传输给磁轴承控制器，使磁轴承控制器主动产生控制信号，功率放大器根据该控制信号产生相应的控制电流并以相反方向施加于两个电磁线圈，两个电磁线圈在转子提供的闭合磁路中受到安培力作用，两个电磁线圈相应地对转子产生大小相等、方向相反的轴向反作用力，两个电磁线圈产生的反作用力形成作用于转子的补偿力矩，且使该补偿力矩与飞轮受到的陀螺力矩大小相等、方向相反，以抵消陀螺力矩。

本发明通过在传统机械式cmg的陀螺房内的飞轮旋转轴(第二轴)一端增设一个安培力磁轴承，将安培力磁轴承的转子与飞轮固定连接成一体，并使转子中形成闭合磁路，将定子固定在陀螺房壳体上，并在定子内对称设置两个电磁线圈，通过在两个电磁线圈中导入根据陀螺房转动角速度变化的控制电流，两个电磁线圈在转子提供的闭合磁路中受到安培力作用，两个电磁线圈相应地对转子产生大小相等、方向相反的轴向反作用力，两个电磁线圈产生的反作用力形成作用于转子的补偿力矩，且使该补偿力矩与陀螺力矩大小相等、方向相反，以抵消陀螺房转动时产生的陀螺力矩，消除飞轮的机械轴承受到的陀螺力矩载荷，改善高速机械轴承组件工作条件，提高其长期稳定工作可靠性和寿命，进而非常有助于机械式cmg寿命和稳定性的提高。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明系统可根据cmg陀螺房转动角速度主动产生与陀螺力矩大小相等、方向相反的补偿力矩，以抵消飞轮转子所受的陀螺力矩，可显著改善陀螺房内高速机械轴承的工作条件，进而提高cmg的寿命和稳定性。

附图说明

图1为控制力矩陀螺(cmg)的结构示意图；

图2为本发明增设安培力磁轴承后的机械式cmg的陀螺房结构示意图；

图3为本发明电连接及原理示意图；

图4为本发明控制系统原理结构示意图。

图中：

1-陀螺房，

11-壳体，

12-飞轮，

13-轴承，13’-轴承，

14-安培力磁轴承，

141-定子，

1411-线圈骨架，

1412-电磁线圈，

142-转子，

1421-转子磁轭，

1422-永磁体，

15-第二轴，

2-支承框架，

3-第一轴，

4-闭合磁路，

ω-飞轮转速，

δ-陀螺房转动角速度。

具体实施方式

以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

为了便于描述，各部件的相对位置关系(如：上、下、左、右等)的描述均是根据说明书附图的布图方向来进行描述的，并不对本专利的结构起限定作用。

实施例1：

参见图2－图4，本发明一种陀螺力矩载荷安培力补偿机械式cmg及主动提高机械式cmg使用寿命的方法为：在传统机械式cmg的陀螺房1(陀螺房1包括壳体11和置于壳体11内的飞轮12，飞轮12经第二轴15及机械轴承13’安装在壳体1的轴向)内的第二轴15上增设一个安培力磁轴承14。所述安培力磁轴承14包括定子141、转子142及磁轴承控制器(图中未示)，定子141固定连接于壳体11，转子142与飞轮12集成为一体。定子141和转子142都为圆环状结构。定子141由线圈骨架1411及嵌在其内左、右对称设置的两个电磁线圈1412组成。转子142由转子磁轭1421和设置在其内的永磁体1422组成。线圈骨架1411采用绝缘性能良好的玻璃钢机械加工而成。电磁线圈1412均采用市售导电性能良好的聚氨酯漆包铜线绕制后浸漆烘干而成，匝数相同，均为100～150匝。电磁线圈1412嵌于线圈骨架1411预留的槽内，并用环氧树脂灌封成为一体。转子磁轭1421的材质为市售导磁性能良好的软磁材料电工纯铁。转子磁轭1421的横截面为u型。永磁体1422的材质为高磁能积的钕铁硼材料，永磁体1422整体为圆环状结构，由多块弧形永磁体顺序拼接而成，并粘结在转子磁轭1421的内表面。在本实施例中，永磁体1422设置为上、下两层，共四个，且各永磁体1422沿其径向充磁，其中上层两个永磁体充磁方向朝内，下层两个永磁体充磁方向朝外，这样使得转子内产生图3所示的闭合磁路4。当所需抵消的陀螺力矩tgro较小时，也可将四个永磁体减少为两个，即仅保留内侧两个或者仅保留外侧两个，永磁体的充磁方向不变。

如图4所示，当机械式cmg工作时，其伺服驱动系统获得陀螺房转动角速度δ并传输给磁轴承控制器，使磁轴承控制器主动产生控制信号，功率放大器根据该控制信号产生相应的控制电流并施加于定子的电磁线圈，由于陀螺房转动角速度不断变化，使两电磁线圈中通过的电流大小不断变化，从而使两电磁线圈在转子提供的闭合磁路中受到大小相等、方向相反的轴向安培力作用，两个电磁线圈相应地对转子产生大小相等、方向相反的轴向反作用力，两个电磁线圈产生的轴向反作用力形成作用于转子的补偿力矩，且该补偿力矩与陀螺力矩大小相等、方向相反。此时，机械轴承13’所受的由陀螺力矩引起的径向作用力将消除，其工作条件将得到改善，这将有助于机械式cmg寿命和稳定性的提高。所述陀螺房转动角速度包括陀螺房转动的角速率大小和方向。对于确定的陀螺房结构和额定飞轮转速，所述控制电流大小可预先根据陀螺房转动角速度离线计算得到(计算方法为公知)。

所述安培力磁轴承14其控制电流具体的施加方法是：参见图3，将左、右两个电磁线圈串联成为一个整体，接线顺序需使得线圈内电流方向满足图3要求：即在图示剖面中左、右电磁线圈的上端部分中电流都垂直纸面朝内，下端部分中电流都垂直纸面朝外，或者两电磁线圈中电流同时反向亦可。当陀螺房1以某一转动角速度转动时，磁轴承控制器根据检测到的陀螺房转动角速度控制功率放大器对电磁线圈施加精确的控制电流，通电后的电磁线圈1412在转子内形成的闭合磁路4中将受到安培力的作用，两个电磁线圈1412相应的会对转子142产生大小相等、方向相反的轴向反作用力，两个轴向反作用力形成作用于转子142的合力矩，即补偿力矩tcom，该补偿力矩tcom与作用于飞轮12的陀螺力矩tgro大小相等、方向相反。当陀螺房1朝着相反的方向转动时，只要对电磁线圈1412施加反向控制电流即可产生所需的补偿力矩tcom，以抵消陀螺力矩tgro。

以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。