本發(fā)明涉及控制力矩陀螺的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種磁懸浮控制力矩陀螺裝置，可用于敏捷機動衛(wèi)星和大型衛(wèi)星等航天器的大角度姿態(tài)機動控制和姿態(tài)穩(wěn)定控制。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代應(yīng)用于城市測繪、精準農(nóng)業(yè)、災害監(jiān)測等敏捷機動衛(wèi)星或大型衛(wèi)星對地觀測或是科學研究的衛(wèi)星平臺等航天器對穩(wěn)定性和大角度機動的靈活性提出了越來越高的要求，能大角度機動的衛(wèi)星可以提高對地觀測的效率和質(zhì)量。單框架控制力矩陀螺是航天器用于姿態(tài)控制的主要執(zhí)行部件之一?，F(xiàn)有的單框架控制力矩陀螺，飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)都采用機械軸承支撐，由于機械軸承存在磨損，所以在轉(zhuǎn)速和使用壽命方面還存在很多限制，同時由于機械軸摩擦力矩的非線性，會給航天器系統(tǒng)帶來一個干擾力矩，從而影響航天器的穩(wěn)定性；中國發(fā)明專利zl200710065550.1，如附圖1所示的單框架磁懸浮控制力矩陀螺中的陀螺轉(zhuǎn)子采用內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由于相同質(zhì)量和體積的轉(zhuǎn)子，內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量要小于外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的陀螺轉(zhuǎn)子的角動量，在相同角速度時，內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的陀螺轉(zhuǎn)子的角動量要小于外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的陀螺轉(zhuǎn)子的角動量，所以在輸出相同角動量時，內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的控制力矩陀螺的體積和質(zhì)量相對較大；有的單框架磁懸浮控制力矩陀螺采用兩端支撐的方式，如附圖2，框架系統(tǒng)有兩個支撐點(支撐點1、2)，兩端均需要一對機械軸承，這種結(jié)構(gòu)的控制力矩陀螺的框架系統(tǒng)需要為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供較大的回轉(zhuǎn)空間，所以框架系統(tǒng)的體積和重量相對較大，并且和衛(wèi)星的機械接口也比較大，不適合中小力矩輸出的控制力矩陀螺；中國發(fā)明專利zl200710065551.6，如附圖3所示的單框架控制力矩陀螺中的飛輪和框架都采用磁懸浮軸承，這種結(jié)構(gòu)的控制力矩陀螺結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)都比較復雜、體積和質(zhì)量相對較大，不適合中小力矩輸出的控制力矩陀螺。

中國專利申請cn200710098750.7，給出了一種磁懸浮反作用飛輪，沒有框架系統(tǒng)，輸出力矩相對較?。恢袊鴮＠暾坈n200610011561.7，給出了一種磁懸浮轉(zhuǎn)臺，不適合作為航天器姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)；中國專利申請cn200610011579.7，給出了一種磁懸浮儲能飛輪，但這種儲能飛輪用于航天器的儲能裝置，不適合做為航天器姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)；中國專利申請cn200710304236.4，給出了一種雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，有兩個框架系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復雜，而且內(nèi)框架系統(tǒng)與外框架系統(tǒng)存在耦合，控制難度較大。cn201510555829.2；專利申請cn201510555829.2，給出了一種大力矩磁懸浮控制敏感陀螺，但框架系統(tǒng)有兩個支撐點，兩端均需要一對機械軸承，這種結(jié)構(gòu)的控制力矩陀螺的框架系統(tǒng)需要為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供較大的回轉(zhuǎn)空間，所以框架系統(tǒng)的體積和重量相對較大，并且和衛(wèi)星的機械接口也比較大，不適合中小力矩輸出的控制力矩陀螺。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，將磁懸浮支承技術(shù)應(yīng)用于控制力矩陀螺的飛輪子系統(tǒng)中，提供了一種單端支撐式單框架磁懸浮控制力矩陀螺，可用于中小型航天器比如小衛(wèi)星的大角度機動姿態(tài)控制和大型衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定控制。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：一種磁懸浮控制力矩陀螺裝置，主要由飛輪系統(tǒng)和框架系統(tǒng)兩大部分組成，其中飛輪系統(tǒng)主要由飛錘、徑向磁懸浮軸承、徑向位置傳感器、軸向被動磁懸浮軸承、電機、保護軸承、密封殼和軸座組成，保護軸承處于飛輪的中部，兩側(cè)是密封殼和軸座，保護軸承上下兩側(cè)依次是飛錘、徑向磁懸浮軸承、徑向位置傳感器、軸向被動磁懸浮軸承、電機，其中，飛錘、徑向磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子部分、軸向被動磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子部分以及電機轉(zhuǎn)子部分組成飛輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子組件，其余為定子組件，定子組件和轉(zhuǎn)子組件之間通過徑向磁懸浮軸承和軸向被動磁懸浮軸承實現(xiàn)非機械接觸的穩(wěn)定懸浮，其中徑向磁懸浮軸承的定子部分和軸向被動磁懸浮軸承的定子部分、電機的定子部分、徑向位置傳感器、保護軸承和密封殼與軸座連接在一起，保護軸承外圈與飛錘之間形成徑向保護間隙和軸向保護間隙，保護徑向位置傳感器與飛錘之間形成徑向探測間隙；框架系統(tǒng)主要由支架、轉(zhuǎn)盤、力矩電機、軸承、套筒、鎖母、導電滑環(huán)、光電碼盤、端蓋和底座組成，其中支架、轉(zhuǎn)盤、力矩電機的轉(zhuǎn)子部分、光電碼盤的轉(zhuǎn)動部分、導電滑環(huán)的轉(zhuǎn)動部分以及軸承的轉(zhuǎn)動部分相連組成框架系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動部分，其余為靜止部分，支架與轉(zhuǎn)盤相連，轉(zhuǎn)盤中部是導電滑環(huán)，向外依次是套筒、軸承、鎖母、光電碼盤和端蓋，轉(zhuǎn)盤下側(cè)從里到外依次安裝有導電滑環(huán)的轉(zhuǎn)動部分、套筒、軸承的轉(zhuǎn)動部分、力矩電機的轉(zhuǎn)動部分、光電碼盤的轉(zhuǎn)動部分以及鎖母，底座內(nèi)側(cè)從外向內(nèi)依次安裝有力矩電機的定子部分、軸承的靜止部分、光電碼盤的靜止部分、導電滑環(huán)的靜止部分以及端蓋，支架與飛輪系統(tǒng)的軸座相連，使飛輪系統(tǒng)和框架系統(tǒng)組成一體，力矩電機和光電碼盤與軸承并行安裝。

其中，所述的徑向磁懸浮軸承為永磁偏置、電磁控制的主動式磁軸承。

其中，所述的軸向被動磁懸浮軸承為永磁被動磁軸承。

其中，所述的徑向磁懸浮軸承和軸向被動磁懸浮軸承是磁力相等的對稱結(jié)構(gòu)，或磁力不相等的非對稱結(jié)構(gòu)。

其中，所述的電機不再含有機械軸承，徑向磁懸浮軸承、軸向被動磁懸浮軸承為電機起到徑向和軸向支撐定位作用。

其中，所述的力矩電機為無刷直流力矩電機，或永磁同步力矩電機。

上述方案的原理是：一種磁懸浮控制力矩陀螺裝置的飛輪系統(tǒng)通過徑向磁懸浮軸承和軸向被動磁懸浮軸承保持飛輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子組件與定子組件的徑向和軸向間隙及電機定、轉(zhuǎn)子徑向和軸向間隙均勻。當飛輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子組件受到某一因素的干擾后，飛輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子組件的徑向或軸向間隙會發(fā)生變化，此時徑向位移傳感器將及時檢測出徑向間隙的變化，發(fā)出檢測信號給外加控制器，外加控制器通過增加或減小徑向磁懸浮軸承的電磁線圈中的電流，增大或減小徑向磁懸浮軸承的磁力，同時軸向被動磁懸浮軸承通過吸力或斥力阻止飛輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子組件位置的變化，從而保持飛輪系統(tǒng)的定子組件與轉(zhuǎn)子組件的徑向和軸向間隙均勻，消除干擾的影響，維持飛輪系統(tǒng)的正常穩(wěn)定高速運轉(zhuǎn)；當控制力矩陀螺收到控制指令對航天器進行姿態(tài)調(diào)整時，力矩電機驅(qū)動框架系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分以一定角速度旋轉(zhuǎn)，此時光電碼盤檢測框架系統(tǒng)所轉(zhuǎn)過的角度，并將這個角度信號在控制器中與指令信號進行反饋控制，從而實現(xiàn)了角速度的精確控制，框架系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸與飛輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子組件的角動量方向始終在空間垂直，根據(jù)陀螺力矩方程，控制力矩陀螺將會輸出一個控制力矩，這個控制力矩通過框架系統(tǒng)的底座與航天器的機械接口傳遞到航天器上，從而對航天器進行姿態(tài)控制。飛輪系統(tǒng)與框架系統(tǒng)采用串聯(lián)的方式連接，支撐點只有一個，從而實現(xiàn)單端支撐。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：本發(fā)明由于采用了徑向磁懸浮軸承和軸向被動磁懸浮軸承技術(shù)，陀螺轉(zhuǎn)子采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，即消除了機械軸承的摩擦力矩，提高了飛輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，因而提高了輸出轉(zhuǎn)矩與角動量的比，同時減小了控制力矩陀螺系統(tǒng)的功耗、體積、振動噪聲，提高了系統(tǒng)的可靠性和使用壽命；本發(fā)明采用單端支撐方式將飛輪系統(tǒng)完全置于框架系統(tǒng)的外部，與現(xiàn)有的單端支撐方式的控制力矩陀螺相比，角位置傳感器采用體積小、質(zhì)量輕、精度高的光電碼盤；力矩電機和光電碼盤與軸承并行安裝，結(jié)構(gòu)緊湊，減小了框架系統(tǒng)的體積和重量，也減小了框架底座底端的結(jié)合面積，為控制力矩陀螺與衛(wèi)星提供了方便的機械接口。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有的內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)單框架磁懸浮控制力矩陀螺；

圖2為現(xiàn)有的兩端支撐式單框架控制力矩陀螺；

圖3為現(xiàn)有的完全非接觸單框架磁懸浮控制力矩陀螺；

圖4為本發(fā)明的磁懸浮控制力矩陀螺結(jié)構(gòu)示意圖主視圖；

圖5為本發(fā)明的磁懸浮控制力矩陀螺結(jié)構(gòu)示意圖左視圖；

圖6為本發(fā)明的徑向磁懸浮磁軸承剖面圖；

圖7為本發(fā)明的軸向被動磁懸浮軸承剖面圖；

圖8為本發(fā)明的徑向位置傳感器剖面圖；

圖9為本發(fā)明的電機剖面圖；

圖10為本發(fā)明的力矩電機剖面圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實施方式進一步說明本發(fā)明。

如圖4和圖5，本發(fā)明主要由飛輪系統(tǒng)和框架系統(tǒng)兩大部分組成，其中飛輪系統(tǒng)主要由飛錘2、徑向磁懸浮軸承8、徑向位置傳感器6、軸向被動磁懸浮軸承5、電機4、保護軸承1、密封殼3和軸座7組成，保護軸承1處于飛輪的中部，兩側(cè)是密封殼3和軸座7，保護軸承1上下兩側(cè)由里向外依次是飛錘2、徑向磁懸浮軸承8、徑向位置傳感器6、軸向被動磁懸浮軸承5、電機4，其中，飛錘2、徑向磁懸浮軸承8轉(zhuǎn)子部分、軸向被動磁懸浮軸承5轉(zhuǎn)子部分以及電機4轉(zhuǎn)子部分組成飛輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子組件，其余為定子組件，定子組件和轉(zhuǎn)子組件之間通過徑向磁懸浮軸承8和軸向被動磁懸浮軸承5實現(xiàn)非機械接觸的穩(wěn)定懸浮，其中徑向磁懸浮軸承8的定子部分和軸向被動磁懸浮軸承5的定子部分、電機4的定子部分、徑向位置傳感器6、保護軸承1和密封殼3與軸座7連接在一起，保護軸承1與飛錘2之間形成保護間隙，徑向位置傳感器6與飛錘2之間形成徑向探測間隙；框架系統(tǒng)主要由支架9、轉(zhuǎn)盤10、力矩電機11、軸承13、套筒14、鎖母15、導電滑環(huán)16、光電碼盤17、端蓋19和底座12組成，其中支架9、轉(zhuǎn)盤10、力矩電機11的轉(zhuǎn)子部分、光電碼盤17的轉(zhuǎn)動部分、導電滑環(huán)16的轉(zhuǎn)動部分以及軸承13的內(nèi)圈相連組成框架系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動部分，其余為靜止部分，支架9與轉(zhuǎn)盤10相連，轉(zhuǎn)盤10中部是導電滑18，轉(zhuǎn)盤10下側(cè)從里到外依次安裝有導電滑環(huán)16的轉(zhuǎn)動部分、套筒14、軸承13的內(nèi)圈、力矩電機11的轉(zhuǎn)動部分、光電碼盤17的轉(zhuǎn)動部分以及鎖母15，底座12內(nèi)側(cè)從外向內(nèi)依次安裝有力矩電機11的定子部分、軸承13的外圈、光電碼盤17的靜止部分、導電滑環(huán)16的靜止部分以及端蓋18，支架9與飛輪系統(tǒng)的軸座7相連，使飛輪系統(tǒng)和框架系統(tǒng)組成一體，飛輪系統(tǒng)和框架系統(tǒng)上下串聯(lián)，支撐點只有一個，飛輪系統(tǒng)完全置于框架系統(tǒng)的外側(cè)，從而實現(xiàn)了單端支撐。

本發(fā)明的徑向磁懸浮軸承8為非機械接觸的磁軸承，為永磁偏置、電磁控制的主動式磁軸承，軸向被動磁懸浮軸承5為非機械接觸的磁軸承，為永磁被動式磁軸承。

圖6所示的徑向磁懸浮軸承位于飛輪系統(tǒng)中部，位于徑向位置傳感器6和保護軸承1之間，如圖4所示，主要由磁懸浮軸承外定子鐵心81、轉(zhuǎn)子鐵心82、永磁體83、內(nèi)定鐵心84、激磁線圈85組成，其中磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子鐵心82、永磁體83為轉(zhuǎn)動部分，其余為靜止部分；其功能是實現(xiàn)飛輪系統(tǒng)的定子組件和轉(zhuǎn)子組件之間的徑向非接觸穩(wěn)定懸浮。

圖7所示的軸向被動磁懸浮軸承位于飛輪系統(tǒng)的徑向磁懸浮軸承8的外側(cè)，如圖4所示，主要由定子永磁體51、轉(zhuǎn)子永磁體52組成，轉(zhuǎn)子永磁體為轉(zhuǎn)動部分，其余為靜止部分，軸向被動磁懸浮軸承的功能是實現(xiàn)飛輪系統(tǒng)的定子組件和轉(zhuǎn)子組件之間的軸向非接觸穩(wěn)定懸浮。

本發(fā)明的飛輪系統(tǒng)所使用的徑向位置傳感器6為圖8所示的結(jié)構(gòu)。在圖8所示的徑向位移傳感器中，它主要由四個徑向位移傳感器探頭61、62、63、64組成，其中探頭61和62沿x方向180度放置，用以探測x方向的位置信號，探頭63和64沿y方向180度放置，用以探測y方向的位置信號，這4個通道的前置放大器和探頭集成一體，可及時檢測出徑向間隙的變化，發(fā)出檢測信號給外加控制器，徑向位置傳感器6在圖4所示飛輪系統(tǒng)的徑向磁懸浮軸承的外側(cè)。

本發(fā)明的電機4為飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)子組件的驅(qū)動部分，位于圖4所示飛輪系統(tǒng)的外側(cè)，電機4具體結(jié)構(gòu)如圖9所示，主要由電機外轉(zhuǎn)子疊層41、電機磁鋼42、電機內(nèi)轉(zhuǎn)子疊層44、杯形定子43組成，其中杯形定子43為電機靜止部分，其余為電機轉(zhuǎn)動部分，電機4的功能是驅(qū)動飛輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子組件高速旋轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)子組件提供恒定的角動量。

本發(fā)明的力矩電機11為框架系統(tǒng)的驅(qū)動部分，驅(qū)動飛輪系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，位于圖4所示框架系統(tǒng)的外側(cè)，可以是圖10所示的永磁無刷直流力矩電機，也可以是永磁同步力矩電機。

圖10所示的力矩電機主要由電機定子疊層111、定子繞組112、轉(zhuǎn)子磁鋼113、轉(zhuǎn)子疊層114、螺紋壓環(huán)116、轉(zhuǎn)子安裝套115組成，其中定子疊層111和定子繞組112為力矩電機靜止部分，其余為轉(zhuǎn)動部分。

本發(fā)明的框架系統(tǒng)的底座12為整個系統(tǒng)的支撐體，并且為整個系統(tǒng)提供與航天器的機械接口。

本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。