專利名稱：利用磁力安裝的緩沖振動(dòng)的飛輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用磁力安裝的緩沖振動(dòng)的飛輪，這種飛輪的徑向尺寸比軸向尺寸大得多。
在專利文獻(xiàn)DE 3243641 A1中公開了一種利用磁力支承使位置穩(wěn)定的，徑向尺寸比軸向尺寸大得多的飛輪。為徑向驅(qū)動(dòng)飛輪，設(shè)置了按照電動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行工作的產(chǎn)生力量的裝置。為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子在飛輪下側(cè)有一個(gè)間隙，而固定在一個(gè)定子上的電動(dòng)機(jī)的繞組貫穿這個(gè)間隙。同樣，還為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸向位移和徑向位移，以及為產(chǎn)生傾倒力矩設(shè)置了產(chǎn)生力量的裝置。以上這些產(chǎn)生力量的裝置都通過一個(gè)調(diào)整裝置與相應(yīng)的傳感器耦合，所以總共能在5個(gè)自由度上使它的位置保持穩(wěn)定。在專利文獻(xiàn)DE 3819205 A1中公開了一種飛輪，它借助于一種按照電動(dòng)力學(xué)原理工作的產(chǎn)生力量的裝置，能在轉(zhuǎn)子的外圓周上徑向驅(qū)動(dòng)飛輪。為了產(chǎn)生傾倒力矩，同樣也在飛輪的外圓周上設(shè)置了按照電動(dòng)力學(xué)原理產(chǎn)生力量的裝置。為此，在轉(zhuǎn)子的外圓周上設(shè)置了一圈環(huán)形凹槽，在該環(huán)形凹槽內(nèi)裝有兩個(gè)重疊的，磁極相反的永久磁鐵。固定在定子上，并且被上述永久磁鐵的磁力線所切割的四個(gè)繞組貫穿在這圈環(huán)形凹槽內(nèi)。為了產(chǎn)生傾倒力矩和軸向力，流過上述四個(gè)繞組的電流的方向是可以變換的。為使位置穩(wěn)定所必須的傳感器通過一個(gè)調(diào)整裝置與上述相應(yīng)的產(chǎn)生力量的裝置耦合。
借助于把用于橫向位移的產(chǎn)生力量的裝置和相應(yīng)的傳感器安置在飛輪輪轂的區(qū)域內(nèi)，就能夠有效地抑制干擾性的振動(dòng)，特別是當(dāng)用于徑向驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)生力量的裝置也安置在上述飛輪的輪轂中時(shí)。還能夠抑制干擾性的振動(dòng)，以及由此產(chǎn)生的諧振。此外，此時(shí)所產(chǎn)生的共振現(xiàn)象不會(huì)導(dǎo)致干擾傳感器的工作。如果將用于軸向位移，或者用于產(chǎn)生傾倒力矩的產(chǎn)生力量的裝置，以及與其協(xié)同工作的傳感器都安置在飛輪的外圓周上，就特別有利。
與將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)變成力量的電磁的產(chǎn)生力量的裝置相反，在本發(fā)明中所使用的按照電動(dòng)力學(xué)原理的產(chǎn)生力量的裝置只產(chǎn)生很小的不希望有的振動(dòng)，并且通常在傳感器計(jì)算的過程中幾乎不產(chǎn)生干擾信號(hào)。使用電動(dòng)力學(xué)的產(chǎn)生力量的裝置能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與定子之間的質(zhì)量有利的分配。
周期性地產(chǎn)生的干擾力矩也能夠有效地抵消。
由于把徑向驅(qū)動(dòng)裝置移到了飛輪的輪轂里，結(jié)果，即使當(dāng)使用比較小的電動(dòng)機(jī)繞組時(shí)，飛輪的回旋范圍也足夠大。
下面，參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的說明性質(zhì)的實(shí)施例。附圖中

圖1a是帶有本發(fā)明的磁力軸承的飛輪的橫斷面圖；圖1b是具有為平移運(yùn)動(dòng)用的傳感器的飛輪輪轂部分的斷面圖；圖2是用于記錄平移運(yùn)動(dòng)的傳感器裝置的圖。
圖中所示的飛輪包括一個(gè)飛輪輪轂，若干根輻條和一個(gè)外輪輞RK，上述輪轂設(shè)計(jì)成基本上封閉的盤狀空心體H，上述外輪輞構(gòu)成飛輪的主要質(zhì)量，其上有環(huán)形凹槽(N)。同樣也設(shè)計(jì)成盤狀的定子S固定在一根中心軸上，而這根中心軸安裝在外殼上。轉(zhuǎn)子R的旋轉(zhuǎn)軸線與定子S的軸線重合。用于飛輪的徑向驅(qū)動(dòng)裝置的產(chǎn)生力量的裝置M1的繞組(電動(dòng)機(jī)繞組)W1設(shè)置在位于輪轂上的定子S上，并且特別有利的是設(shè)置在定子盤S外圓周上的垂直于定子盤的平面上。協(xié)同工作的永久磁鐵(電動(dòng)機(jī)磁鐵)P1則安裝在空心體H的基本上與飛輪軸線平行的內(nèi)表面上。這些永久磁鐵具有交替的磁極。電動(dòng)機(jī)裝置包括一臺(tái)無鐵芯的，帶有電子換向的直流馬達(dá)。這樣，即使當(dāng)轉(zhuǎn)子回旋時(shí)，也能保證精確的換向。在低速狀態(tài)下，上述驅(qū)動(dòng)裝置的電子儀器接受從一個(gè)簡(jiǎn)單的，為上述電子換向用的“渦流”傳感裝置輸送來的轉(zhuǎn)子位置。在高速狀態(tài)下(超過200rpm)，上述電子換向由電動(dòng)機(jī)繞組中的電壓(反電勢(shì))來獲得。
為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸徑向位移用的產(chǎn)生力量的裝置M2，同樣也設(shè)置在飛輪輪轂的內(nèi)部空間里。它同樣也按照電動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行工作。在盤狀定子S上設(shè)有兩個(gè)并排放置的環(huán)形繞組W21和W22(徑向致動(dòng)線圈)。與其協(xié)同工作的，設(shè)計(jì)成環(huán)形的永久磁鐵P2、P3則設(shè)置在空心體H的盤的內(nèi)部，在所有情況下，上述環(huán)形永久磁鐵都在位于定子S內(nèi)的繞組W21、W22上方或下方的區(qū)域內(nèi)。圖中，用線條表示了環(huán)形的磁力線。結(jié)果，產(chǎn)生了作用在x方向的力。
為軸向位移產(chǎn)生軸向力量的裝置M3同樣也按照電動(dòng)力學(xué)的原理工作。該裝置設(shè)置在轉(zhuǎn)子R的外輪圓周上，在外輪輞(轉(zhuǎn)子的輪輞)內(nèi)的沿軸向(y方向)延伸的環(huán)形凹槽N的內(nèi)部。在環(huán)形凹槽N向外的壁上設(shè)置了兩塊環(huán)形永久磁鐵(上、下磁鐵輪輞)，這兩塊磁鐵沿y方向排列，具有同樣方向相同的磁極(單極性磁極)。上述永久磁鐵為上述產(chǎn)生軸向力量的裝置和產(chǎn)生傾倒力矩的裝置提供了一個(gè)均勻的圓形磁場(chǎng)。用于產(chǎn)生力量的裝置M3的繞組W31和W32做成環(huán)形的繞組，在另一個(gè)定子S1上上下排列，該定子通過一個(gè)外殼剛性地連接在上述定子S上。結(jié)果，便產(chǎn)生了圖中用線條表示的環(huán)形磁力線，該磁力線產(chǎn)生一個(gè)沿y方向的作用力。
為了產(chǎn)生傾斜力矩，設(shè)置了一個(gè)有四個(gè)繞組的產(chǎn)生力量的裝置M4(圖中未示出)，這些繞組都設(shè)置在凹槽N內(nèi)，每一個(gè)繞組占據(jù)四分之一圓周，并且埋在環(huán)氧樹脂內(nèi)部。關(guān)于這些繞組的幾何上安排的進(jìn)一步詳細(xì)情況，請(qǐng)見專利文獻(xiàn)DE3240809 C2，特別是其中的圖6b。傾倒力矩是用反相電流激勵(lì)相應(yīng)的對(duì)置的繞組而產(chǎn)生的。
用于檢測(cè)飛輪在上面提到的自由度范圍內(nèi)的移動(dòng)的傳感器SE1…SE4(只在圖1b中表示)通過一用于穩(wěn)定位置的調(diào)整裝置RS(圖中未示出)與相應(yīng)的產(chǎn)生力量的裝置M1-M4相連。作為例子，這種用于穩(wěn)定位置的調(diào)整裝置的細(xì)節(jié)可參閱DE 3240809 C2或DE3819205 A1。
總共設(shè)置了三個(gè)傳感器裝置傾倒傳感器裝置包括各有兩個(gè)繞組裝置的兩個(gè)傾倒傳感器(傾倒傳感器繞組)。這些傳感器繞組固定在外殼上，具體的說，固定在轉(zhuǎn)子輪輞的外圓周的凹槽N內(nèi)，互相相對(duì)。相應(yīng)的傳感器繞組之間的差別將形成傾斜的位置。安裝在用于傾倒力矩M4的產(chǎn)生力量的裝置附近的上述傾倒傳感器所導(dǎo)致的調(diào)整稍稍受到干擾因素的影響。
平移傳感器裝置包括在飛輪輪轂上方的四個(gè)傳感器繞組，和在飛輪輪轂下方的四個(gè)傳感器繞組-SE1…SE4(見圖1b和圖2)。傳感器繞組-SE1…SE4的基準(zhǔn)表面在飛輪輪轂的轉(zhuǎn)子外殼H的頂面和/或底面上有正齒輪。圖2中所示的上述傳感器繞組(x傳感器繞組)剛性地固定在定子S上，所以就能夠確定定子S和轉(zhuǎn)子R之間徑向的微小的間隙。在飛輪輪轂區(qū)域精密地設(shè)置這些傳感器，要比在轉(zhuǎn)子的外圓周上設(shè)置傳感器的裝置，能更精確地檢測(cè)移動(dòng)(有效地排除了干擾振動(dòng))。在飛輪輪轂區(qū)域中傾倒運(yùn)動(dòng)很少干擾平移運(yùn)動(dòng)。
通過對(duì)繞組輸出信號(hào)的計(jì)算，就能夠記錄全部平移自由度的程度。
軸向位置用比較安裝在轉(zhuǎn)子上方和下方的x繞組和y繞組中所感應(yīng)的電壓來確定。
為了在低速時(shí)換向，還設(shè)置了靜電傳感器(圖中未示出)。所有的傳感器最好都是按照“渦流電流”的原理制成的，因?yàn)檫@種傳感器制造簡(jiǎn)單并且工作可靠。它如果電氣性能和機(jī)械性能選擇得合適，傳感器就具有很高的頻帶，而且，具有足夠的線性程度。為了避免漂移效應(yīng)，所有的傳感器都按照差分原理工作。
上述轉(zhuǎn)子的飛輪輪輞還有另一個(gè)環(huán)形凹槽N1，該凹槽設(shè)置在內(nèi)表面上，由鋁制成，并且是傾倒傳感器的一部分。協(xié)同工作的繞組(傾倒傳感器繞組)安裝在定子S1上，并且突入環(huán)形凹槽N1內(nèi)。
在定子S的軸與轉(zhuǎn)子R的飛輪輪轂之間總是設(shè)置了兩個(gè)滾珠軸承(應(yīng)急軸承)，當(dāng)磁力軸承失效時(shí)，即電力供應(yīng)中斷時(shí)，這兩個(gè)機(jī)械軸承就工作。
本發(fā)明所提供的飛輪具有+/-4°的回旋范圍。因此，它是理想的適合于用作通信衛(wèi)星的一種陀螺致動(dòng)裝置。除了扭矩的軸向調(diào)整之外，上述轉(zhuǎn)子可以在傾斜的軸線上相對(duì)于外殼回旋，而該傾斜軸線不與上述轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合(微調(diào)萬向接頭)。此外，轉(zhuǎn)子的傾斜還可以用于儲(chǔ)存橫向力矩，以便補(bǔ)償外部的干擾力矩，或者在衛(wèi)星上改變轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，例如為了天線的定向。
當(dāng)衛(wèi)星總線的電壓發(fā)生事故時(shí)，上述電動(dòng)機(jī)能自動(dòng)地轉(zhuǎn)換到發(fā)電機(jī)工作模式，以便為自身供應(yīng)能量，同時(shí)也作為轉(zhuǎn)速降低到1500rpm時(shí)的穩(wěn)定的軸承。當(dāng)?shù)陀谏鲜鏊俣葧r(shí)，電動(dòng)勢(shì)(EMF)就太小了，以致不能為電子裝置供應(yīng)足夠的能量。
權(quán)利要求
1.一種徑向尺寸比軸向尺寸大的，利用磁力安裝緩沖振動(dòng)的飛輪，它具有下列特征用于徑向驅(qū)動(dòng)飛輪的產(chǎn)生力量的裝置(M1)設(shè)置在上述飛輪的輪轂內(nèi)；用于飛輪的橫向位移的產(chǎn)生力量的裝置(M2)與用于記錄飛輪的橫向位移的傳感器(SE1，…、SE4)一樣，以同樣的方式安裝在飛輪輪轂區(qū)域內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的飛輪，其特征在于，上述為飛輪的橫向位移用的，具體說是為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線位移用的產(chǎn)生力量的裝置(M2)，設(shè)置在飛輪輪轂內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的飛輪，其特征在于，上述飛輪輪轂作為飛輪轉(zhuǎn)子(R)的一部分，包括一盤狀的，基本上封閉的空心體(H)，上述為飛輪的徑向驅(qū)動(dòng)裝置(M1)用的產(chǎn)生力量的裝置就容納在上述空心體內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1-3中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的飛輪，其特征在于，上述徑向驅(qū)動(dòng)裝置用的產(chǎn)生力量的裝置(M1)和/或用于橫向位移的產(chǎn)生力量的裝置(M2)都是按照電動(dòng)力學(xué)原理工作的。
5.如權(quán)利要求4所述的飛輪，其特征在于，上述用于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置的產(chǎn)生力量的裝置(M1)的繞組(W1)的位置在設(shè)置在飛輪輪轂中的定子(S)上，并且，與其協(xié)同工作的永久磁鐵(P1)設(shè)置在處在該繞組(W1)區(qū)域內(nèi)的轉(zhuǎn)子(R)上。
6.如權(quán)利要求5所述的飛輪，其特征在于，上述盤狀定子(S)在其外圓周上帶有用于徑向驅(qū)動(dòng)裝置的產(chǎn)生力量的裝置(M1)的繞組(W1)。
7.如權(quán)利要求5或6所述的飛輪，其特征在于，上述用于徑向驅(qū)動(dòng)裝置的產(chǎn)生力量的裝置(M1)的永久磁鐵(P1)安裝在空心體(H)內(nèi)部的基本上與飛輪軸線平行的壁(WA)上。
8.如權(quán)利要求1-7中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的飛輪，其特征在于，上述用于橫向位移的產(chǎn)生力量的裝置(M2)的繞組(W2)設(shè)計(jì)成并排放置在定子(S)內(nèi)的盤狀繞組(W21、W22)。
9.如權(quán)利要求7或8所述的飛輪，其特征在于，上述為橫向位移產(chǎn)生力量的裝置(M2)用的永久磁鐵(P2、P3)設(shè)置在上述空心體(H)的盤的內(nèi)部，并且總是設(shè)置在位于定子(S)內(nèi)的繞組(W21、W22)的上方或下方區(qū)域內(nèi)。
10.如權(quán)利要求1-9中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的飛輪，其特征在于，一個(gè)為上述軸向位移用的，按照電動(dòng)力學(xué)原理工作的產(chǎn)生力量的裝置(M3)設(shè)置在上述轉(zhuǎn)子(R)的外圓周上。
11.如權(quán)利要求1-10中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的飛輪，其特征在于，在上述轉(zhuǎn)子(R)的外圓周上有一圈沿軸向延伸的環(huán)形凹槽(N)，并且，在該環(huán)形凹槽(N)內(nèi)的至少一道凹槽壁上，設(shè)有兩塊上下排列的永久磁鐵(P4、P5)，并且，與這兩塊永久磁鐵(P4、P5)協(xié)同工作的繞組(W31、W32)是環(huán)形的繞組，上下排列，設(shè)置在上述永久磁鐵(P4、P5)區(qū)域內(nèi)的另一個(gè)定子(S1)上。
12.如權(quán)利要求1-11中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的飛輪，其特征在于，一個(gè)為產(chǎn)生傾倒力矩的，按照電動(dòng)力學(xué)原理工作的產(chǎn)生力量的裝置(M4)設(shè)置在上述轉(zhuǎn)子(R)的外邊緣區(qū)域中，該裝置在上述另一個(gè)定子(S1)上具有成對(duì)地相對(duì)的扇形繞組，使得互相相反的電流能通入位置互相相對(duì)的繞組中。
13.如權(quán)利要求1-12中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的飛輪，其特征在于，它還具有通過一個(gè)用于穩(wěn)定位置的調(diào)整裝置(RS)與相應(yīng)的產(chǎn)生力量的裝置(M1、…、M4)相連的傳感器(SE1、…、SE4)。
14.如權(quán)利要求1-13中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的飛輪，其特征在于，上述為飛輪的徑向位移用的傳感器(SE1、…、SE4)的基準(zhǔn)表面由在飛輪輪轂的外殼的頂面和/或底面上的齒圈組成。
全文摘要
一種利用磁力安裝緩沖振動(dòng)的飛輪,其按照電動(dòng)力學(xué)原理工作的,用于徑向驅(qū)動(dòng)裝置和用于橫向位移的產(chǎn)生力量的裝置(M1、M2),以及用于調(diào)整的相應(yīng)的傳感器(SE1、…、SE4)都設(shè)置在飛輪輪轂的內(nèi)部。這種飛輪能有效地緩沖干涉性的振動(dòng),而不會(huì)對(duì)飛輪的回旋范圍產(chǎn)生不利的影響。
文檔編號(hào)F16C39/06GK1179201SQ96192711
公開日1998年4月15日 申請(qǐng)日期1996年3月20日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月20日
發(fā)明者尤多·比切勒, 托馬斯·?？ㄌ?申請(qǐng)人:泰爾狄克斯有限公司