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一种四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺的制作方法
【专利摘要】一种四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，由四自由度磁轴承、高速电机、径轴一体化传感器、径向传感器、上保护轴承、下保护轴承、芯轴、轮体、底座、上传感器检测环、下传感器检测环、壳体、内框框架芯轴、内框框架电机、内框框架、内框机械轴承、内框角位置传感器、内框导电滑环、外框框架芯轴、外框框架电机、外框框架、外框机械轴承、外框角位置传感器、外框导电滑环组成，四自由度磁轴承的主动部分控制转子的径向平动与偏转，转子的轴向平动通过四自由度磁轴承的被动部分实现。本发明各个组件布局紧凑，减小了体积和重量，减小了系统的噪声、体积和重量，消除了轴承摩擦力，从而提高了双框架控制力矩陀螺的寿命和控制精度。
【专利说明】一种四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种双框架磁悬浮控制力矩陀螺，可作为长期运行或要求大机动和快速响应的航天器和空间站等大型航天器的姿态控制系统的执行机构。

【背景技术】
[0002]控制力矩陀螺是应用在大型航天器上的一类惯性执行机构，主要由高速转子和框架系统组成，通过框架伺服系统控制高速转子角动量的方向，从而输出陀螺力矩对航天器的姿态进行控制。要求大机动和快速响应的航天器以及空间站等大型航天器的姿态控制的执行机构要求输出力矩大、寿命长、可靠性高、响应速度快、精度高、体积小、重量轻、功耗低，这就要求输出角动量的高速转子的转速要高，以减轻重量、缩小体积；要求框架系统的框架电机输出力矩大、控制精度高。根据框架的自由度个数，与单框架控制力矩陀螺相比，双框架控制力矩陀螺组成的姿态控制系统的主要优点是:动量包络为球体、奇异性不明显、构型和控制律简单、便于操纵，安装可靠方便，相同冗余度时，比单框架控制力矩陀螺组成的姿态系统质量要轻。所以双框架控制力矩陀螺是大型航天器姿态控制系统关键执行机构。作为高速转子的支承部件，现有的双框架控制力矩陀螺采用机械轴承支承，因而从根本上限制了转子转速的提高、降低了系统的使用寿命和可靠性，增加了系统的功耗，振动和噪声大，控制精度低，为了使控制力矩陀螺输出所需的角动量，不得不增加控制力矩陀螺的重量和体积。因此现有的双框架控制力矩陀螺主要缺点是体积和重量大、控制精度低、可靠性差、寿命比较短等。现有的磁悬浮双框架控制力矩陀螺采用的是五自由度全主动的结构形式，尽管采用了永磁偏置磁轴承的结构形式，但是其功耗仍然较大，而且五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺在电路板的数量及体积都明显过大。


【发明内容】

[0003]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供一种四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，以减小自身体积重量和功耗。
[0004]本发明的技术解决方案为:一种四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，由四自由度磁轴承(I)、高速电机(2)、径轴一体化传感器(3)、径向传感器(4)、上保护轴承(5)、下保护轴承(6)、芯轴(7)、轮体(8)、底座(9)、上传感器检测环(10)、下传感器检测环(11)、壳体(12)、内框框架芯轴(13)、内框框架电机(14)、内框框架(15)、内框机械轴承(16)、内框角位置传感器(17)、内框导电滑环(18)、外框框架芯轴(19)、外框框架电机(20)、外框框架
(21)、外框机械轴承(22)、外框角位置传感器(23)、外框导电滑环(24)组成，其中四自由度磁轴承(I)位于控制力矩陀螺的中部，其定子部分安装在芯轴(7)的中部，四自由度磁轴承
(I)定子的上端为上保护轴承(5)，上保护轴承(5)也固定在芯轴(7)上，上保护轴承(5)的径向外侧为上传感器检测环(10)，上保护轴承(5)与上传感器检测环(10)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，上传感器检测环(10)的径向外侧是径轴一体化传感器(3)，径轴一体化传感器(3)的径向探头和轴向探头与上传感器检测环(10)之间形成径向探测间隙和轴向探测间隙，径轴一体化传感器⑶通过传感器座与芯轴(7)固连；四自由度磁轴承
(I)定子的下端为下保护轴承(6)，下保护轴承(6)也固定在芯轴(7)上，其径向外侧为下传感器检测环(11)，下保护轴承(6)和下传感器检测环(11)之间形成径向保护间隙，下传感器检测环(11)的径向外侧是径向传感器(4)，径向传感器(4)的探头与下传感器检测环
(II)之间形成径向探测间隙，径向传感器(4)通过传感器座与底座(9)固连；四自由度磁轴承(I)的转子的径向外侧是轮体(8)，两者采用过盈配合，轮体(8)的下端安装有高速电机(2)的内转子铁心和外转子铁心，高速电机(2)的定子与内转子铁心和外转子铁心之间形成磁间隙，并通过连接板固定在底座(9)上，壳体(12)与底座(9)通过螺钉相连，用以将轮体密封起来；壳体(12)的两端与内框框架芯轴(13)相连，内框框架芯轴(13)通过内框机械轴承(16)与内框框架(15)固连，内框框架(15)的一端与内框框架电机(14)的定子部分相连，另一端与内框角位置传感器(17)的定子相连，内框角位置传感器(17)的定子与内框导电滑环(18)的静止部分相连；内框框架电机(14)的转子部分与内框框架芯轴(13)连接，内框角位置传感器(17)的转子以及内框导电滑环(18)的转动部分与另一端的内框框架芯轴(13)固连；内框框架(15)的两端与外框框架芯轴(19)相连，外框框架芯轴(19)通过外框机械轴承(22)与外框框架(21)固连，外框框架(21)的一端与外框框架电机(20)的定子部分相连，另一端与外框角位置传感器(23)的定子相连，外框角位置传感器(23)的定子与外框导电滑环(24)的静止部分相连；外框框架电机(20)的转子部分与外框框架芯轴(19)连接，外框角位置传感器(23)的转子以及外框导电滑环(24)的转动部分与另一端的外框框架芯轴(19)固连。
[0005]所述的四自由度磁轴承⑴由被动部分转子导磁环(101)、转子永磁体(102)、转子导磁体(103)、转子铁心(104)、气隙(105)、定子铁心(106)、定子导磁环(107)、定子永磁体(108)、线圈(109)、被动部分定子导磁环(110)和被动部分气隙(111)组成，其中每个定子铁心(106)由4个磁极组成，两个定子铁心(106)组成磁轴承上下两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子铁心(106)的磁极上绕制有线圈(109)，定子铁心
(106)外部为转子铁心(104)，转子铁心(104)外部为转子导磁体(103)，转子铁心(104)内表面与定子铁心(106)外表面留有一定的间隙，形成气隙(105)，定子铁心(106)的径向内部为定子导磁环(107)，两个被动部分定子导磁环(110)位于两个定子铁心(106)之间，定子铁心(106)与被动部分定子导磁环(110)之间有两个定子永磁体(108),两个被动部分定子导磁环(110)之间有一个定子永磁体(108),被动部分定子导磁环(110)的径向外部为被动部分转子导磁环(101)，两个转子导磁体(103)之间为转子永磁体(102)，被动部分转子导磁环(101)的内表面与被动部分定子导磁环(107)的外表面之间留有一定间隙,形成被动部分气隙(111)。
[0006]所述的每个定子铁心(106)的磁极绕制有线圈(109)为独立控制。
[0007]所述的转子永磁体(102)和每个定子永磁体(108)为轴向圆环,沿轴向充磁,且体积相等。
[0008]所述的被动部分转子导磁环(101)和被动部分定子导磁环(110)由实心整环导磁材料制成。
[0009]所述的被动部分转子导磁环(101)和被动部分定子导磁环(110)为两个、四个、六个或八个。
[0010]所述的径轴一体化传感器(3)具有4个正交放置的径向探头和4个正交放置的轴向探头，轴向探头完成轮体(8)的轴向平动、两个径向转动三个广义位移的检测，径向探头完成轮体(8)的两个径向平动广义位移的检测。
[0011]所述的内框角位置传感器(17)和外框角位置传感器(23)为旋转变压器，也可以为光电码盘。
[0012]上述方案的原理是:双框架控制力矩陀螺由高速转子系统、内框架系统和外框架系统三部分组成，内框架系统和外框架系统转轴的轴线相互垂直，并通过高速转子系统的质心。通过高速转子系统的转速控制部分使得高速转子系统转子的转速保持恒定，通过高速转子提供角动量。内框架系统和外框架系统转动迫使高速转子的角动量改变方向，从而输出陀螺力矩，陀螺力矩等于框架转速矢量与高速转子角动量矢量的叉积。其中，内框架系统控制高速转子角动量作一个自由度的进动，外框架系统控制高速转子角动量作另一个自由度的进动，从而内框架系统和外框架系统控制高速转子两个自由度的进度，产生两个自由度的陀螺力矩。通过一个双框架控制力矩陀螺可控制航天器的两自由度姿态控制，需要两个双框架控制力矩陀螺可实现航天器三自由度姿态控制。其中四自由度磁轴承的控制原理为:通过控制上下两组定子铁心磁极的线圈(即独立控制各个线圈中的电流，也就是说，“独立控制”指的是各个线圈中的电流没有直接联系，是通过功放根据位移传感器检测到的探测气隙变化对每个定子磁极线圈进行通电)，实现磁轴承转动部分的径向平动和径向扭动，利用中间的被动部分的定子导磁环和被动部分转子导磁环通过轴向位移产生的磁偏拉力实现磁轴承转动部分的轴向平动。定子永磁体和转子永磁体给磁轴承提供永磁偏置磁�。械４胖岢兴艿木断蛄Γ呷λ拇懦∑鸬鹘谧饔茫美锤谋涿考麓懦〉那咳酰３执胖岢卸ㄗ悠毒龋⑹棺拥玫轿藿哟ブС�。本发明的永磁磁路为三个部分(如图4所示)，一部分为:磁通从上端定子永磁体N极出发，通过定子导磁环、上端定子铁心、上端气隙、上端转子铁心、上端转子导磁体、上端被动部分转子导磁环、上端被动部分气隙、上端被动部分定子导磁环、定子导磁环回到上端定子永磁体的S极；第二部分为:磁通从下端定子永磁体N极出发,通过定子导磁环、下端被动部分定子导磁环、下端被动部分气隙、下端被动部分转子导磁环、下端转子导磁体、下端转子铁心、下端气隙、下端定子铁心、定子导磁环回到下端定子永磁体的S极；第三部分为:磁通从中间的定子永磁体N极出发，通过定子导磁环、下端被动部分定子导磁环、下端被动部分气隙、下端被动部分转子导磁环、下端转子导磁体、转子永磁体S极、转子永磁体N极、上端转子导磁体、上端被动部分转子导磁环、上端被动部分气隙、上端被动部分定子导磁环、定子导磁环，回到中间定子永磁体的S极。如图3所示，以某端Y轴正方向线圈电流产生的磁通为例，其路径为:定子铁心形成的Y轴正方向磁极、Y轴正方向气隙到转子铁心、然后到另外三个方向气隙、定子铁心形成的另外三个方向磁极、回到定子铁心形成的Y轴正方向磁极，构成闭合回路。
[0013]本发明与现有技术相比的优点在于:本发明利用四自由度磁轴承实现双框架磁悬浮控制力矩陀螺两个径向平动以及两个径向偏转的控制，并且被动部分的定子永磁体和转子永磁体实现四自由度磁轴承被动刚度的提高，对主动部分没有影响，此外，本发明的每个定子永磁体和转子永磁体体积相同，可以使得整机剩磁矩接近零，满足航天的要求；本发明的四自由度磁轴承中的轴向被动部分为整环结构，磁场波动�。男　Ａ硗猓痉⒚鞯纳媳；ぶ岢泻拖卤；ぶ岢写笮〔煌阌谒蚣艽判】刂屏赝勇菽诓柯痔宓牟鹦叮挥捎诒痉⒚鞑捎昧怂淖杂啥鹊乃蚣艽判】刂屏赝勇萁峁剐问剑缏钒迨恳约疤寤拖嘤Φ墓木崦飨约跣�。

【专利附图】

【附图说明】
[0014]图1为本发明的四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺示意图；
[0015]图2为本发明的四自由度磁轴承轴向截面图；
[0016]图3为本发明的四自由度磁轴承轴向端面图；其中图3a为极靴形式的端面图，图3b为定子磁极夹角为62度时的端面图；
[0017]图4为本发明的四自由度磁轴承的永磁磁路图；
[0018]图5为本发明的含有四个被动部分转子导磁环和被动部分定子导磁环的四自由度磁轴承轴向截面图；
[0019]图6为本发明的四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺中高速电机结构图；
[0020]图7为本发明的四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺的径轴一体化传感器结构图；
[0021]图8为本发明的四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺的内框框架电机示意图。

【具体实施方式】
[0022]如图1所示，一种四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，由四自由度磁轴承(I)、高速电机(2)、径轴一体化传感器(3)、径向传感器(4)、上保护轴承(5)、下保护轴承(6)、芯轴(7)、轮体(8)、底座(9)、上传感器检测环(10)、下传感器检测环(11)、壳体(12)、内框框架芯轴(13)、内框框架电机(14)、内框框架(15)、内框机械轴承(16)、内框角位置传感器(17)、内框导电滑环(18)、外框框架芯轴(19)、外框框架电机(20)、外框框架(21)、外框机械轴承(22)、外框角位置传感器(23)、外框导电滑环(24)组成，其中四自由度磁轴承(I)位于控制力矩陀螺的中部，其定子部分安装在芯轴(7)的中部，四自由度磁轴承(I)定子的上端为上保护轴承(5)，上保护轴承(5)也固定在芯轴(7)上，上保护轴承(5)的径向外侧为上传感器检测环(10)，上保护轴承(5)与上传感器检测环(10)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，上传感器检测环(10)的径向外侧是径轴一体化传感器(3)，径轴一体化传感器(3)的径向探头和轴向探头与上传感器检测环(10)之间形成径向探测间隙和轴向探测间隙，径轴一体化传感器⑶通过传感器座与芯轴(7)固连；四自由度磁轴承⑴定子的下端为下保护轴承(6)，下保护轴承(6)也固定在芯轴(7)上，其径向外侧为下传感器检测环(11)，下保护轴承(6)和下传感器检测环(11)之间形成径向保护间隙，下传感器检测环(11)的径向外侧是径向传感器(4)，径向传感器(4)的探头与下传感器检测环(11)之间形成径向探测间隙，径向传感器(4)通过传感器座与底座(9)固连；四自由度磁轴承(I)的转子的径向外侧是轮体(8)，两者采用过盈配合，轮体⑶的下端安装有高速电机(2)的内转子铁心和外转子铁心，高速电机(2)的定子与内转子铁心和外转子铁心之间形成磁间隙，并通过连接板固定在底座(9)上，壳体(12)与底座(9)通过螺钉相连，用以将轮体密封起来；壳体(12)的两端与内框框架芯轴(13)相连，内框框架芯轴(13)通过内框机械轴承
(16)与内框框架(15)固连，内框框架(15)的一端与内框框架电机(14)的定子部分相连，另一端与内框角位置传感器(17)的定子相连，内框角位置传感器(17)的定子与内框导电滑环(18)的静止部分相连；内框框架电机(14)的转子部分与内框框架芯轴(13)连接，内框角位置传感器(17)的转子以及内框导电滑环(18)的转动部分与另一端的内框框架芯轴
(13)固连；内框框架(15)的两端与外框框架芯轴(19)相连，外框框架芯轴(19)通过外框机械轴承(22)与外框框架(21)固连，外框框架(21)的一端与外框框架电机(20)的定子部分相连，另一端与外框角位置传感器(23)的定子相连，外框角位置传感器(23)的定子与外框导电滑环(24)的静止部分相连；外框框架电机(20)的转子部分与外框框架芯轴(19)连接，外框角位置传感器(23)的转子以及外框导电滑环(24)的转动部分与另一端的外框框架芯轴(19)固连。
[0023]所述的四自由度磁轴承⑴由被动部分转子导磁环(101)、转子永磁体(102)、转子导磁体(103)、转子铁心(104)、气隙(105)、定子铁心(106)、定子导磁环(107)、定子永磁体(108)、线圈(109)、被动部分定子导磁环(110)和被动部分气隙(111)组成，其中每个定子铁心(106)由4个磁极组成，两个定子铁心(106)组成磁轴承上下两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子铁心(106)的磁极上绕制有线圈(109)，定子铁心(106)外部为转子铁心(104)，转子铁心(104)外部为转子导磁体(103)，转子铁心(104)内表面与定子铁心(106)外表面留有一定的间隙，形成气隙(105)，定子铁心(106)的径向内部为定子导磁环(107)，两个被动部分定子导磁环(110)位于两个定子铁心(106)之间，定子铁心(106)与被动部分定子导磁环(110)之间有两个定子永磁体(108),两个被动部分定子导磁环(110)之间有一个定子永磁体(108),被动部分定子导磁环(110)的径向外部为被动部分转子导磁环(101)，两个转子导磁体(103)之间为转子永磁体(102)，被动部分转子导磁环(101)的内表面与被动部分定子导磁环(107)的外表面之间留有一定间隙,形成被动部分气隙(111)。
[0024]所述的每个定子铁心(106)的磁极绕制有线圈(109)为独立控制。
[0025]所述的转子永磁体(102)和每个定子永磁体(108)为轴向圆环，沿轴向充磁，且体积相等。
[0026]所述的被动部分转子导磁环(101)和被动部分定子导磁环(110)由实心整环导磁材料制成。
[0027]所述的被动部分转子导磁环(101)和被动部分定子导磁环(110)为两个、四个、六个或八个。
[0028]所述的径轴一体化传感器(3)具有4个正交放置的径向探头和4个正交放置的轴向探头，轴向探头完成轮体(8)的轴向平动、两个径向转动三个广义位移的检测，径向探头完成轮体(8)的两个径向平动广义位移的检测。
[0029]所述的每个定子铁心(106)的磁极绕制有线圈(109)为独立控制，以实现磁轴承转动部分的径向平动控制和径向扭转控制，即实现磁轴承转动部分沿X和I方向的两个平动自由度控制和绕X及y方向的两个扭转自由度控制(共四个自由度)。
[0030]所述的被动部分转子导磁环(101)和被动部分定子导磁环(110)由实心整环导磁材料制成，通过被动部分转子导磁环(101)和被动部分定子导磁环(110)的轴向错位实现磁轴承的轴向稳定(即轴向平动自由度为被动)。
[0031]为了增加被动部分的刚度，所述的被动部分转子导磁环(101)和被动部分定子导磁环(110)为两个、四个、六个或八个，其中图5给出了被动部分转子导磁环和被动部分定子导磁环为4个的外转子四自由度磁轴承截面图。
[0032]另外，为了减小被动部分对主动部分带来的附加位移负刚度，所述的被动部分气隙(111)的磁阻为气隙(105)磁阻的2?4倍。
[0033]所述的内框角位置传感器(17)和外框角位置传感器(23)为旋转变压器，也可以为光电码盘。
[0034]上述本发明技术方案所用的被动部分转子导磁环(101)、转子导磁体(103)、定子导磁环(107)和被动部分定子导磁环(110)均为实心结构,采用导磁性能良好的材料制成，如电工纯铁、各种碳钢、铸铁、铸钢、合金钢、1J50和1J79等磁性材料等。定子铁心(106)和转子铁心(104)可用导磁性能良好的材料如电工纯铁、电工硅钢板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79等磁性材料冲压叠制而成。转子永磁体(102)和定子永磁体(108)的材料为磁性能良好的稀土永磁体、钕铁硼永磁体或铁氧体永磁体，转子永磁体(102)和定子永磁体(108)为轴向圆环，沿轴向充磁，且转子永磁体(102)和每个定子永磁体(108)要保证体积相等，相邻定子永磁体(108)的充磁方向相反,被动部分定子导磁环之间的定子永磁体(108)的充磁方向与被动部分转子导磁环之间的转子永磁体(102)的充磁方向相反。线圈(109)采用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。另外，由于永磁体产生的磁场通过定子铁心磁极在转子铁心中产生的磁场是大小变化的，因此在转子高速旋转时会产生涡流损耗，为减小这部分损耗，定子铁心(106)的磁极应采用极靴形式(如图3所示)以减小高速下的涡流损耗，其中图3a为极靴形式的端面图，图3b为定子磁极夹角为62度时的端面图，两种结构的定子铁心端面按照不同需求进行选择使用，对于体积较小的磁轴承，宜采用图3b所示结构，对于体积稍大要求的磁轴承，则宜采用图3a所示结构。图3a中定子铁心磁极根部与定子铁心轭部之间的锐角会导致磁密集中过大的问题，此时可以采用图3b中给出的定子铁心端面图，图中给出的定子铁心磁极两边对应的圆心角为62度，这种结构可以有效减小定子铁心磁极根部与定子铁心轭部之间的锐角所导致的磁密集中。
[0035]图6为本发明的高速电机⑵轴向剖面图，由电机杯形定子(201)、电机外转子压板(202)、外转子叠层(203)、磁钢(204)、内转子叠层(205)和内转子压板(206)组成，磁钢(204)的径向外侧是外转子叠层(203)，外转子叠层(203)和磁钢(204)的轴向下端安装有电机外转子压板(202)，磁钢(204)的径向内侧是内转子叠层(205)，内转子叠层(205)的轴向下端安装有内转子压板(206)。其中杯形定子(201)为电机静止部分，其余为转动部分，杯形定子(201)位于磁钢204和内转子叠层(205)之间，通过螺钉以及连接板与底座
(9)固连。
[0036]图7为本发明的径轴一体化传感器(3)的示意图，该位移传感器由探头(301)?探头(308)与传感器外壳(309)两部分组成，其中探头(301)、探头(303)、探头(305)和探头(307)在轴向端面上分别沿+y、+x、-y和_x均匀放置，构成轴向探头，探头(302)、探头(304)、探头(306)和探头(308)在径向圆周上分别沿+y、+x、_y和_x均匀放置，构成径向探头。轴向探头完成轴向平动和两个绕径向转动三个广义位移的检测，径向探头完成两个径向平动位移的检测。传感器外壳(309)屏蔽电磁干扰，内部为检测电路，完成转子位移信息的提取。本发明的传感器探头的放置方式不是唯一的，只要保证4个径向探头正交以及4个轴向探头正交即可，径向探头与轴向探头的相对位置可任意。
[0037]图8所示的内框框架电机(14)主要由定子叠层(141)、定子绕组(142)、转子磁钢(143)、转子铁心(144)、转子压板(145)，其中定子叠层(141)和定子绕组(142)为框架电机静止部分，其余为转动部分。其中转子铁心(144)采用导磁性好的1J22棒材制成。定子叠层(141)与内框框架(15)过盈配合，转子磁钢(143)与转子铁心(144)过盈配合，转子铁心(144)与内框框架芯轴(13)通过过盈配合相连，外框框架电机(20)的结构与内框框架电机(14)完全相同。
[0038]本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【权利要求】
1.一种四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于:由四自由度磁轴承(I)、高速电机(2)、径轴一体化传感器(3)、径向传感器(4)、上保护轴承(5)、下保护轴承(6)、芯轴(7)、轮体(8)、底座(9)、上传感器检测环(10)、下传感器检测环(11)、壳体(12)、内框框架芯轴(13)、内框框架电机(14)、内框框架(15)、内框机械轴承(16)、内框角位置传感器(17)、内框导电滑环(18)、外框框架芯轴(19)、外框框架电机(20)、外框框架(21)、外框机械轴承(22)、外框角位置传感器(23)、外框导电滑环(24)组成，其中四自由度磁轴承(I)位于控制力矩陀螺的中部，其定子部分安装在芯轴(7)的中部，四自由度磁轴承(I)定子的上端为上保护轴承(5)，上保护轴承(5)也固定在芯轴(7)上，上保护轴承(5)的径向外侧为上传感器检测环(10)，上保护轴承(5)与上传感器检测环(10)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，上传感器检测环(10)的径向外侧是径轴一体化传感器(3)，径轴一体化传感器(3)的径向探头和轴向探头与上传感器检测环(10)之间形成径向探测间隙和轴向探测间隙，径轴一体化传感器⑶通过传感器座与芯轴(7)固连；四自由度磁轴承⑴定子的下端为下保护轴承(6)，下保护轴承(6)也固定在芯轴(7)上，其径向外侧为下传感器检测环(11)，下保护轴承(6)和下传感器检测环(11)之间形成径向保护间隙，下传感器检测环(11)的径向外侧是径向传感器(4)，径向传感器(4)的探头与下传感器检测环(11)之间形成径向探测间隙，径向传感器(4)通过传感器座与底座(9)固连；四自由度磁轴承(I)的转子的径向外侧是轮体(8)，两者采用过盈配合，轮体⑶的下端安装有高速电机(2)的内转子铁心和外转子铁心，高速电机(2)的定子与内转子铁心和外转子铁心之间形成磁间隙，并通过连接板固定在底座(9)上，壳体(12)与底座(9)通过螺钉相连，用以将轮体密封起来；壳体(12)的两端与内框框架芯轴(13)相连，内框框架芯轴(13)通过内框机械轴承(16)与内框框架(15)固连，内框框架(15)的一端与内框框架电机(14)的定子部分相连，另一端与内框角位置传感器(17)的定子相连，内框角位置传感器(17)的定子与内框导电滑环(18)的静止部分相连；内框框架电机(14)的转子部分与内框框架芯轴(13)连接，内框角位置传感器(17)的转子以及内框导电滑环(18)的转动部分与另一端的内框框架芯轴(13)固连；内框框架(15)的两端与外框框架芯轴(19)相连，外框框架芯轴(19)通过外框机械轴承(22)与外框框架(21)固连，外框框架(21)的一端与外框框架电机(20)的定子部分相连，另一端与外框角位置传感器(23)的定子相连，外框角位置传感器(23)的定子与外框导电滑环(24)的静止部分相连；外框框架电机(20)的转子部分与外框框架芯轴(19)连接，外框角位置传感器(23)的转子以及外框导电滑环(24)的转动部分与另一端的外框框架芯轴(19)固连。
2.根据权利要求1所述的四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于:所述的四自由度磁轴承(I)由被动部分转子导磁环(101)、转子永磁体(102)、转子导磁体(103)、转子铁心(104)、气隙(105)、定子铁心(106)、定子导磁环(107)、定子永磁体(108)、线圈(109)、被动部分定子导磁环(110)和被动部分气隙(111)组成，其中每个定子铁心(106)由4个磁极组成，两个定子铁心(106)组成磁轴承上下两端8个磁极，分别组成X、Y轴正负方向的磁极，每个定子铁心(106)的磁极上绕制有线圈(109),定子铁心(106)外部为转子铁心(104)，转子铁心(104)外部为转子导磁体(103)，转子铁心(104)内表面与定子铁心(106)外表面留有一定的间隙，形成气隙(105)，定子铁心(106)的径向内部为定子导磁环(107)，两个被动部分定子导磁环(110)位于两个定子铁心(106)之间，定子铁心(106)与被动部分定子导磁环(110)之间有两个定子永磁体(108),两个被动部分定子导磁环(110)之间有一个定子永磁体(108)，被动部分定子导磁环(110)的径向外部为被动部分转子导磁环(101),两个转子导磁体(103)之间为转子永磁体(102),被动部分转子导磁环(101)的内表面与被动部分定子导磁环(107)的外表面之间留有一定间隙，形成被动部分气隙(111)。
3.根据权利要求2所述的四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于:所述的每个定子铁心(106)的磁极绕制有线圈(109)为独立控制。
4.根据权利要求2所述的四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于:所述的转子永磁体(102)和每个定子永磁体(108)为轴向圆环,沿轴向充磁,且体积相等。
5.根据权利要求2所述的四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于:所述的被动部分转子导磁环(101)和被动部分定子导磁环(110)由实心整环导磁材料制成。
6.根据权利要求2所述的四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于:所述的被动部分转子导磁环(101)和被动部分定子导磁环(110)为两个、四个、六个或八个。
7.根据权利要求1所述的四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于:所述的径轴一体化传感器(3)具有4个正交放置的径向探头和4个正交放置的轴向探头，轴向探头完成轮体(8)的轴向平动、两个径向转动三个广义位移的检测，径向探头完成轮体(8)的两个径向平动广义位移的检测。
8.根据权利要求1所述的四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，其特征在于:所述的内框角位置传感器(17)和外框角位置传感器(23)为旋转变压器，也可以为光电码盘。
【文档编号】G01C19/24GK104176277SQ201410384117
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】孙津济, 汤继强, 刘虎, 韩伟涛, 乐韵 申请人:北京航空航天大学