一种火箭弹用基于磁悬浮轴承的推力矢量喷管的制作方法

1.本发明涉及矢量喷管技术领域，具体地说是一种火箭弹用基于磁悬浮轴承的推力矢量喷管。


背景技术：

2.推力矢量的实现方式有:折流板、二元矢量喷管、轴对称矢量喷管、球面收敛调节片式矢量喷管。折流板机械调节式矢量喷管的复杂作动部件导致成本和飞机重量的增加, 球面收敛调节片利用了球面结构可以使得受力合理但它的操纵作动系统难以设计得轻巧,至今没有付诸实用的设计,而采二元和轴对称矢量喷管可以大大降低喷管的成本和重量,且系统的可靠性、维护性和使用寿命都得到极大的改善,同时喷管的红外隐身性能也得到加强,轴对称相对二元喷管只带俯仰推力转向功能,可以实现全方位机动性,因此，轴对称矢量喷管带来的巨大效益引起了世界各国的注意，优先发展轴对称矢量喷管技术已成为国际航空界的共识。


技术实现要素：

3.本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种火箭弹用基于磁悬浮轴承的推力矢量喷管。
4.本发明的核心思想是：基于开关磁阻技术和磁悬浮技术设计大孔径的力矩电机，将其倾斜安装在不规则喷管接口的连接处，带动喷管实现空间内半球面偏转。为了降低喷管内高温火焰可能带来的电机消磁风险，力矩电机采用开关磁阻技术，即电机转子和磁轴承转子为耐高温的硅钢材料叠压制成，用励磁结构取代永磁结构，为了消除高温高压可能造成的金属材料变形进而造成精密传动机构互相卡死的问题，设计了电机转子和定子无接触的磁悬浮系统，磁悬浮系统包括主悬浮和辅助悬浮两部分，其中主悬浮机构为磁悬浮轴承，其内部采用径向励磁和轴向励磁技术，能够带动电机转子实现轴向和径向的多自由耦合，辅助悬浮机构位于电机定子内，能够消除磁悬浮轴承单侧作用力带来的力矩偏移。
5.同时，为了实现矢量喷管在静止状态下的偏转角度的绝对稳定，在二级喷管上安装用于定位的连杆和液压系统，通过液压缸的液压保持力来稳定喷管的偏转角度。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种火箭弹用基于磁悬浮轴承的推力矢量喷管，包括次级电机，次级电机包括电机本体和磁悬浮轴承两部分，电机本体包括电机定子和电机转子两部分，电机定子分为悬浮槽和旋转槽两部分，悬浮槽内安装以第一悬浮线包、第二悬浮线包、第三悬浮线包和第四悬浮线包为代表的的悬浮线圈，悬浮线包由两个矩形线圈串联组成，相邻的两个悬浮线包之间采用“头接头，尾接尾”的连接方式连接，旋转槽内安装第一旋转线包、第二旋转线包、第三旋转线包和第四旋转线包，旋转线包有两个矩形线圈串联组成，相邻的两个悬浮线包之间采用“头接尾，尾接头”的连接方式连接，磁悬浮轴承包括轴向定子和径向定子，轴向定子为开口的圆环型，圆环的内圆周面上安装磁轴承永磁体，轴承永磁体为环形永磁体，轴承
永磁体的两侧安装轴向支架，轴向支架上安装轴向控制线圈，磁轴承永磁体內圆面安装径向定子，径向定子由开槽的硅钢片叠压而成，径向定子开设的槽口内安装径向控制线圈，轴向定子中间安装磁轴承转轴，磁轴承转轴上安装磁轴承转子，磁轴承转子为硅钢片叠压而成；电机定子安装在次级电机壳体内，轴向定子安装在磁轴承壳体内，次级电机壳体与磁轴承壳体通过法兰连接，电机转子与磁轴承转轴安转在电机转轴上。
7.次级电机安装在二级喷管法兰内，次级电机壳体通过螺钉安装在电机定位槽内，电机转轴与二级密封套筒之间通过定位端盖连接，二级喷管法兰的底部安装端面轴承，二级喷管法兰通过螺栓与一级喷管法兰连接，二级密封套筒内安装二级喷管，一级喷管法兰内安装一级喷管，二级喷管和一级喷管内通过铆钉安装隔热支架，隔热支架上安装二级隔热管和一级隔热管，二级隔热管和一级隔热管之间安装柔性密封环；二级隔热管和一级隔热管为合金材料制成的波纹软管，二级喷管的尾部有喷口。
8.电机壳体端面安装第一轴承和轴向传感器，轴向定子端面安装第二轴承，电机壳体的圆周面上安装径向传感器，电机转子上安装转子磁极和感应盘，转子磁极由硅钢片叠压而成，感应盘的端面对准轴向传感器，感应盘的圆周面对准径向传感器。
9.一级隔热管安装在初级电机上，初级电机为中空型直驱力矩电机，电机中心开孔处穿过一级隔热管，初级电机安装在固定法兰上。
10.二级喷管的圆周面上加工定位槽，定位槽的截面为矩形，开槽弧度占据二级喷管整个圆周面，定位槽内安装两组万向轮，万向轮固定在y向伸缩杆上，y向伸缩杆为能够在x向伸缩杆上的导向孔内滑动，x向伸缩杆固定在第一定位缸体和第二定位缸体的伸缩轴上，第一定位缸体和第二定位缸体对称的安装在固定法兰上。
11.本发明的一种火箭弹用基于磁悬浮轴承的推力矢量喷管，现有技术相比所产生的有益效果是：1）磁悬浮电机集传统电机旋转与磁轴承悬浮功能于一体，以同时产生驱动负载的电磁转矩和支承转子的悬浮力为目标，打破了传统电机仅为了产生电磁转矩而必须保持气隙磁场平衡的思路，开辟了高速电机研究领域的新方向，提高了飞行器在高速飞行过程中的转弯性能。
12.2）磁悬浮开关磁阻电机将磁悬浮技术与开关磁阻电机相结合，在继承一般磁悬浮电机无摩擦、无磨损、轴向空间利用率高、转子临界转速大等优点基础上，充分发挥了开关磁阻电机的高速优越性以及对恶劣环境的适应性，同时通过径向力的主动控制，有效改善了开关磁阻电机因不平衡磁拉力造成的振动和噪声问题，保证了飞行器飞行的平稳性。
13.3）第一级喷管的行程为360
°
，第二级喷管的行程为90
°
，通过一级喷管和二级喷管的联动能够实现喷头在空间内的球面转动，这样就极大的提高了飞行器的变向性能。
附图说明
14.图1是本发明结构主视剖面图；图2是本发明结构a-a向剖面图；图3是本发明结构电机水平悬浮原理图；图4是本发明结构电机竖直悬浮原理图；图5是本发明结构喷管连接剖面图；
图6是本发明结构喷管水平状态主视图；图7是本发明结构喷管扭转状态主视图；图8是本发明结构喷管扭转状态俯视图；图9是本发明结构喷管扭转状态三维图；图10是本发明喷管结构剖面视图；图中各标号表示：1、次级电机，101、次级电机壳体，102、轴向传感器，103、径向传感器，2、磁轴承壳体，3、电机定子，301、悬浮槽，302、旋转槽，303、第一旋转线包，304、第一悬浮线包，305、第二悬浮线包，306、第二旋转线包，307、第三悬浮线包，308、第四悬浮线包，309、第三旋转线包，310、第四旋转线包，4、电机转子，401、转子磁极，402、感应盘，403、电机转轴，5、轴向定子，6、径向定子，7、径向控制线圈，8、磁轴承转轴，9、磁轴承转轴，10、磁轴承转子，11、轴向控制线圈，12、轴向支架，13、二级喷管法兰，131、电机定位槽，14、二级密封套筒，141、端面轴承，15、二级喷管，16、二级隔热管，17、一级喷管法兰，18、定位端盖，19、一级隔热管，20、柔性密封环，21、隔热支架，211、铆钉，22、初级电机，23、一级喷管，24、定位槽，25、第一定位缸体，26、第二定位缸体，27、x向伸缩杆，28、y向伸缩杆，29、万向轮，30、第一轴承，31、第二轴承，32、喷口，33、固定法兰。
具体实施方式
15.结合附图对本发明的实施例进行说明。
16.一种火箭弹用基于磁悬浮轴承的推力矢量喷管，包括次级电机1，次级电机1包括电机本体和磁悬浮轴承两部分，电机本体包括电机定子3和电机转子4两部分，电机定子3分为悬浮槽301和旋转槽302两部分，悬浮槽301内安装以第一悬浮线包304、第二悬浮线包305、第三悬浮线包307和第四悬浮线包308为代表的悬浮线圈，悬浮线包由两个矩形线圈串联组成，相邻的两个悬浮线包之间采用“头接头，尾接尾”的连接方式连接，旋转槽302内安装第一旋转线包303、第二旋转线包306、第三旋转线包309和第四旋转线包310，旋转线包有两个矩形线圈串联组成，相邻的两个悬浮线包之间采用“头接尾，尾接头”的连接方式连接，磁悬浮轴承包括轴向定子5和径向定子6，轴向定子5为开口的圆环型，圆环的内圆周面上安装磁轴承永磁体10，轴承永磁体10为环形永磁体，轴承永磁体10的两侧安装轴向支架12，轴向支架12上安装轴向控制线圈11，磁轴承永磁体10內圆面安装径向定子6，径向定子6由开槽的硅钢片叠压而成，径向定子6开设的槽口内安装径向控制线圈7，轴向定子5中间安装磁轴承转轴9，磁轴承转轴9上安装磁轴承转子10，磁轴承转子10为硅钢片叠压而成；电机定子3安装在次级电机壳体101内，轴向定子5安装在磁轴承壳体2内，次级电机壳体101与磁轴承壳体2通过法兰连接，电机转子4与磁轴承转轴9安转在电机转轴403上。
17.作为本发明的第一实施例，喷管常用的材料为钛或钛合金，其极限温度在204.4℃左右，而发动机中心气流温度可达 1648.89℃。为了避免管道过热，需在喷管内侧加一层耐热内管（材料一般为镍合金，并做成波纹状，增加刚度），与外管组成双层管。
18.进一步，轴承采用日本 iko公司产的超薄型交叉滚子轴承，可以承受各个方向的载荷，其最高持续工作温度为120℃。为避免轴承过热，喷管也使用双层管结构。内、外管之
间采用若干连接装置确定相对位置关系，其工作机理为：连接件与内管焊接，在其内侧铆接托板螺母；将螺钉拧入托板螺母，并拉动螺钉，使连接件发生变形，紧贴外管内壁；拧紧螺钉，在螺钉的拉动下，发生变形，与外管的内壁紧贴，从而建立了内管与外管的定位关系。
19.次级电机1安装在二级喷管法兰13内，次级电机壳体101通过螺钉安装在电机定位槽131内，电机转轴403与二级密封套筒14之间通过定位端盖18连接，二级喷管法兰13的底部安装端面轴承141，二级喷管法兰13通过螺栓与一级喷管法兰17连接，二级密封套筒14内安装二级喷管15，一级喷管法兰17内安装一级喷管23，二级喷管15和一级喷管23内通过铆钉211安装隔热支架21，隔热支架21上安装二级隔热管16和一级隔热管19，二级隔热管16和一级隔热管19之间安装柔性密封环20；二级隔热管16和一级隔热管19为合金材料制成的波纹软管，二级喷管15的尾部有喷口32。
20.作为本发明的第一实施例，发动机内部达到最高温度时，喷口法兰与第一级内管入口端面连接处、第一级内管与第二级内管连接处的径向间隙需要在预留间隙的范围之内，喷管可以相对旋转。而沿喷管轴线方向，各零件两端均有微小的伸长量，使耐磨垫圈与内管的前端法兰进一步压紧，保证了密封性能。因此在最高温度时，喷管仍可以正常工作。
21.进一步，各级内管的最大变形均发生在连接件的中间位置，且连接件之间沿内管周向的间隔越大，内管的径向变形越大，因此在结构允许的情况下，可以通过增加连接件的数量来降低形变量。
22.作为本发明的第一实施例，为保证喷管在旋转时，发动机喷出的气流通过内管道而不发生泄漏，内、外管道斜截面的法线必须与电机中心线重合，并在内管连接处进行密封。发动机启动后，高温气流使喷口法兰、内管及内管的端部法兰发生变形，如果形变量过大，超出预留的间隙，则会导致喷管无法转动。
23.电机壳体101端面安装第一轴承30和轴向传感器102，轴向定子端面安装第二轴承31，电机壳体101的圆周面上安装径向传感器103，电机转子4上安装转子磁极401和感应盘402，转子磁极401由硅钢片叠压而成，感应盘402的端面对准轴向传感器102，感应盘402的圆周面对准径向传感器103。
24.一级隔热管19安装在初级电机22上，初级电机22为中空型直驱力矩电机，电机中心开孔处穿过一级隔热管19，初级电机22安装在固定法兰33上。
25.二级喷管15的圆周面上加工定位槽24，定位槽24的截面为矩形，开槽弧度占据二级喷管15整个圆周面，定位槽24内安装两组万向轮29，万向轮29固定在y向伸缩杆28上，y向伸缩杆28为能够在x向伸缩杆27上的导向孔内滑动，x向伸缩杆27固定在第一定位缸体25和第二定位缸体26的伸缩轴上，第一定位缸体25和第二定位缸体26对称的安装在固定法兰33上。
26.作为本发明的第一实施例，第一级内管为不规则几何体，入口端面为圆形，与发动机出口相连，直径比发动机出口直径稍大；出口端面为圆形，其直径与第二级内管端面直径相同。
27.进一步，喷管制作时，先将钢板卷成圆管，焊接成形，再将圆管塞入法兰，与法兰焊接。法兰的内轮廓与喷管外轮廓的最终形状和尺寸相同，喷管塞入后发生弹性变形，两端在法兰的作用下定形。
28.作为本发明的第一实施例，采用的磁悬浮幵关磁阻电机与传统开关磁阻电机在定
转子结构上相同，均为双凸极结构，转子上既无绕组，也无永磁体，仅由硅钢片叠压而成。磁悬浮电机的每个凸极定子上同时嵌有主绕组和悬浮绕组两套绕组。
29.作为本发明的第一实施例,参照图3和图4，电机主绕组通以电流产生粗实线表示转子磁极对称主磁通。水平方向悬浮绕组若通以图3所示电流，主磁通和悬浮磁通在气隙处相互叠加，在气隙处相互减弱，其结果将产生沿x轴正方向的悬浮力,若改变悬浮绕组中电流方向，则悬浮磁通和主磁通在气隙处相互减弱，在气隙处相互增强，则产生沿轴负方向的悬浮力同理，若给垂直方向悬浮绕组通以电流将会产生沿y轴方向上的悬浮力。分别控制悬浮绕组中电流大小和方向，便可产生不同大小和方向的悬浮力。多方向悬浮力矢量合成便可得到任意方向上的悬浮力，进而可实现电机转子稳定悬浮。
30.作为本发明的第一实施例,磁悬浮开关磁阻电机将磁悬浮技术与开关磁阻电机相结合，在继承一般磁悬浮电机无摩擦、无磨损、轴向空间利用率高、转子临界转速大等优点基础上，充分发挥了开关磁阻电机的高速优越性以及对恶劣环境的适应性，同时通过径向力的主动控制，有效改善了开关磁阻电机因不平衡磁拉力造成的振动和噪声问题，保证了飞行器飞行的平稳性。
31.应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管该具体实施方式部分对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。