一种磁悬浮反作用飞轮装置的制作方法

本发明涉及飞轮机构的技术领域，具体涉及一种磁悬浮反作用飞轮装置，可用于卫星、对地观测平台、空间望远镜等航天器的姿态控制。

背景技术：

卫星、对地观测平台、宇宙飞船、空间望远镜等航天器的姿态控制执行机构要求体积小、重量轻、寿命长、功耗低、可靠性高。目前作为航天器姿态控制系统执行机构的飞轮，一般采用机械轴承支承，这就从根本上限制了飞轮转速的提高，因此为了达到所需的角动量，就不得不增加飞轮重量，增大体积。另外，机械轴承存在机械磨损、不平衡振动不可控和过零摩擦力矩大等问题，严重影响了飞轮的使用寿命以及航天器姿态控制的精度和稳定度。有的磁悬浮飞轮，采用两个径向磁悬浮轴承沿轴向并排放置，受到整个飞轮重量和体积的限制，两个径向磁轴承之间的距离很短，这会使得飞轮转子在受到扰动等因素需要输出力矩调整姿态时，作用到两个径向磁轴承的力会很大，因而径向磁轴承在径向方向的尺寸就会增加，这势必会增加飞轮的体积和重量。有的磁悬浮飞轮径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承均采用永磁偏置、主动控制方式的混合磁悬浮轴承，因此存在功耗大和可靠性低的缺点。有的五自由度悬浮结构采用轴向混合磁轴承，转子位于悬浮结构中部，因此存转动惯量小和质量重的缺点，故不能满足卫星、对地观测平台等航天器所要求的体积小、重量轻的目的。还有些储能飞轮系统采用轴向混合混合磁轴承和径向混合磁轴承及主动控制方式，因此存在结构复杂和可靠性低的缺点。中国专利申请cn200610011579.7、中国专利申请cn201210147464.6、中国申请专利cn201310334470.7，给出了三种磁悬浮储能飞轮，但这两种储能飞轮用于航天器的储能装置，不适合做为航天器姿态控制执行机构。中国专利申请cn201510003170.x、中国专利申请cn201510003197.9，给出了两种轴向混合磁轴承实现转子五自由度悬浮结构，尽管这两种五自由度悬浮结构可用于提供转子轴向和径向悬浮力，但由于没有电机，不能驱动飞轮系统的转子组件旋转，因此不能提供角动量控制航天器的姿态。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有机械轴承飞轮、两个径向磁悬浮轴承轴向并置的磁悬浮飞轮的不足，提供一种结构简单体积小、可靠性高、重量轻、振动噪声小、寿命长的磁悬浮反作用飞轮。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种磁悬浮反作用飞轮装置，由静止部分和转动部分两部分组成，静止部分包括：径向磁悬浮轴承的静止部分、外壳、轴向磁悬浮轴承的静止部分、保护轴承、位置传感器、电机的定子部分、底座；转动部分包括：轮体、径向磁悬浮轴承的转动部分、轴向磁悬浮轴承的转动部分、电机的转动部分，保护轴承处于飞轮的中部，保护轴承与底座连接，在保护轴承的外侧是径向磁悬浮轴承，其静止部分与底座连接，其转动部分与轮体连接，在径向磁悬浮轴承的外侧是位置传感器，位置传感器与底座连接，在位置传感器的外侧是电机，其静止部分与底座连接，其转动部分与轮体连接，在电机的外侧是轴向磁悬浮轴承，其静止部分与底座连接，其转动部分与轮体连接，位置传感器的输出电信号与外加控制器的输入端相连，该控制器的输出端与径向磁悬浮轴承的电磁线圈相连，形成电的闭环回路，底座位于飞轮的最底部。

其中，径向磁悬浮轴承为永磁偏置、电磁控制的主动式磁轴承。

其中，轴向被动磁悬浮轴承为永磁被动式磁轴承。

其中，所述的径向磁悬浮轴承和轴向被动磁悬浮轴承是磁力相等的对称结构，或磁力不相等的非对称结构。

其中，电机不再含有机械轴承，径向磁悬浮轴承、轴向被动磁悬浮轴承为电机起到径向和轴向支撑定位作用。

上述方案的原理是：通过径向磁悬浮轴承保持飞轮的旋转部分与飞轮静止部分的径向间隙及电机定转子径向间隙均匀，通过轴向磁悬浮轴承保持飞轮的旋转部分与飞轮的静止部分轴向对齐，同时保持电机的定、转子轴向对齐。当飞轮受到某一因素的干扰后，使飞轮的径向间隙发生变化时，位置传感器将及时检测出间隙的变化，发出检测信号，外加控制器通过增加或减小径向磁悬浮轴承的电磁线圈的电流，增大或减小径向混合磁悬浮轴承的电磁力，从而保持飞轮的静止部分与转动部分的径向间隙均匀，消除干扰的影响；当飞轮受到某一因素的干扰后，使飞轮的轴向间隙发生变化时，轴向磁悬浮轴承增大或减小电磁力，从而保持飞轮的静止部分与转动部分的轴向间隙均匀，消除干扰的影响，从而维持飞轮正常稳定运转。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明由于采用了径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承技术，即消除了机械轴承的摩擦力矩，提高了飞轮系统的转速，因而提高了输出转矩与角动量的比，同时减小了磁悬浮反作飞轮系统的体积、振动噪声，提高了系统的使用寿命；本发明采用了径向混合磁轴承技术和轴向被动磁悬浮轴承技术，与现有的磁悬浮飞轮相比，结构紧凑，减小了磁悬浮飞轮系统的体积和重量，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明的一种磁悬浮反作用飞轮装置；

图2为本发明的径向磁悬浮轴承剖面图；

图3为本发明的位置传感器剖面图；

图4为本发明的电机剖面图；

图5为本发明的轴向被动磁悬浮轴承剖面图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明由静止部分和转动部分两部分组成，静止部分包括：径向磁悬浮轴承4的静止部分、外壳1、轴向磁悬浮轴承7的静止部分、保护轴承3、位置传感器5、电机6的定子部分、底座8；转动部分包括：轮体2、径向磁悬浮轴承4的转动部分、轴向磁悬浮轴承7的转动部分、电机6的转动部分，保护轴承3处于飞轮的中部，保护轴承3与底座8连接，在保护轴承3的外侧是径向磁悬浮轴承4，其静止部分与底座8连接，其转动部分与轮体2连接，在径向磁悬浮轴承4的外侧是位置传感器5，位置传感器5与底座8连接，在位置传感器5的外侧是电机6，其静止部分与底座8连接，其转动部分与轮体2连接，在电机6的外侧是轴向磁悬浮轴承7，其静止部分与底座8连接，其转动部分与轮体2连接，位置传感器5的输出电信号与外加控制器的输入端相连，该控制器的输出端与径向磁悬浮轴承4的电磁线圈相连，形成电的闭环回路，底座8位于飞轮的最底部。

本发明的径向磁悬浮轴承4为非机械接触的磁轴承，为永磁偏置、电磁控制的主动式磁轴承，轴向磁悬浮轴承7为非机械接触的磁轴承，为永磁被动式磁轴承。

图2所示的径向磁悬浮轴承位于飞轮系统中部，位于径向位置传感器5和保护轴承3之间，如图2所示，主要由磁悬浮轴承外转子导磁环41、转子铁心42、内定铁心43、定子导磁环44、永磁体45、激磁线圈46组成，其中径向磁悬浮轴承转子导磁环41、转子铁心42为转动部分，其余为静止部分；其功能是实现飞轮系统的定子组件和转子组件之间的径向非接触稳定悬浮。

本发明的飞轮系统所使用的径向位置传感器5为图3所示的结构。在图3所示的径向置移传感器中，它主要由四个径向位移传感器探头51、52、53、54组成，其中探头51和52沿x方向180度放置，用以探测x方向的位置信号，探头53和54沿y方向180度放置，用以探测y方向的位置信号，这4个通道的前置放大器和探头集成一体，可及时检测出径向间隙的变化，发出检测信号给外加控制器，径向位置传感器5在图1所示飞轮系统的径向磁悬浮轴承的外侧。

本发明的电机6为飞轮系统转子组件的驱动部分，位于图1所示飞轮系统径向位置传感器的外侧，电机6具体结构如图4所示，主要由电机外转子叠层61、电机磁钢62、电机内转子叠层64、杯形定子63组成，其中杯形定子63为电机静止部分，其余为电机转动部分，电机6的功能是驱动飞轮系统的转子组件高速旋转，通过转子组件提供恒定的角动量。

图5所示的轴向被动磁悬浮轴承位于飞轮系统的外侧，如图5所示，主要由定子永磁体71、转子永磁体72组成，转子永磁体72为转动部分，其余为静止部分，轴向被动磁悬浮轴承的功能是实现飞轮系统的定子组件和转子组件之间的轴向非接触稳定悬浮。

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。