CN102829783B - 一种三轴惯性稳定平台框架轴系支撑*** - Google Patents

Abstract

一种三轴惯性稳定平台框架轴系支撑***，该装置适用于三轴惯性稳定平台的横滚框和俯仰框轴系的支撑，与传统的机械轴承支撑方式不同，本装置采用机械轴承加被动磁轴承的双支撑机构。该支撑***主要由回转轴、机械轴承、磁轴承等组成。该***结构与传统的纯机械支撑方式相比具有摩擦小、承载大等优点。适用于航空遥感、目标跟踪等惯性稳定及光电伺服平台框架轴系的支撑。

Description

一种三轴惯性稳定平台框架轴系支撑***

技术领域

本发明属于航空遥感技术领域，涉及三轴惯性稳定平台的横滚和俯仰框轴系的支撑，适用于承载较大而又要求自重较小的航空遥感三轴惯性稳定平台***，也可用于车载、舰载、雷达及目标监视等伺服跟踪稳定平台***。

背景技术

航空遥感三轴惯性稳定平台是机载对地观测的关键设备之一，其功能是支承成像载荷并隔离飞行载体三个方向姿态角运动及外部扰动，使成像载荷视轴在惯性空间内始终跟踪并垂直于当地水平，提高成像分辨率。然而由于航空应用环境的限制，惯性稳定平台结构上需要同时具有体积小、重量轻和承载比大等特点，因此设计上需要在满足动静态性能的前提下进行紧凑性优化设计。框架支撑***是惯性稳定平台的一个关键部分，决定着稳定平台的整体性能，包括精度、承载能力、体积、重量、功耗等。

在航空惯性稳定平台设计中，现有框架回转轴系支撑方式均是运用传统的机械支撑来实现横滚框和俯仰框的摆动，如果要实现较大的承载，需要采取尺寸较大的机械轴承，这就导致了轴系结构整体的尺寸变大，结构复杂。当负载大时，机械轴承支撑摩擦力也相应增大，对平台驱动力矩要求提高，控制难度加大。针对上述不足之处，本发明所提出的轴系支撑***可以有效解决这些问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对航空遥感三轴惯性稳定平台中横滚框和俯仰框轴系现有支撑方式的不足，提出一种承载大、摩擦小、体积小、质量轻、结构简便的三轴惯性稳定平台框架轴系支撑***。

本发明的技术解决方案是：一种三轴惯性稳定平台框架轴系支撑***，由回转轴、轴端螺母、套筒、螺栓、挡圈、机械轴承、外端盖、外端盖螺钉、内端盖螺钉、内端盖、外侧钢环、转子安装环、磁轴承支座、外盖螺钉、定子磁钢、转子磁钢、外盖、定子固定环、转子固定环、转子箍套、定子衬块、衬块螺钉、支座螺钉。定子磁钢、转子磁钢、外侧钢环、定子衬块组成了磁轴承结构；其中框架结构通过本支撑***安装在底座；回转轴一侧外径套有套筒，通过螺栓加轴端螺母安装在底座中，机械轴承内圈一侧顶在回转轴的轴肩处，另一侧通过挡圈固定，机械轴承外圈一侧顶在外端盖，另一侧被内端盖固定，外端盖通过外端盖螺钉安装在框架上，内端盖通过内端盖螺钉紧固在外端盖中，转子安装环过盈装在回转轴，转子磁钢安装在转子安装环上，转子磁钢轴向被转子固定环固定在转子安装环上，径向被转子箍套固定住，定子磁钢则安装在磁轴承支座中，与外侧钢环交错布置，轴向通过定子固定环固定，定子衬块通过衬块螺钉紧固在磁轴承支座中，磁轴承支座通过支座螺钉紧固在框架，外盖通过外盖螺钉安装在磁轴承支座外侧；

机械轴承采用“面对面”安装角接触球轴承，轴向预紧成对安装，刚性大、承载大、精度高、径向尺寸小、结构紧凑。

该磁轴承结构为非对称结构的径向被动磁轴承，且工作方式为吸力型；转子磁钢和定子磁钢间隙固定，恒定出力，起到卸载作用；转子磁钢为一个整环结构，定子磁钢为非整环结构；转子磁钢沿轴向分为五部分，其中径向充磁部分沿径向为分块式，轴向充磁部分沿径向为整体式，不需分块；定子磁钢轴向充磁部分沿径向为整体式，不需分块，径向充磁部分改为导磁性能好的外侧钢环，外侧钢环无需沿径向分块。

回转轴材料为2Cr13，强度较高；外端盖、内端盖、转子安装环、磁轴承支座、定子衬块材料为超硬铝7050，为磁化率较低的非磁性材料，在保证***性能前提下减小重量；定子磁钢、转子磁钢材料为钐钴永磁体，磁化率稳定、磁性能受温度及外磁场影响小；外侧钢环为10号钢，导磁性能较好。

本发明的原理是：在惯性稳定平台中，较大的负载重量使平台各框架轴承承担的压力很大，因此增大了机械轴承的摩擦力，当平台各框架轴进行转动控制负载姿态时，该摩擦力会进一步影响平台控制精度。选用磁轴承对稳定平台框架进行卸载，可以减小横滚框机械轴承所需承担的负载大小，进而可减小轴承旋转时的摩擦力，提高控制指向精度。由于平台负载重力在回转轴的径向方向，而受平台总体体积质量及功耗要求，平台用磁轴承需具有大承载力小体积低功耗的要求，因此采用径向被动磁轴承对平台框架回转轴进行卸载。

采用机械轴承加磁轴承双支撑结构，刚度更高。磁轴承结构起到卸载作用，机械轴承充当了磁轴承的保护轴承，有利于负载能力增加。机械轴承的存在限定了磁轴承间隙的变化，使得传统对称形式的径向被动磁轴承无法对外表现出力的作用。在稳定平台卸载中采用一种非对称结构的径向被动磁轴承。在承重方向将被动磁轴承内环磁钢或外环磁钢设计为非整环结构，则磁钢内环与外环之间的力的作用不再相互抵消，当磁间隙不变时可对外表现出恒定的力的作用。在非对称被动磁轴承中，由于两块磁钢发生斥力型作用时本身具有不稳定性，若采用斥力型被动磁轴承则会产生较大的周向及轴向力的分量，因此在稳定平台回转轴悬浮中采用吸力型不对称被动磁轴承结构。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明的结构是一种全新的结构，具有承载大、摩擦小、体积小、质量轻等特点；实现了三轴惯性稳定平台的横滚框和俯仰框的支撑。

（2）本发明采用了机械轴承加磁轴承双支撑结构，磁轴承起到卸载作用，机械轴承同样充当了磁轴承的保护轴承，大大增加了负载能力。

（3）本发明磁轴承结构由于被动悬浮卸载，减小了轴系转动的摩擦，有利于提高平台控制精度。

（4）本发明的回转轴采用了中空结构，方便螺栓使用，结构简单紧凑，减小了整体重量。

（5）本发明的机械轴承采用“面对面”安装角接触球轴承，轴向预紧成对安装，刚性大、承载大、精度高、径向尺寸小、结构紧凑。

附图说明

图1为本发明的三轴惯性稳定平台框架轴系支撑***结构图；

图2为本发明中的磁轴承结构图，其中a为主视图，b为侧视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明中一种三轴惯性稳定平台框架轴系支持***由回转轴1、轴端螺母2、套筒3、螺栓4、挡圈5、机械轴承6、外端盖7、外端盖螺钉8、内端盖螺钉9、内端盖10、外侧钢环11、转子安装环12、磁轴承支座13、外盖螺钉14、定子磁钢15、转子磁钢16、外盖17、定子固定环18、转子固定环19、转子箍套20、定子衬块21、衬块螺钉22、支座螺钉23；定子磁钢15、转子磁钢16、外侧钢环9、定子衬块21组成了磁轴承结构；其中框架结构102通过本支撑***安装在底座101；回转轴1一侧外径套有套筒3，通过螺栓4加轴端螺母2安装在底座101中，机械轴承6内圈一侧顶在回转轴1的轴肩处，另一侧通过挡圈5固定，机械轴承6外圈一侧顶在外端盖7，另一侧被内端盖10固定，外端盖7通过外端盖螺钉8安装在框架102上，内端盖10通过内端盖螺钉9紧固在外端盖7中，转子安装环12过盈装在回转轴1，转子磁钢16安装在转子安装环12上，转子磁钢16轴向被转子固定环19固定在转子安装环12上，径向被转子箍套20固定住，定子磁钢15则安装在磁轴承支座13中，与外侧钢环11交错布置，轴向通过定子固定环15固定，定子衬块21通过衬块螺钉22紧固在磁轴承支座13中，磁轴承支座13通过支座螺钉23紧固在框架102，外盖17通过外盖螺钉14安装在磁轴承支座13外侧。

如图1所示回转轴1为中空结构，方便螺栓4安装使用，结构紧凑。

如图1所示，机械轴承6采用“面对面”安装角接触球轴承，C级精度，轴向预紧成对安装，刚性大、承载大、精度高、径向尺寸小、结构紧凑。

如图1、2所示，该磁轴承结构为非对称结构的径向被动磁轴承，转子磁钢16为一个整环结构，定子磁钢15为非整环结构；由于两块磁钢发生斥力型作用时本身具有不稳定性，若采用斥力型被动磁轴承则会产生较大的周向及轴向力的分量，因此在稳定平台回转轴悬浮中采用吸力型不对称被动磁轴承结构；由于机械轴承6的固定支撑，转子磁钢16和定子磁钢15间隙固定，恒定出力，起到被动卸载作用；转子磁钢16和定子磁钢15沿轴向分为五部分，采用轴向径向充磁交替放置方式，磁钢沿轴向的一、三、五块为轴向充磁，二、四块为径向充磁，充磁方向如1、2所示；转子磁钢16径向充磁部分沿径向为分块式结构，轴向充磁部分沿径向为整体式结构，不需分块；定子磁钢15轴向充磁部分沿径向为整体式结构，不需分块，径向充磁部分如果按照转子磁钢16分体式然后拼接成所需尺寸的磁环，就大大降低了磁轴承的可靠性，易出现外侧小磁块被吸出的现象，为提高整个磁轴承的机械可靠性，将被动磁轴承定子磁钢15径向充磁部分改为导磁性材料，即外侧钢环11。

如图1、2所示，该磁轴承结构由于转子磁钢16径向充磁部分为分块式结构拼接在一起，安装时需要用胶粘，由于平台长时间工作，持久的吸力会导致转子磁钢16的小块分离，最终定子磁钢15和转子磁钢16吸附在一起，因此，此时设置在转子磁钢16外部的转子箍套20就起到了限制保护作用。

如图1、2所示，该磁轴承结构定子磁钢15和外侧钢环11为非整环结构，在径向有可能会有转动，因此此处设置的定子衬块21并由衬块螺钉22加以定位，就起到了对定子磁钢15和外侧钢环11限位固定作用。

回转轴1材料为2Cr13，强度较高；外端盖7、内端盖10、转子安装环12、磁轴承支座13、定子衬块21材料为超硬铝7050，为磁化率较低的非磁性材料，在保证***性能前提下减小重量；定子磁钢15、转子磁钢16材料为钐钴永磁体，磁化率稳定、磁性能受温度及外磁场影响小；外侧钢环11为10号钢，导磁性能较好。

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。

Claims (5)

1.一种三轴惯性稳定平台框架轴系支撑***，其特征在于：包括回转轴(1)、轴端螺母(2)、套筒(3)、螺栓(4)、挡圈(5)、机械轴承(6)、外端盖(7)、外端盖螺钉(8)、内端盖螺钉(9)、内端盖(10)、外侧钢环(11)、转子安装环(12)、磁轴承支座(13)、外盖螺钉(14)、定子磁钢(15)、转子磁钢(16)、外盖(17)、定子固定环(18)、转子固定环(19)、转子箍套(20)、定子衬块(21)、衬块螺钉(22)和支座螺钉(23)；定子磁钢(15)、转子磁钢(16)、外侧钢环(11)和定子衬块(21)构成磁轴承结构；框架(102)通过所述轴系支撑***安装在底座(101)上；回转轴(1)一侧外径套有套筒(3)，并通过螺栓(4)加轴端螺母(2)安装在底座(101)中；机械轴承(6)内圈一侧顶在回转轴(1)的轴肩处，另一侧通过挡圈(5)固定，机械轴承(6)外圈一侧顶在外端盖(7)，另一侧被内端盖(10)固定，外端盖(7)通过外端盖螺钉(8)安装在框架(102)上，内端盖(10)通过内端盖螺钉(9)紧固在外端盖(7)中，转子安装环(12)过盈装在回转轴(1)，转子磁钢(16)安装在转子安装环(12)上，转子磁钢(16)轴向被转子固定环(19)固定在转子安装环(12)上，径向被转子箍套(20)固定住，定子磁钢(15)则安装在磁轴承支座(13)中，与外侧钢环(11)交错布置，轴向通过定子固定环(15)固定，定子衬块(21)通过衬块螺钉(22)紧固在磁轴承支座(13)中，磁轴承支座(13)通过支座螺钉(23)紧固在框架(102)，外盖(17)通过外盖螺钉(14)安装在磁轴承支座(13)外侧。

2.根据权利要求1中所述的一种三轴惯性稳定平台框架轴系支撑***，其特征在于：所述回转轴(1)为中空结构，方便螺栓(4)安装使用，结构紧凑。

3.根据权利要求1中所述的一种三轴惯性稳定平台框架轴系支撑***，其特征在于：所述机械轴承(6)为“面对面”双列角接触球轴承方式，C级精度，安装时沿轴承轴向预紧，成对安装使用。

4.根据权利要求1中所述的一种三轴惯性稳定平台框架轴系支撑***，其特征在于：所述磁轴承结构为非对称结构的径向被动磁轴承，且工作方式为吸力型；其中转子磁钢(16)和定子磁钢(15)间隙固定，恒定出力，起到被动卸载作用；转子磁钢(16)为一个整环结构，定子磁钢(15)为非整环结构；转子磁钢(16)沿轴向分为五部分，其中径向充磁部分沿径向为分块式，轴向充磁部分沿径向为整体式，不需分块；定子磁钢(15)轴向充磁部分沿径向为整体式，不需分块，径向充磁部分为外侧钢环(11)，外侧钢环(11)无需沿径向分块。

5.根据权利要求1中所述的一种三轴惯性稳定平台框架轴系支撑***，其特征在于：所述回转轴(1)材料为2Cr13；外端盖(7)、内端盖(10)、转子安装环(12)、磁轴承支座(13)和定子衬块(21)材料为超硬铝7050；定子磁钢(15)、转子磁钢(16)材料为钐钴永磁体，外侧钢环(11)为10号钢。