CN109322973B - 一种五自由度磁悬浮飞轮 - Google Patents

Abstract

一种五自由度磁悬浮飞轮，可作为卫星、对地观测平台、空间望远镜等航天器的姿态控制执行机构，由磁轴承、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、下传感器检测环和壳体组成。五自由度磁悬浮飞轮中的径向磁轴承控制飞轮转子的两个径向平动，轴向磁轴承控制飞轮转子的轴向平动与两个径向偏转运动。本发明各个组件布局紧凑，减小了体积和重量，消除了机械轴承飞轮的转速过零摩擦力和机械磨损，提高了飞轮的输出力矩和控制精度。

Description

一种五自由度磁悬浮飞轮

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮飞轮，特别是一种五自由度可输出大偏转力矩的磁悬浮飞轮，可作为卫星、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。

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***执行机构的飞轮，一般仍旧采用机械轴承支承，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。现有的基于磁轴承支承的磁悬浮飞轮，按照悬浮自由度的划分，可分为单自由度磁悬浮飞轮～五自由度磁悬浮飞轮，现有的五自由度飞轮结构，通常是采用两个径向磁轴承提供两个径向平动以及两个径向偏转运动，采用轴向磁轴承提供一个轴向平动运动，在需要飞轮输出大偏转力矩时，通常是通过增加两个径向磁轴承跨距输出足够力矩，这会使得芯轴较长，模态降低，限制了转速提升，加剧了振动。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种五自由度磁悬浮飞轮，实现大偏转力矩输出，以减小自身体积和重量。

本发明的技术解决方案为：一种五自由度磁悬浮飞轮，由径向磁轴承(1)、上轴向磁轴承(2)、下轴向磁轴承(3)、高速电机(4)、径轴一体化传感器(5)、径向传感器(6)、上保护轴承(7)、下保护轴承(8)、芯轴(9)、轮体(10)、底座(11)、上轴向推力盘(12)、下轴向推力盘(13)、壳体(14)组成，其中芯轴(9)位于壳体(14)的中心，径向磁轴承(1)的定子部分套放在芯轴(9)上，径向磁轴承(1)定子部分的上端是上轴向磁轴承(2)，上轴向磁轴承(2)由八个轴向磁轴承定子单元组成，上轴向磁轴承(2)的上端是上保护轴承(7)，上轴向磁轴承(2)和上保护轴承(7)均固定在芯轴(9)上，上保护轴承(7)的径向外侧是上轴向推力盘(12)，上保护轴承(7)与上轴向推力盘(12)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，上轴向推力盘(12)径向外侧是径轴一体化传感器(5)，其中上轴向推力盘(12)与径轴一体化传感器(5)的径向探头之间形成径向探测间隙，上轴向推力盘(12)与径轴一体化传感器(5)的轴向探头之间形成轴向探测间隙，径轴一体化传感器(5)通过传感器座与芯轴(9)固连；径向磁轴承(1)定子的下端是下轴向磁轴承(3)，下轴向磁轴承(3)由八个轴向磁轴承定子单元组成，下轴向磁轴承(3)的下端为下轴向推力盘(13)，下轴向推力盘(13)的下端为下保护轴承(8)，下轴向磁轴承(3)和下保护轴承(8)也固定在芯轴(9)上，下保护轴承(8)和下轴向推力盘(13)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，下轴向推力盘(13)的径向外侧是径向传感器(6)，下轴向推力盘(13)与径向传感器(6)的探头部分之间形成径向探测间隙，径向传感器(6)通过传感器座与底座(11)固连，底座(11)通过连接板固定高速电机(4)定子部分，高速电机(4)定子的外侧为外转子铁心，内侧为内转子铁心，外转子铁心和内转子铁心均安装在轮体(10)的下部，高速电机(4)的定子分别与内转子铁心和外转子铁心之间形成内侧磁间隙和外侧磁间隙，轮体(10)内侧固连径向磁轴承(1)的转子部分，两者采用过盈配合，轮体(10)的外部是壳体(14)，壳体(14)与底座(11)通过螺钉连接将轮体密封。

所述的径向磁轴承(1)由定子导磁环(101)、定子永磁体(102)、定子铁心(103)、线圈(104)、转子导磁环(105)、转子铁心(106)、气隙(107)组成，其中每个定子铁心(103)由±X、±Y方向4个磁极组成，两个定子铁心(103)组成磁轴承上下两端8个磁极，每个定子铁心(103)的磁极上绕制有线圈(104)，定子铁心(103)外部为转子铁心(106)，转子铁心(106)内表面与定子铁心(103)外表面留有一定的间隙，形成气隙(107)，转子铁心(106)外部为转子导磁体(105)，定子铁心(103)的径向内部为定子导磁环(101)，上下定子导磁环(101)中间是定子永磁体(102)。

所述的上轴向磁轴承(2)由八个轴向磁轴承定子单元组成，轴向磁轴承定子单元呈“E”字型，由三个定子磁极构成，内侧磁极是凸出的第一定子磁极，中间磁极是凹陷的第二定子磁极，外侧磁极是凸出的第三定子磁极，分别与上轴向推力盘(12)的“山”字型结构的内侧凹陷，中部凸起，外侧凹陷形成内侧气隙，中部气隙，外侧气隙。八个轴向磁轴承定子单元分别沿±X、±Y、±45°与±135°方向布置，其中±X、±Y方向放置的定子单元第一定子磁极缠绕内线圈(112)，第三定子磁极缠绕外线圈(113)，沿±45°与±135°分布的定子单元在第二定子磁极缠绕中线圈(111)。

所述的下轴向磁轴承(3)与所述的上轴向磁轴承(2)具有相同结构，与所述的上轴向磁轴承(2)对称放置。

所述的径轴一体化传感器(5)具有4个正交放置的径向探头，完成轮体(10)的两个径向平动广义位移的检测。具有4个正交放置的轴向探头，完成轮体(10)的轴向平动、绕X轴径向转动和绕Y轴径向转动三个广义位移的检测。

上述方案的原理是：通过控制五自由度磁悬浮飞轮中径向磁轴承和上下轴向磁轴承的线圈电流完成飞轮转子的一个轴向平动，两个径向平动和两个径向偏转共五个自由度的控制，保持飞轮的旋转部分与飞轮静止部分间隙均匀；通过控制轴向磁轴承电流实现飞轮偏转力矩的输出。其中径向磁轴承的控制原理为：飞轮转子***所用径向磁轴承通过控制两组定子铁心磁极缠绕线圈电流的大小和通电方向，实现对磁轴承径向平动的控制。定子永磁体产生永磁偏置磁场，线圈电流产生电磁场与永磁偏置磁场相叠加，通过调节线圈电流改变每极下磁场的强度，从而改变电磁力大小维持定子与转子间气隙均匀，使转子无接触稳定悬浮。其永磁磁路为：磁通从定子永磁体N极出发，经过上部定子导磁环，上定子铁心，上端气隙，上端转子铁心，转子导磁体，下端转子铁心，下端气隙，下端定子铁心，下部定子导磁环，回到定子永磁体的S极构成闭合回路，如附图2所示。电磁磁路为(以Y+方向为例)：磁通从线圈中心，即定子铁心出发，经过气隙，转子铁心，另外三个方向的气隙，回到定子铁心构成闭合回路，如附图3所示。例如当高速转子发生沿Y+方向平动时，Y+方向定子线圈通入控制电流产生与永磁体偏置磁场方向相同的磁场，增强电磁力，Y－方向的定子线圈通入控制电流产生与永磁体偏置磁场方向相反的磁场，削弱电磁力，使得转子向Y-方向移动，回到平衡位置。

轴向磁轴承的控制原理为：上轴向磁轴承和下轴向磁轴承的轴向磁轴承定子单元缠绕的所有线圈首先通入偏置电流产生偏置磁场，当转子发生轴向平动或径向偏转时，线圈中通入控制电流改变电磁力使得转子恢复平衡。其中沿±45°和±135°方向的轴向磁轴承定子单元控制转子轴向平动，沿±X，±Y方向放置的轴向磁轴承定子单元控制转子沿径向上的偏转运动。上轴向磁轴承沿±45°和±135°方向的轴向磁轴承定子单元构成的电磁磁路为：从“E”字型定子中间的第二定子磁极出发，经过上端中部气隙，上轴向推力盘的“山”字型结构中间的凸出部分，再经过“山”字型两侧的凹陷部分，上端气隙，回到“E”字型定子两侧的第一定子磁极和第三定子磁极，再回到线圈中心即“E”字型定子中间的第二定子磁极，构成闭合回路，如附图5a所示。下轴向磁轴承沿±45°和±135°方向轴向磁轴承定子单元构成的磁路与上轴向磁轴承沿±45°和±135°方向的轴向磁轴承定子单元构成的磁路相同，如附图5b所示。当转子发生径向偏转时，上轴向磁轴承沿±X，±Y方向放置的轴向磁轴承定子单元，与下轴向磁轴承沿±X，±Y方向放置的轴向磁轴承定子单元组合使用，通过外线圈电流和内线圈电流产生磁场，独立改变各个线圈的电流值改变电磁力实现转子的径向偏转运动。内线圈产生的电磁磁路为：第一部分从内线圈中心即“E”字型定子内侧的凸出磁极即第一定子磁极中心出发，经过内侧上端气隙，上轴向推力盘的“山”字型内侧的凹陷部分，再经过“山”字型中间的凸出部分，中部上端气隙，回到“E”字型定子中部的凹陷磁极即第二定子磁极，再回到内线圈中心，构成闭合回路。第二部分从内线圈中心即“E”字型定子内侧的凸出磁极即第一定子磁极中心出发，经过内侧上端气隙，上轴向推力盘的“山”字型内侧的凹陷部分，再经过“山”字型外侧的凹陷部分，外侧上端气隙，回到“E”字型定子外侧的凸出磁极即第三定子磁极，再回到内线圈中心，构成闭合回路，如附图6a所示。下轴向磁轴承沿±X，±Y方向的轴向磁轴承定子单元构成的磁路与上轴向磁轴承沿±X，±Y方向的轴向磁轴承定子单元构成的磁路相同，如附图6b所示。外线圈产生的电磁磁路为：第一部分从外线圈中心即“E”字型定子外侧的凸出磁极即第三定子磁极出发，经过“E”字型定子中部的凹陷磁极即第二定子磁极，上端中部气隙，上轴向推力盘的“山”字型中部的凸出部分，再经过“山”字型外侧的凹陷部分，上端外侧气隙，回到“E”字型定子外侧的凸出磁极即第三定子磁极，再回到外线圈中心，构成闭合回路，第二部分从外线圈中心即“E”字型定子外侧的凸出磁极即第三定子磁极出发，经过“E”字型定子内侧的凸出磁极即第一定子磁极，经过上端内侧气隙，上轴向推力盘的“山”字型内侧的凹陷部分，再经过“山”字型外侧的凹陷部分，上端外侧气隙，回到“E”字型定子外侧的凸出磁极即第三定子磁极，再回到外线圈中心，构成闭合回路，如附图7a所示。下轴向磁轴承沿±X，±Y方向的轴向磁轴承定子单元构成的磁路与上轴向磁轴承沿±X，±Y方向的轴向磁轴承定子单元构成的磁路相同，如附图7b所示。当内外线圈同时工作时，磁路由内外线圈产生的磁通共同形成，内外线圈产生的磁通在外侧气隙和内侧气隙处方向相同，相互叠加，在中部气隙处方向相反，相互抵消。通常情况下，第三定子磁极绕制的外线圈与第一定子磁极绕制的内线圈通入的偏置电流大小相同，方向相反，以产生相同方向的磁场；设计时通常要使第三定子磁极绕制的外线圈匝数大于第一定子磁极绕制的内线圈匝数，这样可使内外线圈同时工作时在中部气隙处产生的磁通经相互抵消后的方向与外线圈单独作用时的磁通方向相同，所以内外线圈同时工作时的磁路图与外线圈单独工作时相同，上轴向磁轴承沿±X，±Y方向的轴向磁轴承定子单元构成的磁路如附图7a所示，下轴向磁轴承沿±X，±Y方向的轴向磁轴承定子单元构成的磁路如附图7b所示，但各气隙间磁通大小与外线圈单独作用时不同。

例如，当转子沿X轴正方向发生小角度(0°～0.8°)偏转时，上端Y+方向磁间隙减小，Y-方向磁间隙增大，下端Y+方向磁间隙增大，Y-方向磁间隙减小，上轴向磁轴承沿Y+方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极绕制的内线圈通入与偏置电流方向相反的控制电流，使得电磁力减小，沿Y-方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极绕制的内线圈通入与偏置电流方向相同的控制电流，使得电磁力增大，下轴向磁轴承沿Y+方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极绕制的内线圈通入与偏置电流方向相同的控制电流，使得电磁力增大，沿Y-方向放置的轴向磁轴承定子单元的第一定子磁极绕制的内线圈通入与偏置电流方向相反的控制电流，使得电磁力减小，从而产生于沿X轴负方向的力矩，使得转子平衡；当转子沿X轴正方向偏转较大角度(0.8°～2°)时，上轴向磁轴承沿Y+方向放置的轴向磁轴承定子单元的第三定子磁极绕制的外线圈通入与偏置电流方向相反的控制电流，使得电磁力减小，沿Y-方向放置的轴向磁轴承定子单元的第三定子磁极绕制的外线圈通入与偏置电流方向相同的控制电流，使得电磁力增大，下轴向磁轴承沿Y+方向放置的轴向磁轴承定子单元的第三定子磁极绕制的外线圈通入与偏置电流方向相同的控制电流，使得电磁力增大，沿Y-方向放置的轴向磁轴承定子单元的第三定子磁极绕制的外线圈通入与偏置电流方向相反的控制电流，使得电磁力减小，从而产生于沿X轴负方向的力矩，使得转子平衡；当转子发生沿Y方向偏转时，作用原理与发生X方向偏转时类似。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用径向磁轴承和轴向磁轴承共同实现磁悬浮飞轮一个轴向平动，两个径向平动以及两个径向偏转的控制；本发明所述的轴向磁轴承具有“E”字型定子结构，设计有三个磁极，提高了线圈的利用空间以及利用率，提高了轴承的承载能力以及偏转控制的能力；本发明所述的八组“E”字型定子，其中四组沿±X方向和±Y方向放置的“E”字型定子实现转子组件的两个径向偏转控制，另外四组沿±45°和±135°方向放置的“E”字型定子专门用以实现轴向平动控制，可以大幅降低磁轴承结构的体积和重量。另外，本发明的上保护轴承和下保护轴承大小不同，便于磁悬浮飞轮内部轮体的拆卸。

附图说明

图1为本发明的五自由度磁悬浮飞轮示意图；

图2为本发明的径向磁轴承轴向截面图；

图3为本发明的径向磁轴承端面图；

图4为本发明的轴向磁轴承三维结构图；

图5为本发明控制轴向平动轴向磁轴承磁路图；图5a为上轴向磁轴承沿±45°和±135°方向的轴向磁轴承定子单元构成的电磁磁路，图5b为下轴向磁轴承沿±45°和±135°方向的轴向磁轴承定子单元构成的电磁磁路。

图6为本发明控制径向转动轴向磁轴承内线圈产生磁路图；图6a为上轴向磁轴承沿±X，±Y方向放置的轴向磁轴承定子单元内线圈产生的电磁磁路，图6b为下轴向磁轴承沿±X，±Y方向放置的轴向磁轴承定子单元内线圈产生的电磁磁路。

图7为本发明控制径向转动轴向磁轴承外线圈产生磁路图及内外线圈同时工作产生磁路图；图7a为上轴向磁轴承沿±X，±Y方向放置的轴向磁轴承定子单元外线圈单独工作及内外线圈同时工作产生的电磁磁路，图7b为下轴向磁轴承沿±X，±Y方向放置的轴向磁轴承定子单元外线圈单独工作及内外线圈同时工作产生的电磁磁路。

图8为本发明的五自由度磁悬浮飞轮中高速电机结构图；

图9为本发明的五自由度磁悬浮飞轮的径轴一体化传感器结构图；

具体实施方式

如图1所示，一种五自由度磁悬浮飞轮，由径向磁轴承(1)、上轴向磁轴承(2)、下轴向磁轴承(3)、高速电机(4)、径轴一体化传感器(5)、径向传感器(6)、上保护轴承(7)、下保护轴承(8)、芯轴(9)、轮体(10)、底座(11)、上轴向推力盘(12)、下轴向推力盘(13)、壳体(14)组成，其中芯轴(9)位于陀螺房的中心，径向磁轴承(1)的定子部分套放在芯轴(9)上，径向磁轴承(1)定子部分的上端是上轴向磁轴承(2)，上轴向磁轴承(2)由八个轴向磁轴承定子单元组成，上轴向磁轴承(2)的上端是上保护轴承(7)，上轴向磁轴承(2)和上保护轴承(7)均固定在芯轴(9)上，上保护轴承(7)的径向外侧是上轴向推力盘(12)，上保护轴承(7)与上轴向推力盘(12)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，上轴向推力盘(12)径向外侧是径轴一体化传感器(5)，其中上轴向推力盘(12)与径轴一体化传感器(5)的径向探头之间形成径向探测间隙，上轴向推力盘(12)与径轴一体化传感器(5)的轴向探头之间形成轴向探测间隙，径轴一体化传感器(5)通过传感器座与芯轴(9)固连；径向磁轴承(1)定子的下端是下轴向磁轴承(3)，下轴向磁轴承(3)由八个轴向磁轴承定子单元组成，下轴向磁轴承(3)的下端为下轴向推力盘(13)，下轴向推力盘(13)的下端为下保护轴承(8)，下轴向磁轴承(3)和下保护轴承(8)也固定在芯轴(9)上，下保护轴承(8)和下轴向推力盘(13)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，下轴向推力盘(13)的径向外侧是径向传感器(6)，下轴向推力盘(13)与径向传感器(6)的探头部分之间形成径向探测间隙，径向传感器(6)通过传感器座与底座(11)固连，底座(11)通过连接板固定高速电机(4)定子部分，高速电机(4)定子的外侧为外转子铁心，内侧为内转子铁心，外转子铁心和内转子铁心均安装在轮体(10)的下部，高速电机(4)的定子分别与内转子铁心和外转子铁心之间形成内侧磁间隙和外侧磁间隙，轮体(10)内侧固连径向磁轴承(1)的转子部分，两者采用过盈配合，轮体(10)的外部是壳体(14)，壳体(14)与底座(11)通过螺钉连接将轮体密封。

如图2和图3所示，所述的径向磁轴承(1)由定子导磁环(101)、定子永磁体(102)、定子铁心(103)、线圈(104)、转子导磁环(105)、转子铁心(106)、气隙(107)组成，其中每个定子铁心(103)由±X、±Y方向4个磁极组成，两个定子铁心(103)组成磁轴承上下两端8个磁极，每个定子铁心(103)的磁极上绕制有线圈(104)，定子铁心(103)外部为转子铁心(106)，转子铁心(106)内表面与定子铁心(103)外表面留有一定的间隙，形成气隙(107)，转子铁心(106)外部为转子导磁体(105)，定子铁心(103)的径向内部为定子导磁环(101)，上下定子导磁环(101)中间是定子永磁体(102)。

如图4所示，所述的上轴向磁轴承(2)由八个轴向磁轴承定子单元组成，轴向磁轴承定子单元呈“E”字型，由三个定子磁极构成，内侧磁极是凸出的第一定子磁极，中间磁极是凹陷的第二定子磁极，外侧磁极是凸出的第三定子磁极，分别与上轴向推力盘(12)的“山”字型结构的内侧凹陷，中部凸起，外侧凹陷形成内侧气隙，中部气隙，外侧气隙。八个轴向磁轴承定子单元分别沿±X、±Y、±45°与±135°方向布置，其中±X、±Y方向放置的定子单元第一定子磁极缠绕内线圈(112)，第三定子磁极缠绕外线圈(113)，沿±45°与±135°分布的定子单元在第二定子磁极缠绕中线圈(111)。

所述的下轴向磁轴承(3)与所述的上轴向磁轴承(2)具有相同结构，与所述的上轴向磁轴承(2)对称放置。

所述的径轴一体化传感器(5)具有4个正交放置的径向探头，完成轮体(10)的两个径向平动广义位移的检测。具有4个正交放置的轴向探头，完成轮体(10)的轴向平动、绕X轴径向转动和绕Y轴径向转动三个广义位移的检测。

上述本发明技术方案所用的定子导磁环(101)、转子导磁环(105)、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(103)、转子铁心(106)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。定子永磁体(102)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，定子永磁体(102)为轴向圆环，沿轴向充磁。中线圈(111)、内线圈(112)、外线圈(113)和线圈(104)均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。

本实施例中，所述的飞轮转子质量为3.3kg，总体质量为6.5kg，壳体与底座所包围体积为472000mm³，本发明所述轴向磁轴承的具体实施结构尺寸为：第一定子磁极内径63.8mm，第一定子磁极外径68.8mm，第二定子磁极内径76.2mm，第二定子磁极外径81.2mm，第三定子磁极内径88.6mm，第三定子磁极外径93.6mm。定子磁极输出力矩的力臂为磁极中心到定子圆心的距离，第一定子磁极输出力矩的力臂为36mm，第二定子磁极输出力矩的力臂为39.2mm，第三定子磁极输出力矩的力臂为45mm。上端内侧磁间隙，上端中部磁间隙和上端外侧磁间隙均为0.4mm，下端内侧磁间隙，下端中部磁间隙和下端外侧磁间隙均为0.4mm，沿±45°和±135°方向放置的轴向磁轴承定子单元中线圈匝数100匝，线圈的线径为0.25mm，偏置电流0.4A；沿±X，±Y方向放置的轴向磁轴承定子单元内线圈匝数100匝，线圈的线径为0.25mm，偏置电流0.4A，外线圈匝数120匝，线圈的线径为0.25mm，偏置电流0.4A。所述飞轮中用到的径向磁轴承的具体实施结构尺寸为：定子铁心内径62.6mm，定子铁心外径78mm，定子铁心轴向长度30mm，转子铁心内径78.8mm，转子铁心外径95.6mm，转子铁心轴向长度32mm，定转子之间气隙为0.4mm，径向磁轴承上端磁极和下端磁极之间跨距为26mm。对于传统五自由度磁悬浮控制力矩陀螺结构，是由两个径向磁轴承(结构形式与附图3所示相同)配合工作输出力矩，具体实施尺寸为：定子铁心内径78mm，定子铁心外径98mm，转子铁心内径98.8mm，转子铁心外径124mm，转子铁芯轴向长度为40mm，转子铁芯轴向长度为42mm，定转子之间气隙为0.4mm，两个径向磁轴承之间跨距为36mm，线圈绕至在径向磁轴承定子磁极上，线圈体积与轴承所占空间的比值为12％，本发明所述结构的轴向磁轴承定子单元存在三个磁极，沿±X，±Y方向的轴向磁轴承定子单元分别在第一定子磁极和第三定子磁极上绕制线圈，线圈体积与轴承所占总空间的比值为32％，本发明所述结构提高了空间利用率。当转子绕Y轴偏转0.5°时，本发明所述结构X+方向和X-方向的轴向磁轴承定子单元共产生Y轴负方向0.9N·m力矩维持转子平衡，相同条件下，当壳体与底座所包围体积相同时，传统五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺结构采用两个径向磁轴承控制偏转，产生0.56N·m力矩，本发明所述结构相较传统结构转子受到电磁力矩增加1.6倍；当转子绕Y轴偏转转子偏转1.6°时，本发明所述结构X+方向和X-方向的轴向磁轴承定子单元共产生Y轴负方向2.6N·m力矩维持转子平衡，相同条件下，当壳体与底座所包围体积相同时，传统五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺结构采用两个径向磁轴承控制偏转，产生1.26N·m力矩，本发明所述结构相较传统结构转子受到电磁力矩增加2.05倍。

图8为本发明的高速电机(4)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(11)固连。

图9为本发明的径轴一体化传感器(5)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±X，±Y方向均匀放置，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±X，±Y方向均匀放置，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。

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 (3)

1.一种五自由度磁悬浮飞轮，其特征在于：由径向磁轴承(1)、上轴向磁轴承(2)、下轴向磁轴承(3)、高速电机(4)、径轴一体化传感器(5)、径向传感器(6)、上保护轴承(7)、下保护轴承(8)、芯轴(9)、轮体(10)、底座(11)、上轴向推力盘(12)、下轴向推力盘(13)、壳体(14)组成，其中芯轴(9)位于壳体(14)的中心，径向磁轴承(1)的定子部分套放在芯轴(9)上，径向磁轴承(1)定子部分的上端是上轴向磁轴承(2)，上轴向磁轴承(2)由八个轴向磁轴承定子单元组成，每个轴向磁轴承定子单元呈“E”字型，上轴向磁轴承(2)的上端是上保护轴承(7)，上轴向磁轴承(2)和上保护轴承(7)均固定在芯轴(9)上，上保护轴承(7)的径向外侧是上轴向推力盘(12)，上轴向推力盘(12)上存在“山”字型凹槽，上保护轴承(7)与上轴向推力盘(12)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，上轴向推力盘(12)径向外侧是径轴一体化传感器(5)，其中上轴向推力盘(12)与径轴一体化传感器(5)的径向探头之间形成径向探测间隙，上轴向推力盘(12)与径轴一体化传感器(5)的轴向探头之间形成轴向探测间隙，径轴一体化传感器(5)通过传感器座与芯轴(9)固连；径向磁轴承(1)定子的下端是下轴向磁轴承(3)，下轴向磁轴承(3)由八个轴向磁轴承定子单元组成，每个轴向磁轴承定子单元呈“E”字型，下轴向磁轴承(3)的下端为下轴向推力盘(13)，下轴向推力盘(13)上存在“山”字型凹槽，下轴向推力盘(13)的下端为下保护轴承(8)，下轴向磁轴承(3)和下保护轴承(8)也固定在芯轴(9)上，下保护轴承(8)和下轴向推力盘(13)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，下轴向推力盘(13)的径向外侧是径向传感器(6)，下轴向推力盘(13)与径向传感器(6)的探头部分之间形成径向探测间隙，径向传感器(6)通过传感器座与底座(11)固连，底座(11)通过连接板固定高速电机(4)定子部分，高速电机(4)定子的外侧为外转子铁心，内侧为内转子铁心，外转子铁心和内转子铁心均安装在轮体(10)的下部，高速电机(4)的定子分别与内转子铁心和外转子铁心之间形成内侧磁间隙和外侧磁间隙，轮体(10)内侧固连径向磁轴承(1)的转子部分，两者采用过盈配合，轮体(10)的外部是壳体(14)，壳体(14)与底座(11)通过螺钉连接将轮体密封；

所述的轴向磁轴承定子单元由三个定子磁极构成，内侧磁极是凸出的第一定子磁极，中间磁极是凹陷的第二定子磁极，外侧磁极是凸出的第三定子磁极，分别与上轴向推力盘(12)的“山”字型结构的内侧凹陷，中部凸起，外侧凹陷形成内侧气隙，中部气隙，外侧气隙；八个轴向磁轴承定子单元分别沿±X、±Y、±45°与±135°方向布置，其中±X、±Y方向放置的定子单元第一定子磁极缠绕内线圈(112)、第三定子磁极缠绕外线圈(113)，沿±45°与±135°分布的定子单元在第二定子磁极缠绕中线圈(111)；

所述的下轴向磁轴承(3)与所述的上轴向磁轴承(2)具有相同结构，与所述的上轴向磁轴承(2)对称放置。

2.根据权利要求1所述的五自由度磁悬浮飞轮，其特征在于：所述的径向磁轴承(1)由定子导磁环(101)、定子永磁体(102)、定子铁心(103)、线圈(104)、转子导磁环(105)、转子铁心(106)、气隙(107)组成，其中每个定子铁心(103)由±X、±Y方向4个磁极组成，两个定子铁心(103)组成磁轴承上下两端8个磁极，每个定子铁心(103)的磁极上绕制有线圈(104)，定子铁心(103)外部为转子铁心(106)，转子铁心(106)内表面与定子铁心(103)外表面留有一定的间隙，形成气隙(107)，转子铁心(106)外部为转子导磁体(105)，定子铁心(103)的径向内部为定子导磁环(101)，上下定子导磁环(101)中间是定子永磁体(102)。

3.根据权利要求1所述的五自由度磁悬浮飞轮，其特征在于：所述的径轴一体化传感器(5)具有4个正交放置的径向探头，完成轮体(10)的两个径向平动广义位移的检测；具有4个正交放置的轴向探头，完成轮体(10)的轴向平动、绕X轴径向转动和绕Y轴径向转动三个广义位移的检测。

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