一種磁懸浮控制敏感陀螺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種磁懸浮控制敏感陀螺，集成控制力矩陀螺的姿態(tài)控制功能和角速率敏感器的姿態(tài)測(cè)量功能，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)檢控一體，采用定子旋轉(zhuǎn)調(diào)制和轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)消除陀螺漂移誤差，從而提高陀螺敏感精度，適用于新一代高精度長(zhǎng)壽命對(duì)地觀(guān)測(cè)平臺(tái)、運(yùn)載火箭以及彈道導(dǎo)彈的姿態(tài)控制系統(tǒng)。
技術(shù)背景
[0002]慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由于其完全自主式導(dǎo)航等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于運(yùn)載火箭、彈道導(dǎo)彈、航天器等各類(lèi)飛行器的姿態(tài)控制系統(tǒng)。慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)和慣性敏感器是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心器件，以控制力矩陀螺為代表的慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)和以陀螺儀為代表的慣性敏感器分別負(fù)責(zé)平臺(tái)姿態(tài)的控制和檢測(cè)功能，二者之間的木桶效應(yīng)制約著慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度的提升。
[0003]磁懸浮控制敏感陀螺集成控制力矩陀螺的姿態(tài)控制功能和角速率敏感器的姿態(tài)測(cè)量功能，與現(xiàn)有的磁懸浮控制力矩陀螺或磁懸浮速率陀螺相比，磁懸浮控制敏感陀螺的最大特點(diǎn)是，它的定子可以旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子可以偏轉(zhuǎn)。其內(nèi)涵具體體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:在控制功能方面，傳統(tǒng)控制力矩陀螺的轉(zhuǎn)子，是不能偏轉(zhuǎn)的，通過(guò)磁懸浮控制敏感陀螺轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)，提高了控制力矩的精度和帶寬。在檢測(cè)功能方面，現(xiàn)在星上用的三浮陀螺的定子，是不能旋轉(zhuǎn)的，通過(guò)磁懸浮控制敏感陀螺定子的旋轉(zhuǎn)，提高了角速率的精度和帶寬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是:克服現(xiàn)有控制力矩陀螺和角速率敏感器之間的異位問(wèn)題，提出了一種磁懸浮控制敏感陀螺，實(shí)現(xiàn)了控制力矩陀螺的姿態(tài)控制功能和角速率敏感器的姿態(tài)測(cè)量功能的一體化。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種磁懸浮控制敏感陀螺主要由定子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)以及旋轉(zhuǎn)調(diào)制系統(tǒng)三部分組成，其特征在于，定子系統(tǒng)主要包括:底座、芯軸、電機(jī)定子和軸向磁軸承定子安裝盤(pán)、上保護(hù)軸承、下保護(hù)軸承、徑向磁軸承定子、鍵、保護(hù)軸承鎖母、軸向磁軸承定子、電機(jī)定子、位移傳感器、密封蓋；旋轉(zhuǎn)調(diào)制系統(tǒng)主要包括:旋轉(zhuǎn)調(diào)制組件、偏轉(zhuǎn)磁軸承定子；轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要包括:飛輪輪體、上保護(hù)軸承蓋、下保護(hù)軸承蓋、徑向磁軸承轉(zhuǎn)子、軸向磁軸承轉(zhuǎn)子、電機(jī)轉(zhuǎn)子、偏轉(zhuǎn)磁軸承轉(zhuǎn)子、徑向磁軸承轉(zhuǎn)子鎖母、軸向磁軸承內(nèi)轉(zhuǎn)子鎖母、軸向磁軸承外轉(zhuǎn)子鎖母、電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子鎖母、電機(jī)外轉(zhuǎn)子鎖母、偏轉(zhuǎn)磁軸承內(nèi)轉(zhuǎn)子鎖母、偏轉(zhuǎn)磁軸承外轉(zhuǎn)子鎖母；磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和磁懸浮定子系統(tǒng)之間通過(guò)徑向磁軸承、軸向磁軸承、偏轉(zhuǎn)磁軸承實(shí)現(xiàn)非機(jī)械接觸的穩(wěn)定懸浮，偏轉(zhuǎn)磁軸承定子通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)制組件實(shí)現(xiàn)定子旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)調(diào)制組件位于底座上部徑向內(nèi)側(cè)和芯軸徑向外側(cè)，并通過(guò)緊固螺釘安裝在底座上，偏轉(zhuǎn)磁軸承定子位于旋轉(zhuǎn)調(diào)制組件上部并通過(guò)緊固螺釘安裝在旋轉(zhuǎn)調(diào)制組件上；芯軸位于底座上部徑向內(nèi)側(cè)，并通過(guò)緊固螺釘安裝在底座上，芯軸位于上保護(hù)軸承、下保護(hù)軸承、徑向磁軸承定子和保護(hù)軸承鎖母徑向內(nèi)側(cè)，電機(jī)定子和軸向磁軸承定子安裝盤(pán)位于旋轉(zhuǎn)調(diào)制組件上部和芯軸中部徑向外側(cè)，并通過(guò)緊固螺釘安裝在芯軸上，徑向磁軸承定子位于上保護(hù)軸承和下保護(hù)軸承之間，通過(guò)鍵與芯軸相連，并防止徑向磁軸承定子繞芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)，上保護(hù)軸承、下保護(hù)軸承和徑向磁軸承定子通過(guò)保護(hù)軸承鎖母安裝在芯軸上，軸向磁軸承定子位于徑向磁軸承定子徑向外側(cè)，并通過(guò)緊固螺釘安裝在電機(jī)定子和軸向磁軸承定子安裝盤(pán)上，電機(jī)定子位于軸向磁軸承定子徑向外側(cè)，并通過(guò)緊固螺釘安裝在電機(jī)定子和軸向磁軸承定子安裝盤(pán)上，位移傳感器位于底座上部和旋轉(zhuǎn)調(diào)制組件徑向外側(cè)，并通過(guò)緊固螺釘安裝在底座上，密封蓋位于芯軸和底座上部，并通過(guò)過(guò)盈配合安裝在芯軸和底座上；徑向磁軸承轉(zhuǎn)子位于徑向磁軸承定子徑向外側(cè)，并通過(guò)徑向磁軸承轉(zhuǎn)子鎖母安裝在飛輪輪體上，軸向磁軸承內(nèi)轉(zhuǎn)子位于軸向磁軸承定子徑向內(nèi)側(cè)，并通過(guò)軸向磁軸承內(nèi)轉(zhuǎn)子鎖母安裝在飛輪輪體上，軸向磁軸承外轉(zhuǎn)子位于軸向磁軸承定子徑向外側(cè)，并通過(guò)軸向磁軸承內(nèi)轉(zhuǎn)子鎖母安裝在飛輪輪體上，電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子位于電機(jī)定子徑向內(nèi)側(cè)，并通過(guò)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子鎖母安裝在飛輪輪體上，電機(jī)外轉(zhuǎn)子位于電機(jī)定子徑向外側(cè)，并通過(guò)電機(jī)外轉(zhuǎn)子鎖母安裝在飛輪輪體上，偏轉(zhuǎn)磁軸承內(nèi)轉(zhuǎn)子位于偏轉(zhuǎn)磁軸承定子徑向內(nèi)側(cè)，并通過(guò)偏轉(zhuǎn)磁軸承內(nèi)轉(zhuǎn)子鎖母安裝在飛輪輪體上，偏轉(zhuǎn)磁軸承外轉(zhuǎn)子位于偏轉(zhuǎn)磁軸承定子徑向外側(cè)，并通過(guò)偏轉(zhuǎn)磁軸承外轉(zhuǎn)子鎖母安裝在飛輪輪體上，上保護(hù)軸承蓋和下保護(hù)軸承蓋分別位于上保護(hù)軸承和下保護(hù)軸承的徑向外側(cè)，并通過(guò)緊固螺釘安裝在飛輪輪體上。
[0006]所述的旋轉(zhuǎn)調(diào)制組件包括靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分，靜止部分主要包括:超聲波電機(jī)定子、旋轉(zhuǎn)調(diào)制定子軸承套、旋轉(zhuǎn)調(diào)制軸承定子、旋轉(zhuǎn)調(diào)制定子鎖母；轉(zhuǎn)動(dòng)部分主要包括:超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)調(diào)制軸承轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子軸承套、旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子鎖母、導(dǎo)電滑環(huán)、偏轉(zhuǎn)磁軸承定子安裝盤(pán)、光電碼盤(pán)、光電碼盤(pán)壓環(huán)；超聲波電機(jī)定子位于旋轉(zhuǎn)調(diào)制定子軸承套中部徑向外側(cè)，并通過(guò)過(guò)盈配合安裝在旋轉(zhuǎn)調(diào)制定子軸承套上，旋轉(zhuǎn)調(diào)制軸承位于旋轉(zhuǎn)調(diào)制定子軸承套徑向內(nèi)側(cè)，旋轉(zhuǎn)調(diào)制軸承定子通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)制定子鎖母安裝在旋轉(zhuǎn)調(diào)制定子軸承套上；旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子軸承套位于旋轉(zhuǎn)調(diào)制軸承徑向內(nèi)側(cè)，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子鎖母安裝在旋轉(zhuǎn)調(diào)制軸承轉(zhuǎn)子上，導(dǎo)電滑環(huán)位于旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子軸承套上部徑向內(nèi)側(cè)，并通過(guò)過(guò)盈配合安裝在旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子軸承套上，偏轉(zhuǎn)磁軸承定子安裝盤(pán)位于旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子軸承套上部徑向外側(cè)，并通過(guò)緊固螺釘安裝在旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子軸承套上，光電碼盤(pán)位于偏轉(zhuǎn)磁軸承定子安裝盤(pán)中部徑向外側(cè)，并通過(guò)光電碼盤(pán)壓環(huán)安裝在旋轉(zhuǎn)調(diào)制轉(zhuǎn)子軸承套上，超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)子位于旋轉(zhuǎn)調(diào)制定子軸承套徑向外側(cè)、超聲波電機(jī)定子和偏轉(zhuǎn)磁軸承定子安裝盤(pán)之間，并通過(guò)緊固螺釘安裝在偏轉(zhuǎn)磁軸承定子安裝盤(pán)上。
[0007]所述的徑向磁軸承為純電磁磁軸承或永磁偏置磁軸承，包括靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分，靜止部分主要包括:徑向磁軸承定子套筒、徑向磁軸承定子鐵心、徑向磁軸承定子隔磁塊、徑向磁軸承繞組線(xiàn)圈、徑向磁軸承定子鎖母；轉(zhuǎn)動(dòng)部分主要包括:徑向磁軸承轉(zhuǎn)子鐵心。
[0008]所述的軸向磁軸承為洛倫茲力磁軸承，包括靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分，靜止部分主要包括:軸向磁軸承定子骨架、軸向磁軸承繞組線(xiàn)圈；轉(zhuǎn)動(dòng)部分主要包括:軸向磁軸承內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)、軸向磁軸承磁鋼、軸向磁軸承隔磁環(huán)、軸向磁軸承外導(dǎo)磁環(huán)。
[0009]所述的電機(jī)采用基于空心杯繞組無(wú)定子鐵心永磁無(wú)刷直流高速電機(jī)，包括靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分，靜止部分主要包括:電機(jī)杯形定子骨架、電機(jī)繞組；轉(zhuǎn)動(dòng)部分主要包括:電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子疊層、電機(jī)磁鋼、電機(jī)外轉(zhuǎn)子疊層。
[0010]所述的偏轉(zhuǎn)磁軸承為洛倫茲力磁軸承，包括靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分，靜止部分主要包括:偏轉(zhuǎn)磁軸承定子骨架、偏轉(zhuǎn)磁軸承繞組線(xiàn)圈；轉(zhuǎn)動(dòng)部分主要包括:偏轉(zhuǎn)磁軸承內(nèi)保護(hù)環(huán)、偏轉(zhuǎn)磁軸承內(nèi)磁鋼、偏轉(zhuǎn)磁軸承內(nèi)隔磁環(huán)、偏轉(zhuǎn)磁軸承內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)、偏轉(zhuǎn)磁軸承外磁鋼、偏轉(zhuǎn)磁軸承外隔磁環(huán)、偏轉(zhuǎn)磁軸承外導(dǎo)磁環(huán)。
[0011]本發(fā)明的原理是:如圖1所示，磁懸浮控制敏感陀螺處于工作狀態(tài)下，通過(guò)徑向磁軸承、軸向磁軸承，保持轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與定子系統(tǒng)的徑向和軸向間隙，當(dāng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)受到某一干擾后，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生徑/軸向的平動(dòng)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的徑/軸向間隙發(fā)生變化，徑/軸向位移傳感器及時(shí)檢測(cè)徑/軸向間隙的變化量，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳遞至磁軸承控制器，通過(guò)控制徑/軸向磁軸承線(xiàn)圈電流的大小，增加/減小徑/軸向磁軸承的電磁力，維持磁懸浮系統(tǒng)的徑/軸向間隙均勻，消除干擾影響，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的完全懸浮支承，隨后啟動(dòng)電機(jī)，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)偏轉(zhuǎn)磁軸承控制轉(zhuǎn)子系統(tǒng)徑向兩個(gè)自由度的偏轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)受到某一干擾后，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生赤道面的偏轉(zhuǎn)，軸向位移傳感器及時(shí)檢測(cè)軸向間隙的變化量，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳遞至磁軸承控制器，通過(guò)控制偏轉(zhuǎn)磁軸承線(xiàn)圈電流的大小，產(chǎn)生一對(duì)大小相等、方向相反的安培力，形成力偶，維持磁轉(zhuǎn)子系統(tǒng)赤道面的穩(wěn)定，消除干擾影響。磁懸浮控制敏感陀螺集成控制力矩陀螺的姿態(tài)控制功能和角速率敏感器的姿態(tài)測(cè)量功能，在控制功能方面，通過(guò)磁懸浮控制敏感陀螺轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)，提高了控制力矩的精度和帶寬。在檢測(cè)功能方面，通過(guò)磁懸浮控制敏感陀螺定子的旋轉(zhuǎn)，提高了角速率的精度和帶寬。
[0012]本發(fā)明的方案與現(xiàn)有方案相比，主要優(yōu)點(diǎn)在于:(1)徑向磁軸承磁極面采用球面結(jié)構(gòu)，球面磁極的電磁力始終經(jīng)過(guò)徑向磁軸承轉(zhuǎn)子磁極面球心，即電磁力始終經(jīng)過(guò)一點(diǎn)；
(2)軸向磁軸承和偏轉(zhuǎn)磁軸承采用洛倫茲力磁軸承支承技術(shù)，洛倫茲力磁軸承具有較高的線(xiàn)性度；(3)采用定子旋轉(zhuǎn)調(diào)制誤差補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)時(shí)消除陀螺漂移，復(fù)現(xiàn)真值，與補(bǔ)償前實(shí)測(cè)值相比，測(cè)量精度可大幅提高；(4)采用轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)調(diào)制誤差補(bǔ)償技術(shù)，解決了轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)時(shí)的陀螺漂移問(wèn)題，同樣可以大幅提高姿態(tài)角速率的檢測(cè)精度。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明技術(shù)解決方案的磁懸浮控制敏感陀螺的剖視圖；
[0014]圖2為本發(fā)明技術(shù)解決方案的旋轉(zhuǎn)調(diào)制組件的剖視圖；
[0015]圖3a為本發(fā)明技術(shù)解決方案的徑向磁軸承的剖視圖；
[0016]圖3b為本發(fā)明技術(shù)解決方案的徑向磁軸承的端面圖；
[0017]圖4為本發(fā)明技術(shù)解決方案的軸向磁軸承的剖視圖；
[0018]圖5為本發(fā)明技術(shù)解