[发明专利]一种电磁力补偿机械式CMG及主动提高使用寿命的方法

说明书

本发明公开了一种电磁力补偿机械式CMG及主动提高其使用寿命的方法，其包括壳体(11)和置于壳体内的飞轮(12)，飞轮经第二轴(15)及机械轴承(13’)安装在壳体上，第二轴的上、下两端对称设置两个磁轴承(14)，两磁轴承分别包括固定连接壳体的定子(141)和固定连接飞轮的转子(142)，且两磁轴承的定子与转子相对设置，并间隔有工作气隙；当机械式CMG工作时，两磁轴承的定子对转子产生一对大小相等、方向相反的轴向力，这对轴向力形成作用于飞轮的补偿力矩，该补偿力矩与飞轮受到的陀螺力矩大小相等、方向相反。本发明主动消除飞轮机械轴承受到的陀螺力矩载荷，改善机械轴承工作条件，提高其工作可靠性和寿命。

技术领域

本发明涉及机械式控制力矩陀螺(CMG)，特别是一种电磁力补偿机械式CMG及主动提高其使用寿命的方法。

背景技术

控制力矩陀螺(CMG)是空间站等大型航天器和各类敏捷机动卫星平台姿态控制系统的核心关键部件，其寿命直接影响到大型航天器和敏捷卫星平台的使用寿命。

如图1所示，CMG主要包括陀螺房1和支承框架2，陀螺房1经第一轴3及轴承安装在支承框架2上，支承框架2提供陀螺房1的转动自由度和伺服驱动系统，陀螺房1主要由壳体11和置于其内的飞轮12组成，飞轮12经第二轴15及轴承13安装在陀螺房壳体11上。根据飞轮12的支承形式，CMG可分为传统机械式CMG和磁悬浮CMG。传统机械式CMG其飞轮由滚珠等机械式轴承支承，磁悬浮CMG其飞轮由磁轴承支承。由于磁悬浮CMG技术复杂，因而实际应用很少，目前国内外大型航天器姿态控制执行机构仍以传统机械式CMG为主，且通过在轨运行，积累了较多工程经验与试验数据，但同时也暴露出了一些问题，主要是机械式CMG飞轮的轴承组件可靠性与寿命问题。

目前机械式CMG的寿命仍难以满足长寿命航天器的需求。支承飞轮的机械轴承的寿命是决定机械式CMG寿命的主要因素之一。当机械式CMG工作时，如图1所示，陀螺房1绕支承框架2上的第一轴3旋转，飞轮12的角动量方向发生改变，由此而产生巨大的陀螺力矩T_gro，此陀螺力矩T_gro将反作用于轴承(机械轴承)13，在上、下两个轴承13内形成大小相等方向相反的径向作用力。机械轴承承受陀螺力矩T_gro反作用带来的巨大交变载荷，工作条件恶劣，这一方面会带来机械轴承阻力矩的明显变比，影响飞轮的转速稳定性，另一方面，它对机械轴承的使用寿命带来较大影响。目前解决该问题的主要办法是通过采用新材料、新结构、新的润滑技术等被动地提高机械轴承的机械性能，或者是通过增加机械轴承数量、加大机械轴承之间的距离来减小单个机械轴承承受的载荷。这些措施将引起机械式CMG成本的显著增加，且仍难以满足航天器对CMG寿命的要求。增加机械轴承的数量，还将导致CMG体积和重量增加，甚至是高速飞轮回转精度的下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术不足，提供一种能改善飞轮轴承工作条件，提高其长期稳定工作可靠性和寿命的一种电磁力补偿机械式CMG及主动提高其使用寿命的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电磁力补偿机械式CMG及主动提高其使用寿命的方法，其包括壳体和置于壳体内的飞轮，飞轮经第二轴及机械轴承安装在壳体上，所述第二轴的上、下两端对称设置两个磁轴承，两磁轴承分别包括固定连接壳体的定子和固定连接飞轮的转子，且两磁轴承的定子与转子相对设置，并在两磁轴承的定子与转子之间间隔有可形成工作气隙的轴向间隙；当机械式CMG工作时，两磁轴承的定子对转子产生一对大小相等、方向相反的轴向力，这对轴向力形成作用于飞轮的补偿力矩，该补偿力矩与飞轮受到的陀螺力矩大小相等、方向相反。

这样，本发明通过在传统机械式CMG的陀螺房内增设一对轴向磁轴承，以抵消陀螺房转动时高速飞轮受到的陀螺力矩，消除飞轮的机械轴承受到的陀螺力矩载荷，改善高速机械轴承组件工作条件，提高其长期稳定工作可靠性和寿命，进而非常有助于CMG寿命和稳定性的提高。