專利名稱：利用磁力支承使位置穩(wěn)定的飛輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用磁力支承使位置穩(wěn)定的飛輪，這種飛輪的徑向尺寸比軸向尺寸大得多。
在專利文獻DE 3243641 A1中公開了一種利用磁力支承使位置穩(wěn)定的，徑向尺寸比軸向尺寸大得多的飛輪。為驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)，設(shè)置了按照電動力學原理進行工作的產(chǎn)生力量的裝置。為驅(qū)動電動機，其轉(zhuǎn)子在飛輪下側(cè)有一個間隙，而固定在一個定子上的電動機的繞組貫穿這個間隙。同樣，還為飛輪轉(zhuǎn)動軸的軸向位移和徑向位移，以及為產(chǎn)生傾倒力矩設(shè)置了產(chǎn)生力量的裝置。以上產(chǎn)生力量的裝置都通過一個調(diào)整裝置與相應(yīng)的傳感器耦合，所以總共能在5個自由度上控制它的位置穩(wěn)定性。在專利文獻DE 3819205 A1中公開了一種飛輪，它借助于一種按照電動力學原理工作的產(chǎn)生力量的裝置，能在轉(zhuǎn)子的外圓周上徑向驅(qū)動飛輪。為了產(chǎn)生傾倒力矩，同樣也在飛輪的外圓周上設(shè)置了按照電動力學原理產(chǎn)生力量的裝置。為此，在轉(zhuǎn)子的外圓周上設(shè)置了一圈環(huán)形凹槽，在該環(huán)形凹槽內(nèi)裝有上下兩個磁極相反的永久磁鐵。固定在定子上，并且被上述永久磁鐵的磁力線所切割的四個繞組貫穿在這圈環(huán)形凹槽內(nèi)。為了產(chǎn)生傾倒力矩和軸向力，流過上述四個繞組的電流的方向是可以變換的。
利用按照主權(quán)利要求中的特征所構(gòu)成的措施，就能夠有效地抑制不希望有的振動，并且不會發(fā)生無法校準的振動的不平衡，以及由此產(chǎn)生的諧振。此外，此時所產(chǎn)生的共振現(xiàn)象不會導致干擾傳感器的工作。與將機械振動轉(zhuǎn)變成力量的產(chǎn)生電磁力的裝置相反，在本發(fā)明中所使用的按照電動力學原理的產(chǎn)生力量的裝置只產(chǎn)生很小的不希望有的振動。使用按照電動力學產(chǎn)生力量的裝置能導致轉(zhuǎn)子與定子之間的質(zhì)量的有利的分配。
周期性地產(chǎn)生的干擾力矩能夠有效的校正。由于把徑向驅(qū)動裝置移到了飛輪的輪轂里，結(jié)果，即使當使用比較小的電動機繞組時，飛輪的回旋尺寸也足夠大。
下面，參照附圖詳細描述本發(fā)明的說明性質(zhì)的實施例。附圖中

圖1a是帶有本發(fā)明的磁力軸承的飛輪的橫斷面圖；圖1b是具有為平移運動用的傳感器的飛輪輪轂部分的斷面圖；圖2是用于檢測平移運動的傳感器裝置的圖。
圖中所示的飛輪包括一個飛輪輪轂，若干根輻條和一個外輪輞RK，上述輪轂設(shè)計成基本上封閉的盤狀空心體H，上述外輪輞構(gòu)成飛輪的主要質(zhì)量，其上有環(huán)形凹槽(N)。同樣也設(shè)計成盤狀的定子S固定在一根中心軸上，而這根中心軸安裝在外殼上。轉(zhuǎn)子R的旋轉(zhuǎn)軸線與定子S的軸線重合。用于飛輪的徑向驅(qū)動裝置的產(chǎn)生力量的裝置M1的繞組(電動機繞組)W1設(shè)置在位于輪轂上的定子S上，并且特別有利的是設(shè)置在定子盤S外圓周上的垂直于定子盤的平面上。協(xié)同工作的永久磁鐵(電動機磁鐵)P1安裝在空心體H的基本上與飛輪軸線平行的內(nèi)表面上。這些永久磁鐵具有交替的磁極。電動機裝置包括一臺無鐵芯的，帶有電子換向的直流馬達。這樣，即使當轉(zhuǎn)子回旋時，也能保證精確的換向。在低速狀態(tài)下，上述電子驅(qū)動裝置接受從一個簡單的，為上述電子換向用的“渦流”傳感裝置輸送來的轉(zhuǎn)子位置。在高速狀態(tài)下(超過200rpm)，上述電子換向由電動機繞組中的電壓(反電勢)來獲得。
為飛輪的轉(zhuǎn)動軸徑向位移用的產(chǎn)生力量的裝置M2，同樣也設(shè)置在飛輪輪轂的內(nèi)部空間里。它同樣也按照電動力學原理進行工作。在盤狀定子S上設(shè)有兩個并排放置的環(huán)形繞組W21和W22(徑向致動線圈)。與其協(xié)同工作的，設(shè)計成環(huán)形的永久磁鐵P2、P3則設(shè)置在空心體H的盤狀內(nèi)表面上，在所有情況下，上述環(huán)形永久磁鐵都在設(shè)置在定子S上的繞組W21、W22上方或下方的區(qū)域內(nèi)。圖中，用線條表示了環(huán)形的磁力線。結(jié)果，有一個力作用在x方向。
為飛輪的轉(zhuǎn)動軸徑向位移用的產(chǎn)生力量的裝置M2，同樣也設(shè)置在飛輪輪轂的內(nèi)部空間里。它同樣也按照電動力學原理進行工作。在盤狀定子S上設(shè)有兩個并排放置的環(huán)形繞組W21和W22(徑向致動線圈)。與其協(xié)同工作的，設(shè)計成環(huán)形的永久磁鐵P2、P3則設(shè)置在空心體H的盤狀內(nèi)表面上，在所有情況下，上述環(huán)形永久磁鐵都在設(shè)置在定子S上的繞組W21、W22上方或下方的區(qū)域內(nèi)。圖中，用線條表示了環(huán)形的磁力線。結(jié)果，有在x方向產(chǎn)生一個作用力。
為軸向位移用的產(chǎn)生軸向力量的裝置M3同樣也按照電動力學的原理工作。該裝置設(shè)置在轉(zhuǎn)子R的外輪圓周上，在外輪輞(轉(zhuǎn)子的輪輞)內(nèi)的沿軸向(y方向)延伸的環(huán)形凹槽N的內(nèi)部。在環(huán)形凹槽N向外的壁上設(shè)置了兩塊環(huán)形永久磁鐵(上、下磁鐵輪輞)，這兩塊磁鐵沿y方向上下排列，具有方向相同的磁極(單極性磁極)。上述永久磁鐵為上述產(chǎn)生軸向力量的裝置和產(chǎn)生傾倒力矩的裝置提供了一個均勻的圓形磁場。用于產(chǎn)生力量的裝置M3的繞組W31和W32做成環(huán)形的繞組，在又一個定子S1上上下排列，該定子通過一個外殼剛性地連接在上述定子S上。結(jié)果，便產(chǎn)生了圖中用線條表示的環(huán)形磁力線，該磁力線產(chǎn)生一個沿y方向的作用力。
為了產(chǎn)生傾倒力矩，設(shè)置了一個有四個繞組的產(chǎn)生力量的裝置M4(圖中未示出)，這些繞組都設(shè)置在凹槽N內(nèi)，每一個繞組占據(jù)四分之一圓周，并且埋在環(huán)氧樹脂內(nèi)部。關(guān)于這些繞組的幾何布置方式的進一步詳細情況，請見專利文獻DE3240809 C2，特別是其中的圖6b。傾倒力矩是用反相電流激勵相應(yīng)的對置的繞組而產(chǎn)生的。
用于檢測飛輪在上面提到的自由度范圍內(nèi)的移動的傳感器SE1…SE4(只在圖1b中表示)通過一用于穩(wěn)定位置的調(diào)整裝置RS(圖中未示出)與相應(yīng)的產(chǎn)生力量的裝置M1-M4相連。作為例子，這種用于穩(wěn)定位置的調(diào)整裝置的細節(jié)可參閱DE 3240809 C2或DE3819205 A1。
總共設(shè)置了三個傳感器裝置傾倒傳感器裝置包括各有兩個繞組裝置的兩個傾倒傳感器(傾倒傳感器繞組)。這些傳感器繞組固定在外殼上，具體的說，固定在轉(zhuǎn)子輪輞的外圓周的凹槽N內(nèi)，互相相對。相應(yīng)的傳感器繞組之間的差別將產(chǎn)生傾斜的位置。安裝在用于傾倒力矩M4的產(chǎn)生力量的裝置附近的上述傾倒傳感器使得調(diào)整幾乎不受到干擾因素的影響。
平移傳感器裝置包括在飛輪輪轂上方的四個傳感器繞組，和在飛輪輪轂下方的四個傳感器繞組-SE1…SE4(見圖1b和圖2)。傳感器繞組-SE1…SE4的基準表面在飛輪輪轂的轉(zhuǎn)子外殼H的頂面和/或底面上有正齒輪。圖2中所示的上述傳感器繞組(x傳感器繞組)剛性地固定在定子S上，所以就能夠確定定子S和轉(zhuǎn)子R之間徑向的微小的間隙。在飛輪輪轂區(qū)域精密地設(shè)置這些傳感器，要比在轉(zhuǎn)子的外圓周上設(shè)置傳感器的裝置，能更精確地檢測移動(有效地排除了干擾振動)。在飛輪輪轂區(qū)域中傾倒運動幾乎不干擾平移運動。
通過對繞組輸出信號的計算，就能夠檢測出全部平移的自由度。
軸向位置用比較安裝在轉(zhuǎn)子上方和下方的x繞組和y繞組中所感應(yīng)的電壓來確定。
為了在低速時轉(zhuǎn)換，還設(shè)置了靜電傳感器(圖中未示出)。所有的傳感器最好都是按照“渦流電流”的原理制成的，因為這種傳感器制造簡單并且工作可靠。如果電氣性能和機械性能選擇得合適，它具有一很高的頻帶，而且，具有足夠的線性程度。為了避免漂移效應(yīng)，所有的傳感器都按照差分原理工作。
上述轉(zhuǎn)子的輪輞還有一個環(huán)形凹槽N1，該凹槽設(shè)置在內(nèi)表面上，由鋁制成，并且是傾倒傳感器的一部分。協(xié)同工作的繞組(傾倒傳感器繞組)安裝在定子S1上，并且突入環(huán)形凹槽N1內(nèi)。
在定子S的軸與轉(zhuǎn)子R的輪轂之間總是設(shè)置了兩個滾珠軸承(應(yīng)急軸承)，當磁力軸承失效時，即電力供應(yīng)中斷時，這兩個機械軸承就工作。
本發(fā)明所提供的飛輪具有+/-4°的回旋范圍。因此，它是理想的適合于用作通信衛(wèi)星的一種陀螺致動裝置。除了扭矩的軸向調(diào)整之外，上述轉(zhuǎn)子可以在傾斜的軸線上相對于外殼回旋，而該傾斜軸線不與上述轉(zhuǎn)動軸線重合(微調(diào)萬向接頭)。此外，轉(zhuǎn)子的傾斜還可以用于儲存橫向力矩，以便補償外部的干擾力矩，或者在衛(wèi)星上改變轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)的運動，例如為了天線的定向。
當衛(wèi)星總線的電壓發(fā)生事故時，上述電動機能自動地轉(zhuǎn)換到發(fā)電機工作模式，以便為自身供應(yīng)能量，同時也作為轉(zhuǎn)速降低到1500rpm時的穩(wěn)定的軸承。當?shù)陀谏鲜鏊俣葧r，電動勢(EMF)就太小了，以致不能為電子裝置供應(yīng)足夠的能量。
權(quán)利要求
1.一種徑向尺寸比軸向尺寸大的，利用磁力支承使位置穩(wěn)定的飛輪，它具有下列特征一徑向驅(qū)動飛輪的產(chǎn)生力量的裝置(M1)是按照電動力學原理工作的；一上述驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)的產(chǎn)生力量的裝置的繞組(W1)的位置，在設(shè)置于飛輪輪轂中的一個定子(S)上；并且一與上述驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)的產(chǎn)生力量的裝置協(xié)同工作的永久磁鐵設(shè)置在轉(zhuǎn)子(R)上，在上述繞組(W1)的范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的飛輪，其特征在于，上述飛輪輪轂包括一盤狀的，基本上封閉的空心體(H)。
3.如權(quán)利要求2所述的飛輪，其特征在于，上述同樣也是設(shè)計成盤狀的定子(S)在其外圓周上帶有上述徑向驅(qū)動飛輪的產(chǎn)生力量的裝置的繞組(W1)。
4.如權(quán)利要求2或3所述的飛輪，其特征在于，上述驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)的產(chǎn)生力量的裝置(M1)的永久磁鐵(P1)安裝在上述空心體(H)的內(nèi)表面的基本上平行于飛輪軸線的壁(WA)上。
5.如權(quán)利要求1-4中任何一項權(quán)利要求所述的飛輪，其特征在于，一個使飛輪的旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生徑向位移的產(chǎn)生力量的裝置(M2)也設(shè)置在飛輪輪轂中。
6.如權(quán)利要求5所述的飛輪，其特征在于，上述為徑向位移產(chǎn)生力量的裝置(M2)是按照電動力學原理工作的。
7.如權(quán)利要求2-6中任何一項權(quán)利要求所述的飛輪，其特征在于，上述為徑向位移產(chǎn)生力量的裝置(M2)設(shè)置在上述空心體(H)的內(nèi)部空間里。
8.如權(quán)利要求7所述的飛輪，其特征在于，上述為徑向位移產(chǎn)生力量的裝置(M2)的繞組(W2)設(shè)計成盤狀繞組(W21、W22)，這兩個盤狀繞組并排設(shè)置在定子(S)內(nèi)。
9.如權(quán)利要求6或7所述的飛輪，其特征在于，上述為徑向位移產(chǎn)生力量的裝置(M2)用的永久磁鐵(P2、P3)設(shè)置在上述空心體(H)的盤形內(nèi)表面上，并且總是設(shè)置在位于定子(S)內(nèi)的繞組(W21、W22)的上方或相應(yīng)的下方區(qū)域內(nèi)。
10.如權(quán)利要求1-9中任何一項權(quán)利要求所述的飛輪，其特征在于，一個為上述飛輪的軸向位移用的，按照電動力學原理工作的產(chǎn)生力量的裝置(M3)設(shè)置在上述轉(zhuǎn)子(R)的飛輪的外圓周上。
11.如權(quán)利要求10所述的飛輪，其特征在于，在上述轉(zhuǎn)子(R)的飛輪外圓周上有一圈沿軸向延伸的環(huán)形凹槽(N)，并且，在該環(huán)形凹槽(N)內(nèi)的至少一道凹槽壁上，設(shè)有兩塊上下排列的永久磁鐵(P4、P5)，并且，與這兩塊永久磁鐵(P4、P5)協(xié)同工作的繞組(W31、W32)是環(huán)形的繞組，上下排列，設(shè)置在上述永久磁鐵(P4、P5)區(qū)域內(nèi)的另一個定子(S1)上。
12.如權(quán)利要求1-11中任何一項權(quán)利要求所述的飛輪，其特征在于，一個為產(chǎn)生傾倒力矩的，按照電動力學原理工作的產(chǎn)生力量的裝置(M4)設(shè)置在上述轉(zhuǎn)子(R)的外邊緣區(qū)域中，該裝置在上述另一個定子(S1)上具有成對地相對的扇形繞組，使得能夠?qū)⒒ハ嘞喾吹碾娏魍ㄈ胂鄳?yīng)的相對的繞組中。
13.如權(quán)利要求1-12中任何一項權(quán)利要求所述的飛輪，其特征在于，它還具有通過一個用于穩(wěn)定位置的調(diào)整裝置(RS)與相應(yīng)的產(chǎn)生力量的裝置(M1、…、M4)相連的傳感器(SE1、…、SE4)。
14.如權(quán)利要求1-13所述的飛輪，其特征在于，上述為橫向位移，即，為飛輪的旋轉(zhuǎn)軸線的徑向位移用的傳感器(SE1、…、SE4)設(shè)置在飛輪的輪轂區(qū)域內(nèi)。
15.如權(quán)利要求14所述的飛輪，其特征在于，上述為徑向位移用的傳感器(SE1、…、SE4)的基準表面包括在飛輪輪轂的外殼(H)的頂面和/或底面上的正齒輪。
全文摘要
一種利用磁力支承使位置穩(wěn)定的飛輪,其按照電動力學原理工作的徑向驅(qū)動飛輪的產(chǎn)生力量的裝置(M1)設(shè)置在飛輪輪轂的內(nèi)部。而各繞組則布置在定子(S)內(nèi),其協(xié)同工作的永久磁鐵布置在轉(zhuǎn)子(R)內(nèi)。這種飛輪能有效地緩沖不希望有的振動。由于把驅(qū)動裝置移動到飛輪輪轂的內(nèi)部,所以,它能夠使用小的繞組。這種飛輪的回旋范圍足夠大。
文檔編號H02K7/09GK1179237SQ96192651
公開日1998年4月15日 申請日期1996年3月20日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月21日
發(fā)明者尤多·比切勒, 托馬斯·埃卡特 申請人:泰爾狄克斯有限公司