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1、(10)申请公布号 CN 104309821 A (43)申请公布日 2015.01.28 C N 1 0 4 3 0 9 8 2 1 A (21)申请号 201410511994.3 (22)申请日 2014.09.29 B64G 1/24(2006.01) (71)申请人北京石油化工学院 地址 102617 北京市大兴区清源北路19号 (72)发明人刘强 房建成 徐宝东 叶郭波 李魁龙 张义 (74)专利代理机构小松专利事务所 11132 代理人陈祚龄 (54) 发明名称 磁悬浮飞轮可重复锁紧装置 (57) 摘要 一种磁悬浮飞轮可重复锁紧装置，可作为磁 悬浮飞轮的保护装置，主要由锁紧机构和。
2、飞轮组 件两部分组成，锁紧机构包括：传感器、压板、电 机座、电机、移动柱、移动柱连接轴、传动柱、锁柱 连接轴、锁柱、锁芯；飞轮组件包括：飞轮底座、定 子芯轴、锥形保护轴承套、飞轮转子、锥形保护轴 承、锥形保护轴承定位套筒、自锁螺母。本发明在 锁紧状态下利用锥形保护轴承与锥形保护轴承套 锥面约束转子径向四个自由度，锁紧机构只约束 转子轴向一个平动自由度，大大降低了锁紧机构 的负荷，提高了锁紧和解锁可靠性，同时具有可重 复使用、结构简单等优点。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书5页 附图5页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图。
3、5页 (10)申请公布号 CN 104309821 A CN 104309821 A 1/1页 2 1.一种磁悬浮飞轮可重复锁紧装置，由锁紧机构和飞轮组件两部分组成，其特征在于： 锁紧机构包括：传感器（1）、压板（2）、电机座（3）、电机（4）、移动柱（5）、移动柱连接轴（6）、 传动柱（7）、锁柱连接轴（8）、锁柱（9）、锁芯（10）；飞轮组件包括：飞轮底座（21）、定子芯轴 （22）、上锥形保护轴承套（23A）、下锥形保护轴承套（23B）、飞轮转子（24）、上锥形保护轴承 （25A）、下锥形保护轴承（25B）、锥形保护轴承定位套筒（26）、自锁螺母（27）；传感器（1）和 压板（2）分别位。
4、于电机座（3）的外侧与上侧，并通过螺钉固定在电机座（3）上，电机（4）通 过螺钉固定在电机座（3）上、并通过螺纹与移动柱（5）连接，移动柱（5）通过移动柱连接轴 （6）与传动柱（7）连接，传动柱（7）通过锁柱连接轴（8）与锁柱（9）连接，锁芯（10）通过环 氧树脂胶粘接在锁柱（9）槽内，电机座（3）通过螺钉固定在飞轮底座（21）上，定子芯轴（22） 位于飞轮底座（21）卡口内，并通过螺钉固定在飞轮底座（21）上，上锥形保护轴承套（23A） 和下锥形保护轴承套（23B）分别位于飞轮转子（24）的上端和下端卡口内，分别通过螺钉固 定在飞轮转子（24）上端和下端，上锥形保护轴承（25A）和下锥形保护。
5、轴承（25B）分别位于 上锥形保护轴承（23A）和下锥形保护轴承（23B）的径向内侧，上锥形保护轴承套（23A）内锥 面与上锥形保护轴承（25A）外锥面形成上保护间隙，下锥形保护轴承套（23B）内锥面与下 锥形保护轴承（25B）外锥面形成下保护间隙，锥形保护轴承定位套筒（26）位于上锥形保护 轴承（25A）和下锥形保护轴承（25B）间，自锁螺母（27）位于定子芯轴（22）上端，上锥形保 护轴承（25A）、下锥形保护轴承（25B）和锥形保护轴承定位套筒（26）位于定子芯轴（22）径 向外侧，并通过自锁螺母（27）固定于定子芯轴（22）上。 2. 根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮可重复锁紧装置，其特。
6、征在于：所述的传感器 （1）为微动开关传感器。 3. 根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮可重复锁紧装置，其特征在于：所述的电机（4） 为超声波电机。 4. 根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮可重复锁紧装置，其特征在于：所述的电机（4） 输出轴端部带有梯形螺纹。 5. 根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮可重复锁紧装置，其特征在于：所述的移动柱 （5）为铸造锡青铜ZCuSn10Pb1或黄铜材料。 6. 根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮可重复锁紧装置，其特征在于：所述的锁芯（10） 为四氟乙烯或聚酰亚胺材料。 7. 根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮可重复锁紧装置，其特征在于：所述的锥形保护 轴承套（23）和锥形保护。
7、轴承（25）的锥面锥度均为45度。 8. 根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮可重复锁紧装置，其特征在于：所述的锥形保护 轴承套（23）和锥形保护轴承（25）均为轴承钢GCr15或不锈钢9Cr18材料。 9. 根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮可重复锁紧装置，其特征在于：所述的移动柱连 接轴（6）、传动柱（7）、锁柱连接轴（8）和锁柱（9）均镀二硫化钼，镀层厚度为12m。 权 利 要 求 书CN 104309821 A 1/5页 3 磁悬浮飞轮可重复锁紧装置 技术领域 0001 本发明涉及一种磁悬浮飞轮锁紧装置，特别是一种可重复使用、可靠性高、功耗 小、结构简单的磁悬浮飞轮锁紧装置，可作为磁悬浮飞轮系统。
8、的保护装置。 背景技术 0002 磁悬浮飞轮采用磁轴承技术支承，消除了机械轴承带来的摩擦磨损，克服了高速 转子对姿态系统振动干扰，提高了控制力矩精度和稳定度，较好地改善了姿控系统总体性 能，是高精度对地观测卫星姿态控制系统的理想惯性执行机构。磁悬浮飞轮工作时，转子不 是直接与定子刚性联接，而是在一定的磁保护间隙内弹性支承。发射主动段卫星平台存在 激烈的振动冲击，磁轴承无法提供高支承刚度，因此磁悬浮飞轮必须采用额外的锁紧装置。 发射主动段，需通过锁紧装置消除飞轮定、转子间隙，并对转子施加一定锁紧力；入轨后，还 需解除原有锁紧关系，使转子处于自由状态便于悬浮。 0003 按锁紧/解锁次数，锁紧装置。
9、可分为一次性锁紧装置和可重复锁紧装置。根据锁 紧装置在磁悬浮飞轮中所处位置，又可将其分为内锁紧方式和外锁紧方式。目前磁悬浮飞 轮一次性锁紧装置主要有基于碳纤维弹片释放机构和钢丝绳收紧机构的锁紧装置、基于楔 形块-锥形轴承的锁紧装置、基于螺杆-螺母的锁紧装置、基于碳纤维弹片和气囊的气动锁 紧装置。上述四种方案都采用火工品进行解锁，其结构简单可靠性高，被广泛应用于早期的 卫星姿控系统。发射前，磁悬浮飞轮必须完成各种地面环境试验，需经常对飞轮进行锁紧/ 解锁。此外，卫星变轨工作时，为防止自由状态下的飞轮转子对姿控平台的干扰，也需对其 进行锁紧。 0004 目前磁悬浮飞轮可重复锁紧装置主要有形状记忆合。
10、金内锁紧装置、电机-弹 片-钢丝绳外锁紧装置、电磁内锁紧装置、杠杆式内锁紧装置、电机-楔形块内锁紧装置。其 中形状记忆合金虽然可重复使用，但形状记忆合金随使用次数增加，其性能急剧下降。当锁 紧/解锁次数大于30次时，性能下降明显，超过50次时，已不能完成锁紧/解锁。专利申 请号200910093150.0所述的电机-弹片-钢丝绳外锁紧装置，利用电机正/反转，驱动钢 丝绳收紧机构勒紧/释放弹片释放机构，抱紧/释放飞轮转子，实现磁悬浮飞轮的重复锁紧 /解锁。但锁紧装置放置于飞轮转子径向外侧，增加了飞轮径向尺寸，从而导致飞轮整机重 量的增加。专利申请号200810119968.0所述的电磁内锁紧装置。
11、，利用电磁磁场与永磁磁场 正/反向叠加，实现了飞轮的重复锁紧/解锁。但锁紧启动力与解锁间隙成反比，且其解锁 间隙不可调整，给锁紧装置地面调试装配带来极大不便。专利申请号201010117577.2所述 的杠杆式内锁紧装置，利用钢丝绳抱紧杠杆机构下端放大锁紧力，能够很好地对飞轮进行 锁紧。但杠杆机构锁紧力放大倍数越高，其尺寸越大，且杠杆机构自身较高，增加了飞轮轴 向尺寸，从而增加了飞轮整机重量。专利申请号201210338347.8所述的电机-楔形块内锁 紧装置，利用电机驱动楔形块，带动锥面锁轴，将飞轮转子压紧在底座的锁台内。但该锁紧 装置保护对象为轴向被动径向主动控制的磁悬浮飞轮，其轴向保护间。
12、隙（为1mm）远大于径 向保护间隙（0.1mm）。 说 明 书CN 104309821 A 2/5页 4 发明内容 0005 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可重复使用、易于控 制、功耗小、体积小、结构简单、性能可靠的磁悬浮飞轮锁紧装置。 0006 本发明的技术解决方案为： 一种磁悬浮飞轮可重复锁紧装置，由锁紧机构和飞轮组件两部分组成，其特征在于：锁 紧机构包括：传感器、压板、电机座、电机、移动柱、移动柱连接轴、传动柱、锁柱连接轴、锁 柱、锁芯；飞轮组件包括：飞轮底座、定子芯轴、上锥形保护轴承套、下锥形保护轴承套、飞 轮转子、上锥形保护轴承、下锥形保护轴承、锥形保护轴承定。
13、位套筒、自锁螺母；传感器和压 板分别位于电机座的外侧与上侧，并通过螺钉固定在电机座上，电机通过螺钉固定在电机 座上、并通过螺纹与移动柱连接，移动柱通过移动柱连接轴与传动柱连接，传动柱通过锁柱 连接轴与锁柱连接，锁芯通过环氧树脂胶粘接在锁柱槽内，电机座通过螺钉固定在飞轮底 座上，定子芯轴位于飞轮底座卡口内，并通过螺钉固定在飞轮底座上，上锥形保护轴承套和 下锥形保护轴承套分别位于飞轮转子的上端和下端卡口内，分别通过螺钉固定在飞轮转子 上端和下端，上锥形保护轴承和下锥形保护轴承分别位于上锥形保护轴承和下锥形保护轴 承的径向内侧，上锥形保护轴承套内锥面与上锥形保护轴承外锥面形成上保护间隙，下锥 形保护。
14、轴承套内锥面与下锥形保护轴承外锥面形成下保护间隙，锥形保护轴承定位套筒位 于上锥形保护轴承和下锥形保护轴承间，自锁螺母位于定子芯轴上端，上锥形保护轴承、下 锥形保护轴承和锥形保护轴承定位套筒位于定子芯轴径向外侧，并通过自锁螺母固定于定 子芯轴上。 0007 所述的传感器为微动开关传感器。所述的电机为超声波电机。所述的电机输出轴 端部带有梯形螺纹。所述的移动柱为铸造锡青铜ZCuSn10Pb1或黄铜材料。所述的锁芯为 四氟乙烯或聚酰亚胺材料。所述的锥形保护轴承套和锥形保护轴承的锥面锥度均为45度。 所述的锥形保护轴承套和锥形保护轴承均为轴承钢GCr15或不锈钢9Cr18材料。所述的移 动柱连接轴、。
15、传动柱、锁柱连接轴和锁柱均镀二硫化钼，镀层厚度为12m。 0008 上述方案的原理是： 如图1所示，当需要对磁悬浮飞轮进行锁紧时，电机正转，并通过螺纹带动移动柱沿X 轴水平背离电机运动，同时通过传动柱推动锁柱沿Y轴竖直向上运动，使锁芯与飞轮转子 接触，当传动柱运动至竖直位置时，下锥形保护轴承刚好与下锥形保护轴承套接触，并对其 施加一定的预紧压力，此时电机停止供电。锁紧状态，传动轴处于竖直状态，因此发射主动 段，飞轮转子惯性力只能传递至电机座与移动柱接触表面，不会对电机产生冲击。同时电 机输出轴与移动柱螺纹接触表面和超声波电机都具有自锁功能，即利用移动柱处于竖直状 态、螺纹自锁和超声波电机自锁功。
16、能共同保持锁紧状态。当需要对磁悬浮飞轮进行解锁时， 电机反转，并通过螺纹带动移动柱沿X轴驶向电机，同时通过传动柱将锁柱沿Y轴竖直拉 下，使锁芯离开飞轮转子表面。当传感器检测到解锁位置时，电机停止供电，利用超声波电 机自锁功能和电机输出轴与移动柱螺纹自锁功能共同保持解锁状态。 0009 本发明与现有技术相比的优点在于：（1）本发明由于采用电机作为执行机构，与 一次性锁紧装置相比实现了磁悬浮飞轮的可重复锁紧功能；（2）利用传动柱倾斜与竖直两 个位置的变化，实现机构的锁紧和解锁，减化了锁紧机构整体结构，减少了机构活动部件的 说 明 书CN 104309821 A 3/5页 5 数量，大大提高了锁紧和。
17、解锁的可靠性；（3）锁紧状态，传动柱处于竖直位置，飞轮转子的 振动不会对执行机构产生冲击，且电机输出轴与移动柱螺纹接触表面和超声波电机都具有 自锁功能，大大提高了锁紧的可靠性；（4）锁紧状态，利用锥形轴承和锥形保护轴承锥面约 束飞 轮转子径向两个平动和两个径向转动自由度，锁紧机构只需约束转子轴向平动一个自 由度，减少了锁紧机构对飞轮转子约束自由度的数量，消除了锁紧机构径向冲击力，大大提 高了锁紧可靠性。 附图说明 0010 图1为本发明技术解决方案的磁悬浮飞轮可重复锁紧装置截面示意图； 图2为本发明技术解决方案的磁悬浮飞轮可重复锁紧装置的锁紧机构结构示意图； 图3为本发明技术解决方案的磁悬浮飞。
18、轮可重复锁紧装置的锁紧机构在锁紧状态截 面示意图； 图4为本发明技术解决方案的磁悬浮飞轮可重复锁紧装置的锁紧机构在解锁状态截 面示意图； 图5a为本发明的磁悬浮飞轮可重复锁紧装置的锁紧机构移动部件结构示意图； 图5b为本发明的磁悬浮飞轮可重复锁紧装置的锁紧机构移动部件主视图； 图5c为本发明的磁悬浮飞轮可重复锁紧装置的锁紧机构移动部件截面示意图； 图6a为本发明的移动柱结构示意图； 图6b为本发明的移动柱主视图； 图6c为本发明的移动柱剖视图； 图7a为本发明的传动柱结构示意图； 图7b为本发明的传动柱主视图； 图7c为本发明的传动柱剖视图； 图8a为本发明的锁柱结构示意图； 图8b为本发明中。
19、锁柱结构主视图 图8c为本发明锁柱剖视图； 图9a为本发明锥形保护轴承套结构示意图； 图9b为本发明锥形保护轴承套俯视图； 图9c为本发明锥形保护轴承套剖视图； 图10a为本发明锥形保护轴承结构示意图； 图10b为本发明锥形保护轴承剖视图； 图11为本发明可重复锁紧机构在磁悬浮飞轮中位置示意图。 具体实施方式 0011 如图1所示，本发明主要由锁紧机构和飞轮组件两部分组成，其特征在于：锁紧机 构包括：传感器1、压板2、电机座3、电机4、移动柱5、移动柱连接轴6、传动柱7、锁柱连接 轴8、锁柱9、锁芯10；飞轮组件包括：飞轮底座21、定子芯轴22、上锥形保护轴承套23A、下 锥形保护轴承套23B。
20、、飞轮转子24、上锥形保护轴承25A、下锥形保护轴承25B、锥形保护轴 说 明 书CN 104309821 A 4/5页 6 承定位套筒26、自锁螺母27；传感器1和压板2分别位于电机座3的外侧与上侧，并通过螺 钉固定在电机座3上，电机4通过螺钉固定在电机座3上、并通过螺纹与移动柱5连接，移 动柱5通过移动柱连接轴6与传动柱7连接，传动柱7通过锁柱连接轴8与锁柱9连接，锁 芯10通过环氧树脂胶粘接在锁柱9槽内，电机座3通过螺钉固定在飞轮底座21上，定子芯 轴22位于飞轮底座21卡口内，并通过螺钉固定在飞轮底座21上，上锥形保护轴承套23A 和下锥形保护轴承套23B分别位于飞轮转子24的上端和下。
21、端卡口内，分别通过螺钉固定在 飞轮转子24上端和下端，上锥形保护轴承25A和下锥形保护轴承25B分别位于上锥形保护 轴承23A和下锥形保护轴承23B的径向内侧，上锥形保护轴承套23A内锥面与上锥形保护 轴承25A外锥面形成上保护间隙，下锥形保护轴承套23B内锥面与下锥形保护轴承25B外 锥面形成下保护间隙，锥形保护轴承定位套筒26位于上锥形保护轴承25A和下锥形保护轴 承25B间，自锁螺母27位于定子芯轴22上端，上锥形保护轴承25A、下锥形保护轴承25B和 锥形保护轴承定位套筒26位于定子芯轴22径向外侧，并通过自锁螺母27固定于定子芯轴 22上。在具体应用时，本发明所述的可重复锁紧装置一般。
22、需要3个或4个均布在磁悬浮飞 轮转子的圆周方向实现对磁悬浮飞轮的锁紧和解锁功能。 0012 图2为本发明中锁紧机构示意图，传感器1位于电机座3侧面，并通过落定固定在 电机座3上，电机4位于电机座后端，并通过螺钉固定在电机座上，锁芯10通过环氧树脂胶 粘接在锁柱9槽内。 0013 图3为本发明中锁紧机构在锁紧状态截面示意图，当需要对磁悬浮飞轮进行锁紧 时，控制系统控制电机4正转，并通过电机4的输出轴螺纹带动移动柱5沿X轴水平背离电 机4运动，同时通过传动柱7推动锁柱9沿Y轴竖直向上运动。锁紧状态下，传动柱7处于 竖直位置，传递至锁芯10处的惯性力全部转移至移动柱5与电机座3的接触面内，不会对 电。
23、机4执行机构产生冲击力。 0014 图4为本发明中锁紧机构在解锁状态的截面示意图，当需要对磁悬浮飞轮进行解 锁时，控制系统控制电机4反转，并通过电机4的输出轴螺纹带动移动柱5沿X轴水平驶向 电机4，同时通过传动柱7将锁柱9沿Y轴竖直拉下，实现飞轮的解锁。 0015 图5a为本发明中锁紧机构移动部件的结构示意图，图5b为本发明中锁紧机构移 动部件的主视图，图5c为本发明中锁紧机构移动部件的截面示意图，移动柱5通过移动柱 连接轴6与传动柱7相连接，传动柱7通过锁柱连接轴8与锁柱9连接，锁芯10通过环氧 树脂胶粘接在锁柱9槽内，移动柱连接轴6和锁柱连接轴8通过其端部螺母安装在传动柱 7两端。 001。
24、6 图6a为本发明中移动柱5的结构示意图，图6b为本发明中移动柱5的主视图，图 6c为本发明中移动柱5的剖视图，其材料为铸造锡青铜ZCuSn10Pb1或黄铜，内部梯形螺纹 孔与电机4输出轴连接，两个通孔与锁柱连接轴8连接。 0017 图7a为本发明中传动柱7的结构示意图，图7b为本发明中传动柱7的主视图， 图7c为本发明中传动柱7的剖视图，其材料为合金钢，表面镀二硫化钼，镀层厚度为1 2m，两端通孔分别与移动柱连接轴6和锁柱连接轴8连接。 0018 图8a为本发明中锁柱9的结构示意图，图8b为本发明中锁柱9的主视图，图8c 为本发明中锁柱9的剖视图，其材料为合金钢，表面镀二硫化钼，镀层厚度为1。
25、2m，上端 槽用于粘接锁芯10，下端两通孔与锁柱连接轴8连接。 说 明 书CN 104309821 A 5/5页 7 0019 图9a为本发明中锥形保护轴承套23的结构示意图，图9b为本发明中锥形保护轴 承套23的俯视图，图9c为本发明中锥形保护轴承套23的剖视图，其材料为为轴承钢GCr15 或不锈钢9Cr18，内锥面锥度为45度，内锥面与锥形保护轴承25外锥面形成磁悬浮飞轮保 护间隙，锁紧状态下，与锥形保护轴承25外锥面重合，约束飞轮转子24的两个径向平动和 两个径向转动共四个自由度。 0020 图10a为本发明中锥形保护轴承25的结构示意图，图10b为本发明中锥形保护轴 承25的剖视图，其。
26、材料为轴承钢GCr15或不锈钢9Cr18，外锥面锥度为45度，外锥面与锥形 保护轴承套23形成磁悬浮飞轮保护间隙，锁紧状态下，与锥形保护轴承套23内锥面重合， 约束飞轮转子24的两个径向平动和两个径向转动共四个自由度。 0021 图11为本发明中可重复锁紧机构20在磁悬浮飞轮中位置示意图，在磁悬浮飞轮 系统中，一般需要3个或4个可重复锁紧机构20均匀安装在飞轮底座21圆周方向上，对磁 悬浮飞轮进行锁紧或解锁，实现对磁悬浮飞轮系统的保护功能。 0022 总之，本发明的锁紧装置保护了磁悬浮飞轮系统，具有可重复使用、可靠性高、结 构简单等优点。 0023 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专。
27、业技术人员公知的现有技术。 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在 不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发 明的保护范围。 说 明 书CN 104309821 A 1/5页 8 图1 图2 说 明 书 附 图CN 104309821 A 2/5页 9 图3 图4 图5a 图5b 图5c 说 明 书 附 图CN 104309821 A 3/5页 10 图6a 图6b 图6c 图7a 图7b 图7c 图8a 图8b 说 明 书 附 图CN 104309821 A 10 4/5页 11 图8c 图9a 图9b 图9c 图10a 图10b 说 明 书 附 图CN 104309821 A 11 5/5页 12 图11 说 明 书 附 图CN 104309821 A 12 。