CN102901492A - 一种机电一体化小型变速控制力矩陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机电一体化小型变速控制力矩陀螺，特别是一种可以变速的小型单框架控制力矩陀螺，属于控制力矩陀螺技术领域。包括高速组件、高速驱动线路组件、连接支架和低速组件。高速组件提供角动量所需的转动惯量；高速驱动线路组件安装于高速组件背面，在控制力矩陀螺模式下驱动高速组件内的高速电机转子、轴承组件转子和轮体以指令转速旋转从而产生控制力矩陀螺所需的恒定角动量，在动量轮模式下驱动高速组件内的高速电机转子、轴承组件转子和轮体升降速从而输出沿转子轴方向的力矩。本发明在不增加结构体积的情况下实现了机电一体化设计，产品体积小、重量轻、散热好，适合中小型航天器的姿态控制和快速机动应用。

Description

一种机电一体化小型变速控制力矩陀螺

技术领域

本发明涉及一种机电一体化小型变速控制力矩陀螺，特别是一种可以变速的小型单框架控制力矩陀螺，属于控制力矩陀螺技术领域。

背景技术

随着中小型航天器对姿态控制敏捷性的要求越来越迫切，小型单框架控制力矩陀螺应运而生。目前，对单框架控制力矩陀螺的大小还没有严格的划分，一般将角动量小于5Nms的称为微型控制力矩陀螺，将角动量在5Nms～50Nms之间的称为小型控制力矩陀螺，将角动量在50Nms～500Nms之间的称为中型控制力矩陀螺，将角动量大于500Nms的称为大型控制力矩陀螺。文献《CONTROLMOMENT GYRO FOR ATTITUDE CONTROL OF A SPACECRAFT》(Pub.No.：US2005/0109135A1)和《一种悬臂式控制力矩陀螺》(ZL201020154382.0)公开的单框架控制力矩陀螺是典型的小型控制力矩陀螺，但其高速转子不具有变速功能，且机械结构本体内未集成线路。虽然美国、英国和日本研发了微型变速控制力矩陀螺的原理样机，但都不具有机电一体化设计技术，且因其角动量偏小，难以在中小型航天器上得以应用。由于控制力矩陀螺群具有奇异问题使得其控制率较为复杂，而变速控制力矩陀螺在奇异规避方面具有优势，从而降低了控制率的复杂程度，且提高了控制系统的冗余度和可靠度。由于小型控制力矩陀螺应用于中小型航天器，对体积和重量要求苛刻，需要进行机电一体化设计，将机械结构本体和线路高度集成。因此，有必要设计研发一种机电一体化的小型变速控制力矩陀螺，以满足中小型航天器对姿态控制和快速机动的需求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种机电一体化小型变速控制力矩陀螺，在不增加结构体积的情况下实现了机电一体化设计，产品体积小、重量轻、散热好，适合中小型航天器的姿态控制和快速机动应用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种机电一体化小型变速控制力矩陀螺，包括高速组件、高速驱动线路组件、连接支架和低速组件。高速组件提供角动量所需的转动惯量；高速驱动线路组件安装于高速组件背面，在控制力矩陀螺模式下驱动高速组件内的高速电机转子、轴承组件转子和轮体以指令转速旋转从而产生控制力矩陀螺所需的恒定角动量，在动量轮模式下驱动高速组件内的高速电机转子、轴承组件转子和轮体升降速从而输出沿转子轴方向的力矩；连接支架连接高速组件和低速组件，并保证转子轴方向和框架轴方向的正交；低速组件主要包括框架轴系和低速驱动及控制线路板，在控制力矩陀螺模式下低速驱动及控制线路板驱动框架轴系和高速组件按指令转速绕框架轴旋转，从而输出同时正交于转子轴方向和框架轴方向的陀螺力矩，在动量轮模式下低速驱动及控制线路板将框架轴系、高速驱动线路组件、连接支架和高速组件锁定在指令位置。

所述高速驱动线路组件是月牙形的，在不增加结构体积的情况下实现了机电一体化，即高速驱动线路组件位于高速组件回转包络空间内。高速驱动线路组件包括高速驱动线路壳、高速驱动线路盖、高速驱动线路板、左接插件和右接插件，通过左接插件连接到高速组件的密封接插件上，实现与高速组件的电气连接，通过右接插件连接到导电环上，并通过导电环实现与低速驱动及控制线路板的电气连接。

所述高速驱动线路壳具有高速组件安装孔、高速驱动线路盖安装孔、高速驱动线路板安装孔、大功率器件安装孔、左接插件安装孔和右接插件安装孔，壳壁可以贴大功率器件，便于散热。

所述低速驱动及控制线路板位于低速组件内部，在不增加结构体积的情况下实现了机电一体化。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明实现了小型单框架控制力矩陀螺的机电一体化设计，且转子角动量可以变化。从目前掌握的公开资料看，还没有机电一体化的小型变速控制力矩陀螺产品。

(2)本发明将高速驱动线路以组件形式安装于高速组件背面，在不增加结构体积的情况下实现了机电一体化设计。这是根据控制力矩陀螺的工作原理和安装环境设计的，产品在控制力矩陀螺模式下工作时，高速组件、连接支架和框架轴系需要回转，因此产品在航天器上安装时需要留出高速组件的回转包络空间。本发明充分利用这个回转包络空间，设计了月牙形的高速驱动线路组件，节约空间且外形美观。

(3)本发明将低速驱动及控制线路以单板形式集成于低速组件内部，在不增加结构体积的情况下实现了机电一体化设计。传统的设计思路是将低速驱动及控制线路以线路盒形式贴于低速组件外壁，这样增加了体积和重量，不适合中小型航天器应用。

附图说明

图1为本发明一种机电一体化小型变速控制力矩陀螺的主视图；

图2为本发明一种机电一体化小型变速控制力矩陀螺的左视图；

图3为本发明一种机电一体化小型变速控制力矩陀螺的俯视图；

图4为本发明一种机电一体化小型变速控制力矩陀螺的轴测图；

图5为高速组件的轴测图；

图6为高速驱动线路壳的轴测图；

图7为连接支架的轴测图；

图8为低速组件的主视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1所示，本发明一种机电一体化小型变速控制力矩陀螺包括高速组件1、高速驱动线路组件2、连接支架3和低速组件4。

如图1和图5所示，高速组件1提供角动量所需的转动惯量；高速组件1包括圆柱形密封壳体26、高速电机27、轴承组件29、轮体28和密封接插件14。轴承组件29安装在圆柱形密封壳体26中心，高速电机27和轮体28安装于轴承组件29上；高速电机27驱动轴承组件29的转子转动，带动轮体28旋转，在控制力矩陀螺模式下提供沿转子轴方向的恒定角动量，在动量轮模式下通过升降速输出沿转子轴方向的力矩；转子轴方向为穿过高速电机27、轴承组件29和轮体28的回转轴方向。

如图1、图2和图4所示，高速驱动线路组件2包括高速驱动线路壳11、高速驱动线路盖12、高速驱动线路板13、左接插件5和右接插件6。高速驱动线路壳11外形为月牙形柱体，以适应高速组件回转包络空间，包络空间为图3中虚线10所包围的空间。高速驱动线路板13位于高速驱动线路壳11腔内，其形状与高速驱动线路壳11形状相适应，也为月牙形。高速驱动线路盖12为月牙形平板，固定在高速驱动线路壳11顶部，其形状与高速驱动线路壳11形状相适应。左接插件5通过左接插件安装孔19固定在高速驱动线路壳11的左端侧壁上，右接插件6通过右接插件安装孔20固定在高速驱动线路壳11的右端侧壁上。高速驱动线路壳11的侧壁可以用于安装大功率器件21，便于散热。

如图6所示，高速驱动线路壳11具有高速组件安装孔15、高速驱动线路盖安装孔16、高速驱动线路板安装孔17、大功率器件安装孔18、左接插件安装孔19和右接插件安装孔20。

如图7所示，连接支架3为半锥体，上面弧形部分与高速驱动线路壳11的内月牙的形状相匹配。连接支架3的上面部分有4个通孔A31，该4个通孔A31平行于转子轴方向，螺钉通过该4个通孔A31将连接支架3固定在高速组件1上。连接支架3的下面部分有6个通孔B32，该6个通孔B32垂直于转子轴方向并同时平行于框架轴方向，螺钉通过该6个通孔B32将连接支架3固定在低速组件4上的框架轴系8上。

如图2和图8所示，低速组件4包括框架轴系8、低速电机22、角位置传感器23、导电环7、低速驱动及控制线路板9、框架座30、接插件A24和接插件B25。框架轴系8是圆柱形回转体，通过其上的轴承安装于框架座30上。低速电机22的转子固定在框架轴系8上，低速电机22的定子固定在框架座30上。角位置传感器23的转子固定在框架轴系8上，角位置传感器23的定子固定在框架座30上。导电环7固定于角位置传感器23的定子上，导电环7上端的环线33连接到右接插件6上，环线33随着高速驱动线路组件2转动，导电环7下端的刷线34连接到低速驱动及控制线路板9上。低速驱动及控制线路板9为圆环形，固定于圆柱形框架座30内腔中。接插件A24和接插件B25固定于框架座30上。外部电源通过接插件A24和接插件B25向低速驱动及控制线路板9供电，外部控制计算机通过接插件A24和接插件B25与低速驱动及控制线路板9进行信号交互。低速电机22的引线和角位置传感器23的引线连接到低速驱动及控制线路板9上。

如图1和图2所示，高速组件1通过高速组件安装孔15实现与高速驱动线路组件2的机械连接；密封接插件14与左接插件5通过导线连接，从而实现高速组件1和高速驱动线路组件2间的电气连接。

外部电源和外部控制计算机通过接插件A24和接插件B25与低速驱动及控制线路板9实现功率和信号的传输。低速驱动及控制线路板9一方面通过导电环7控制高速驱动线路组件2中的电路，驱动高速电机27的转子转动，带动轴承组件29的转子和轮体28转动，在控制力矩陀螺模式下提供沿转子轴方向的恒定角动量，在动量轮模式下通过升降速输出沿转子轴方向的力矩；低速驱动及控制线路板9一方面接受角位置传感器23的信号，并驱动低速电机22的转子转动，带动框架轴系8、连接支架3、高速组件1和高速驱动线路组件2转动，在控制力矩陀螺模式下输出同时正交于转子轴方向和框架轴方向的陀螺力矩，在动量轮模式下低速驱动及控制线路板9将框架轴系8、连接支架3、高速组件1和高速驱动线路组件2锁定在指令位置。框架轴方向为穿过框架轴系8的回转轴方向。

高速驱动线路壳11和高速驱动线路盖12的厚度不小于2mm，可以提高线路的抗辐照能力。高速驱动线路壳11的高度由大功率器件21的尺寸所决定，尽量选择尺寸较小的大功率器件21，以减小高速驱动线路组件2的体积。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种机电一体化小型变速控制力矩陀螺，其特征在于：包括高速组件(1)、高速驱动线路组件(2)、连接支架(3)和低速组件(4)；

高速组件(1)包括圆柱形密封壳体(26)、高速电机(27)、轴承组件(29)、轮体(28)和密封接插件(14)；轴承组件(29)安装在圆柱形密封壳体(26)中心，高速电机(27)和轮体(28)安装于轴承组件(29)上；高速电机(27)驱动轴承组件(29)转动，带动轮体(28)旋转；

高速驱动线路组件(2)包括高速驱动线路壳(11)、高速驱动线路盖(12)、高速驱动线路板(13)、左接插件(5)和右接插件(6)；高速驱动线路壳(11)外形为月牙形柱体，高速驱动线路板(13)位于高速驱动线路壳(11)腔内，其形状与高速驱动线路壳(11)形状相适应，也为月牙形；高速驱动线路盖(12)为月牙形平板，固定在高速驱动线路壳(11)顶部，其形状与高速驱动线路壳(11)形状相适应；左接插件(5)通过左接插件安装孔(19)固定在高速驱动线路壳(11)的左端侧壁上，右接插件(6)通过右接插件安装孔(20)固定在高速驱动线路壳(11)的右端侧壁上；

高速驱动线路壳(11)具有高速组件安装孔(15)、左接插件安装孔(19)和右接插件安装孔(20)；

连接支架(3)为半锥体，上面弧形部分与高速驱动线路壳(11)的内月牙的形状相匹配；连接支架(3)的上面部分固定在高速组件(1)上；连接支架(3)的下面部分固定在低速组件(4)上的框架轴系(8)上；

低速组件(4)包括框架轴系(8)、低速电机(22)、角位置传感器(23)、导电环(7)、低速驱动及控制线路板(9)、框架座(30)、接插件A(24)和接插件B(25)；框架轴系(8)是圆柱形回转体，通过其上的轴承安装于框架座(30)上；低速电机(22)的转子固定在框架轴系(8)上，低速电机(22)的定子固定在框架座(30)上；角位置传感器(23)的转子固定在框架轴系(8)上，角位置传感器(23)的定子固定在框架座(30)上；导电环(7)固定于角位置传感器(23)的定子上，导电环(7)上端的环线(33)连接到右接插件(6)上，环线(33)随着高速驱动线路组件(2)转动，导电环(7)下端的刷线(34)连接到低速驱动及控制线路板(9)上；低速驱动及控制线路板(9)为圆环形，固定于圆柱形框架座(30)内腔中；接插件A(24)和接插件B(25)固定于框架座(30)上；

高速组件(1)通过高速组件安装孔(15)实现与高速驱动线路组件(2)的机械连接；密封接插件(14)与左接插件(5)通过导线连接，从而实现高速组件(1)和高速驱动线路组件(2)间的电气连接。

2.根据权利要求1所述的一种机电一体化小型变速控制力矩陀螺，其特征在于：高速驱动线路壳(11)的侧壁安装有大功率器件(21)。

3.根据权利要求1所述的一种机电一体化小型变速控制力矩陀螺，其特征在于：连接支架(3)的上面部分有4个通孔A(31)，该4个通孔A(31)平行于转子轴方向，螺钉通过该4个通孔A(31)将连接支架(3)固定在高速组件(1)上。

4.根据权利要求1所述的一种机电一体化小型变速控制力矩陀螺，其特征在于：连接支架(3)的下面部分有6个通孔B(32)，该6个通孔B(32)垂直于转子轴方向并同时平行于框架轴方向，螺钉通过该6个通孔B(32)将连接支架(3)固定在低速组件(4)上的框架轴系(8)上。

5.根据权利要求1所述的一种机电一体化小型变速控制力矩陀螺，其特征在于：外部电源通过接插件A(24)和接插件B(25)向低速驱动及控制线路板(9)供电，外部控制计算机通过接插件A(24)和接插件B(25)与低速驱动及控制线路板(9)进行信号交互；低速电机(22)的引线和角位置传感器(23)的引线连接到低速驱动及控制线路板(9)上。

6.根据权利要求1所述的一种机电一体化小型变速控制力矩陀螺，其特征在于：高速驱动线路壳(11)和高速驱动线路盖(12)的厚度不小于2mm。

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