CN107515632A - 一种框架式控制力矩陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由超声电机驱动控制的单框架控制力矩陀螺，该陀螺是由超声电机驱动实现小型高精度，高响应变速控制力矩陀螺，特别是一种可以以超高精确输出变力矩的单框架控制力矩陀螺，属于控制力矩陀螺技术领域；其包括高速组件，连接支架，滑环组件，低速组件。高速组件提供角动量所需的转动惯量，并通过滑环组件为其提供电力支持和转速控制信号。本发明通过使用高精度，高响应的超声电机，产品体积小，重量轻，控制精度高，响应快。特别适合对小型航天器的姿态和快速机动精确控制。

Description

一种框架式控制力矩陀螺

技术领域

本发明专利属于一种空间机动平台实现快速机动任务的航天执行机构，特别涉及一种能够用于中小型卫星的单框架框架式超声电机控制力矩陀螺。

技术背景

中小型卫星具有重量轻、体积小、可快速发射、在轨敏捷机动等特点。小型单框架控制力矩陀螺具有输出力矩大，功耗低等优点，是空间机动平台实现快速机动任务的理想航天执行机构。由于运载火箭发射对尺寸和重量有严格限制，以及单框架控制力矩陀螺以多组出现，要求单框架控制力矩陀螺体积小、重量轻，有满足卫星敏捷激动需求的力矩输出能力。

框架式控制力矩陀螺的优点是可以实现模块化设计，低速组件和高速组件均可单独设计并进行测试，而且高速组件可以借鉴现有的成熟的飞轮技术，结构紧凑，可靠度高。

与传统的电磁电机相比，超声电机具有不同的电机结构，工作特性和驱动机理。超声电机的特点可以归纳如下：断电自锁力矩大，响应时间短，力矩质量比高，运行无噪音，无电磁干扰，结构紧凑，另外还具有耐低温、真空等适应太空环境的特点。

首先由于质量轻，体积小，解决了空间机动平台的对姿态调整执行机构尺寸、重量限制的问题；其次低速且大转矩从而不需要附加齿轮等变速结构，避免了使用齿轮变速而产生的震动、冲击与噪声、低效率、难控制等一系列问题；除此之外，超声电机是利用逆压电效应产生超声振动，并结合摩擦耦合转换能量，不会受到电磁干扰，稳定性高。

以往的控制力矩陀螺使用滑环作为供电设备，为高速组件以及编码器供电并传输信号。使用滑环会有滑环短路、信号干扰太大、滑环转动阻尼较大、防护等级与使用环境不符、电路设计无保护电路以及容易过载烧毁等问题。控制力矩陀螺作为一种航天执行机构，对信号精度要求较高，滑环同时用于供电和传输信号，会对信号产生极大的噪声，不利于驱动电路接收以及处理信号；滑环本身易过载烧毁，甚至过热导致电刷与导电环之间形成焊点；抗环境干扰能力较差，在太空绝热环境表现不佳。

无线传输供电使用磁谐振无线电能传输系统。该系统物理结构简单，尺寸小、重量轻，在中距离上传输效率较高。使用无线传输供电，可以代替滑环等供电器件，避免了信号受供电电路影响，有效减少了信号噪声，提高了信号精度。无线传输供电系统相对于滑环，高度更低，提高壳体内部电路设计的灵活性，进一步压缩壳体内部空间，减小整个机构的尺寸；系统工作寿命长，更适合在太空高低温绝热环境下长时间工作。无线传输供电也存在功率较小的问题，为了能够提供足够能量需要设计较大线圈；系统在金属腔体内工作会受到一定程度上的干扰。

发明内容

本发明专利的目的在于提供一种精度高、结构刚度高、尺寸和重量小，同时能够实现空间机动平台快速机动任务的框架式控制力矩陀螺。

实现本发明专利的技术方案：一种无线传输供电超声电机控制力矩陀螺，包括高速组件、连接支架、低速组件、编码器和无线传输供电组件。其中高速组件的电机由磁耦合谐振无线供电系统进行供电，低速组件则由超声电机进行控制。

所述高速组件的飞轮为类纺锤型飞轮，一对高速电机的旋转轴通过定位销与飞轮固定连接，对飞轮进行驱动控制。飞轮外安装有保护壳体。

所述连接支架包括厚底法兰、两个直立半圆板、一根低速空心主轴，连接支架底部设有厚底法兰，法兰中心部位向下延伸出低速空心主轴；法兰上连接有两块与其垂直的且互相平行的近似半圆板。

所述的低速组件包括主壳体、一对轴承、两个隔套、超声电机和主壳体，轴承、隔套、超声电机都安装于主壳体内，其中隔套A通过螺栓与主壳体固定连接，隔套B通过螺栓与隔套A固定连接；主壳体通过螺栓与主壳体固定连接。

所属高速组件的两块保护壳体通过螺栓与连接支架的直立圆板连接，两个高速电机也通过螺栓与连接支架的直立圆板连接。

所述的连接支架的低速空心主轴通过轴承与低速组件的隔套连接。

所述的编码器的转子部分与低速空心主轴固定连接，编码器定子部分与低速组件的外壳体固定连接。

所述的无线传输供电组件包括发送组件和接收组件，发送组件为中空圆形，穿过低速空心主轴并固定连接在低速组件的主壳体上，接收组件为中空圆形，固定连接在低速空心主轴上。

所述的低速组件的外侧壁设有航空插座。

本发明专利有益的效果在于：将高速组件主壳体、低速框架、低速转轴一体化，结构简单可靠，一次装夹完成所有工序，便于提高零部件精度，同轴度高。低速框架平台做成圆形以及和中间基体间的迷宫环，便于密封粉尘。将整体结构分为三段式设计，便于安装双轴承，消减震动和提高控制精度，并且安装，维护方便。使用超声电机驱动低速转轴，便于实现高精度，高响应，低延迟控制。中间基体与主壳体设有定位槽，用于限位，既提高了安装精度，又避免了中间基体与主壳体的相对滑动。超声电机与主壳体的连接设有定位销，保证安装精度。同时驱动电路位于主壳体腔内，结构紧凑，同时也保护了驱动板。

附图说明：

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的左视图；

图3为本发明的内部结构视图；

图4为本发明的外部结构示意图；

图5为本发明的工作原理图；

图中：1-飞轮；2、3-第一、第二保护壳体；4、高速电机；5、6、9、11- 第一至四深沟球轴承；7-编码器；8-连接支架；10-隔套A；12-隔套B；13-编码器；14-方键；15-接收组件；16-发送组件；17-超声电机；18-主壳体；19-底板。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明专利所提供的一种框架式控制力矩陀螺，

它包括高速组件、连接支架、低速组件、编码器、无线传输供电组件，所述高速组件设置在保护壳体内，所述保护体内为空心腔室，中间位置设有高速主轴，所述高速组件安装在高速主轴上，所述保护壳体侧壁与连接支架侧壁固定连接；所述连接支架连接低速空心主轴，低速空心主轴与低速组件固定连接，编码器和无线传输供电组件也与连接支架的低速空心主轴部分固定连接。

所述的高速组件的壳体底部设有密封接插件，密封接插件与电缆的一段连接，电缆的另一端通过连接支架的低速空心主轴的空心部分与连接支架外壳体上。

所述的高速组件包括高速电机、飞轮、保护壳体；所述飞轮的外部设有保护客体，所述高速电机通过销与飞轮同轴心连接。

所述的连接支架包括两个半圆板、一个平台和一根低速空心主轴，所述支架底部设有平台，平台上连接两块垂直半圆板，平台中心处向垂直于平台且与半圆板相反方向延伸出低速空心主轴。

所述的低速组件包括两个隔套、超声电机和主壳体，所述主壳体内为空心腔室，其中间位置设有低速空心主轴，在所述低速空心主轴上依次套装有隔套A、隔套B与超声电机；在所述的两个隔套与低速空心主轴连接处设有轴承。

所述的超声电机转轴通过销与方键连接，方键通过键连接与低速空心主轴固定连接，超声电机定子部分与低速组件的主壳体固定连接。

所述的编码器内设有转子，其转子部分与低速空心主轴固定连接，编码器定子部分与低速组件的外壳体固定连接。

所述的无线传输供电组件包括发送组件和接收组件，所述发送组件为中空圆形，穿过低速空心主轴并固定连接在低速组件的主壳体上，接收组件为中空圆形，固定连接在低速空心主轴上。

在使用时，所述的低速组件的外侧壁设有航空插座。

实施例

如图1至图5所示，该框架上控制力矩陀螺包括高速组件、连接支架、低速组件、编码器以及无线电能传输组件。高速组件包括飞轮1、第一第二保护壳体 2和3、第一第二深沟球轴承5和6以及高速电机4和编码器7。连接支架8为一体化构件。低速组件包括第三第四深沟球轴承9和11、隔套A 10和隔套B 12、方键14、超声电机17、主壳体18和主壳体19。编码器13、无线电能传输接收组件15和发送组件16套在主壳体18内。

飞轮1用于产生角动量、低速组件使用超声电机17带动连接支架上的低速空心主轴转动，用于改变角动量的矢量方向产生力矩、连接支架8用于连接高速组件和低速组件。

如图1、图2和图3所示，高速电机4通过销与飞轮1连接，并且通过6个 M3*20内六角圆柱头螺栓固定连接在支架的直立半圆板上，第一第二保护壳体2 和3通过4个M3*15内六角圆柱头螺栓固定在连接支架的直立半圆板上。连接支架8的低速空心主轴与第三第四深沟球轴承9和11的内圈相连，深沟球轴承的外圈则与隔套A相连。隔套A和隔套B通过3个M3*6内六角圆柱头螺钉连接，隔套A通过6个M3.5*18内六角圆柱头螺钉固定连接。主壳体18通过4个M6*25 内六角圆柱头螺栓固定连接在主壳体上。编码器通过3个M2内六角圆柱头螺钉固定连接在隔套B上。超声电机17的转子部分与连接支架8的低速空心主轴相连，定子部分通过4个M2内六角圆柱头螺钉固定在主壳体18上。

如图1所示，主壳体17的侧壁设有航空插头，航空插头通过螺钉固定在主壳体侧壁上。

本发明专利具体应用途径很多，以上所述仅是本发明专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明专利原理的前提下，在本发明专利方案范围内进行的通常变化和替换，都应包含在本专利的保护范围内。本发明专利未作详细描述的内容均可采用现有技术。

Claims (9)

1.一种框架式控制力矩陀螺，其特征在于：它包括高速组件、连接支架、低速组件、编码器、无线传输供电组件，所述高速组件设置在保护壳体内，所述保护体内为空心腔室，中间位置设有高速主轴，所述高速组件安装在高速主轴上，所述保护壳体侧壁与连接支架侧壁固定连接；所述连接支架连接低速空心主轴，低速空心主轴与低速组件固定连接，编码器和无线传输供电组件也与连接支架的低速空心主轴部分固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种框架式控制力矩陀螺，其特征在于：所述的高速组件的壳体底部设有密封接插件，密封接插件与电缆的一段连接，电缆的另一端通过连接支架的低速空心主轴的空心部分与连接支架外壳体上。

3.根据权利要求1或2所述的一种框架式控制力矩陀螺，其特征在于：所述的高速组件包括高速电机、飞轮、保护壳体；所述飞轮的外部设有保护壳体，所述高速电机通过销与飞轮同轴心连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种框架式控制力矩陀螺，其特征在于：所述的连接支架包括两个半圆板、一个平台和一根低速空心主轴，所述支架底部设有平台，平台上连接两块垂直半圆板，平台中心处向垂直于平台且与半圆板相反方向延伸出低速空心主轴。

5.根据权利要求1或2所述的一种框架式控制力矩陀螺，其特征在于：所述的低速组件包括两个隔套、超声电机和主壳体，所述主壳体内为空心腔室，其中间位置设有低速空心主轴，在所述低速空心主轴上依次套装有隔套A、隔套B与超声电机；在所述的两个隔套与低速空心主轴连接处设有轴承。

6.根据权利要求5所述的一种框架式控制力矩陀螺，其特征在于：所述的超声电机转轴通过销与方键连接，方键通过键连接与低速空心主轴固定连接，超声电机定子部分与低速组件的主壳体固定连接。

7.根据权利要求6所述的一种框架式控制力矩陀螺，其特征在于：所述的编码器内设有转子，其转子部分与低速空心主轴固定连接，编码器定子部分与低速组件的外壳体固定连接。

8.根据权利要求7所述的一种框架式控制力矩陀螺，其特征在于：所述的无线传输供电组件包括发送组件和接收组件，所述发送组件为中空圆形，穿过低速空心主轴并固定连接在低速组件的主壳体上，接收组件为中空圆形，固定连接在低速空心主轴上。

9.根据权利要求8所述的一种框架式控制力矩陀螺，其特征在于：所述的低速组件的外侧壁设有航空插座。