CN107741746B - 一种控制力矩陀螺用框架系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制力矩陀螺用框架系统，可作为大型卫星、空间站等大型航天器的姿态控制执行机构，由旋变端机械轴承、导电滑环、旋转变压器、旋变座、旋变轴、谐波轴、框架、电机座、谐波减速器、框架电机定子组件、框架电机转子组件、电机端机械轴承等组成。框架芯轴由框架力矩电机驱动带动所连接的陀螺转子旋转以输出陀螺力矩，旋转变压器负责输出框架芯轴的角位置信号反馈给力矩电机的控制系统从而实现对力矩电机的控制，力矩电机采用有铁芯分数槽结构以减小漏磁，电机输出的力矩经谐波减速器放大后传递至陀螺转子从而输出陀螺力矩。本发明具有布局紧凑，体积小重量轻，系统噪声小，框架系统的控制精度和转矩输出效率高等优点。

Description

一种控制力矩陀螺用框架系统

技术领域

本发明涉及航天器姿态控制惯性执行机构技术领域，具体涉及一种控制力矩陀螺用框架系统。

背景技术

控制力矩陀螺是空间站等长期运行的大型航天器实现姿态控制的关键执行机构。航天器姿态控制的机动灵活性要求控制力矩陀螺框架系统能实现最快角速度14.3°/s，最大输出力矩50N.m的高精度旋转机动，其机动角速度的控制精度与输出力矩是控制力矩陀螺的关键指标，直接影响着航天器姿态控制精度、姿态机动能力与响应速度，而框架系统的结构与指标性能对上述指标有着重要影响。框架力矩电机是决定框架速度控制精度与输出转矩大小的关键因素。目前控制力矩陀螺框架力矩电机定子多为无铁芯结构或有铁芯无齿槽结构，虽然减小了转矩脉动，但输出力矩受到影响，漏磁等现象也较为严重，在需要快速机动且需要输出大力矩的航天器场合应用受到限制。目前有铁芯的控制力矩陀螺框架力矩电机定子易出现磁密饱和情况，使得电机控制呈现非线性特性，不利于控制力矩陀螺框架力矩电机的高精度控制，也不利于大型航天器对于大转矩输出的需求。有铁芯有齿槽结构的电机从结构上较好地解决了这种问题。该电机具有输出力矩大且平稳、转矩密度高及响应速度快的优势，这对于控制力矩陀螺框架系统的高精度高稳定控制有着显著意义；此外该电机采用整数槽结构，通过优化永磁体磁极结构降低转矩脉动，减小了电机磁偏拉力，降低了绕组磁动势中的奇数次和偶数次谐波，提高了控制精度。该控制力矩陀螺用框架系统在航空航天、舰船潜艇、精密制造等领域有较大发展前景。

发明内容

本发明旨在解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种输出力矩大、比转矩密度高、输出转矩平稳、输出转速平稳、转矩控制精度高、转速控制精度高、体积小、重量轻、寿命长、功耗低、工作性能稳定的控制力矩陀螺用框架系统。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种控制力矩陀螺用框架系统，由旋变端机械轴承、导电滑环、旋转变压器、旋变座、旋变轴、谐波轴、框架、电机座、谐波减速器、框架电机定子组件、框架电机转子组件、电机端机械轴承等组成，其中框架通过旋变轴和谐波轴与壳体相连，旋变轴通过旋变端机械轴承与框架固连，谐波轴通过电机端机械轴承与框架固连，框架的一端与框架电机定子组件相连，另一端与旋转变压器的旋变外法兰相连，旋转变压器的旋变内螺纹环的一段与导电滑环的静止部分相连，旋转变压器的旋变内螺纹环的另一端以及导电滑环的转动部分与另一端的旋变轴固连，框架电机转子组件与谐波减速器的一端连接，谐波减速器的另一端与谐波轴的一端固连，谐波轴的另一端及旋变轴的一端与控制力矩陀螺转子组件相连，框架电机定子组件通过电机座与框架固连。

所述的框架电机定子组件由框架电机定子铁芯和框架电机定子绕组组成，其中框架电机定子铁芯为有齿槽铁芯，与框架电机转子组件配合形成整数槽框架力矩电机，框架电机定子铁芯的内表面与框架电机转子组件的永磁体部分的外表面之间留有一定间隙，形成框架力矩电机气隙，框架电机定子铁芯与电机座相连，框架电机定子绕组绕制在框架电机定子铁芯的每个齿槽中。

所述的框架电机定子铁芯的槽数为k，k≥48。

所述的框架电机转子组件由转子挡环，永磁体，转子铁芯，电机轴组成，转子挡环与永磁体和转子铁芯的左侧端部相连，永磁体内侧与转子铁芯外侧相连，电机轴与永磁体和转子铁芯的右侧端部相连。

所述的框架电机转子组件中的永磁体分块数为t，t≥16，永磁体端部采用两级削角处理，第一级削角为α，经优化后角度为30°，第二级削角为β，优化后角度为56°。

所述的旋转变压器由旋变外法兰和旋变内螺纹环组成，其中旋变外法兰的一端与框架的一端相连，旋变内螺纹环的一端与导电滑环的静止部分相连，旋变内螺纹环的另一端与旋变轴固连。

所述的框架通过框架开孔与陀螺基座相连，并通过陀螺基座将框架输出的陀螺力矩传递到卫星本体以实现对卫星的姿态控制。

本发明的原理是：当控制力矩陀螺接收到控制指令对航天器进行姿态调整时，框架力矩电机驱动框架系统转子部分以一定角速度旋转，此时旋转变压器检测到所转过的角度和瞬态角速度，并将角位置信号与角速度信号反馈给控制器，与指令信号进行反馈控制，从而实现角位置和角速度的精确控制，框架系统的旋转轴与磁悬浮转子系统转子组件的角动量方向始终保持空间垂直关系，根据陀螺力矩方程，控制力矩陀螺将输出一个控制力矩，该控制力矩通过框架系统的底座与航天器的机械接口传递到航天器上，从而对航天器进行姿态控制。框架系统采用有铁芯有齿槽的力矩电机以提高转矩密度，力矩电机采用整数槽结构以降低绕组磁动势中的奇数次和偶数次谐波，同时转子永磁体采用优化削角处理的结构以优化气隙磁密波形，降低转矩脉动，提高控制精度。

本发明与现有技术相比的优点在于：一种有铁芯有齿槽结构的框架力矩电机，该力矩电机采用整数槽结构，永磁体削角处理，结构简单，成本低，能有效降低转矩脉动，提高转矩密度，提高转矩与转速控制精度，能有效防止铁芯磁密饱和。采用有铁芯有齿槽结构电机的控制力矩陀螺框架系统，具有输出力矩大且平稳、转矩密度高及响应速度快的优势，这对于控制力矩陀螺框架系统的高精度高稳定控制有着显著意义；此外该电机采用整数槽结构，通过优化永磁体磁极结构降低转矩脉动，减小了电机磁偏拉力，降低了绕组磁动势中的奇数次和偶数次谐波，永磁体采用优化削角结构，优化气隙磁密波形，降低转矩脉动，提高控制精度。本发明公布的控制力矩陀螺用框架系统总体结构简单，成本低，能有效降低转矩脉动，提高转矩密度，提高转矩与转速控制精度，能有效防止铁芯磁密饱和。提高了控制精度。该控制力矩陀螺用框架系统在航空航天、舰船潜艇、精密制造等领域有较大发展前景。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的控制力矩陀螺用框架系统示意图；

图2为本发明的框架力矩电机定子组件意图；

图3为本发明的框架力矩电机转子组件示意图；

图4为本发明的永磁体与转子铁芯示意图；

图5为本发明的永磁体结构示意图；

图6为本发明的旋转变压器示意图；

图7为本发明的框架结构示意图；

图8为本发明的框架等轴测视图；

图9为实施例控制力矩陀螺用框架系统的转矩脉动随永磁体112的第一级削角α在20°-45°之间变化的关系曲线；

图10为实施例控制力矩陀螺用框架系统的转矩脉动随永磁体112的第二级削角β在47°-62°之间变化的关系曲线。

附图标记：

旋变端机械轴承1；导电滑环2；旋转变压器3；旋变座4；旋变轴5；谐波轴6；框架7；电机座8；谐波减速器9；框架电机定子组件10；框架电机转子组件11；电机端机械轴承12；控制力矩陀螺转子组件13；陀螺基座14；

框架电机定子铁芯101；和框架电机定子绕组102；

转子挡环111；永磁体112；转子铁芯113；电机轴114；

旋变外法兰31；旋变内螺纹环32；

框架开孔701；

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的控制力矩陀螺用框架系统。

如图1所示，本发明实施的框架7通过旋变轴5和谐波轴6与壳体相连，旋变轴5通过旋变端机械轴承1与框架7固连，谐波轴6通过电机端机械轴承12与框架7固连，框架7的一端与框架电机定子组件10相连，另一端与旋转变压器3的旋变外法兰相连，旋转变压器3的旋变内螺纹环的一段与导电滑环2的静止部分相连，旋转变压器3的旋变内螺纹环的另一端以及导电滑环2的转动部分与另一端的旋变轴5固连，框架电机转子组件11与谐波减速器9的一端连接，谐波减速器9的另一端与谐波轴6的一端固连，谐波轴6的另一端及旋变轴5的一端与控制力矩陀螺转子组件13相连，框架电机定子组件10通过电机座8与框架7相连。本发明所述的控制力矩陀螺用框架系统，由旋变端机械轴承1、导电滑环2、旋转变压器3、旋变座4、旋变轴5、谐波轴6、框架7、电机座8、谐波减速器9、框架电机定子组件10、框架电机转子组件11、电机端机械轴承12等组成。

如图2所示，本发明所述的框架电机定子组件10由框架电机定子铁芯101和框架电机定子绕组102组成，其中框架电机定子铁芯101为有齿槽铁芯，与框架电机转子组件11配合形成整数槽框架力矩电机，框架电机定子铁芯101的内表面与框架电机转子组件11的永磁体112部分的外表面之间留有一定间隙，形成框架力矩电机气隙。框架电机定子铁芯101与电机座8相连，框架电机定子绕组102绕制在框架电机定子铁芯101的每个齿槽中。本发明所述的框架电机定子铁芯101的槽数为k，k≥48，通过适当增加电机定子槽数并选用一定的极对数与之配合可以使气隙磁密波形更加接近正弦分布，减小齿槽转矩脉动，提高力矩电机控制精度。

如图3所示，所述的框架电机转子组件11由转子挡环111，永磁体112，转子铁芯113，电机轴114组成。转子挡环111与永磁体112和转子铁芯113的左侧端部相连，起到在左侧对永磁体112和转子铁芯113的轴向定位作用，永磁体112内侧与转子铁芯113外侧相连，电机轴114与永磁体112和转子铁芯113的右侧端部相连，起到在右侧对永磁体112和转子铁芯113的轴向定位作用。

如图4所示，永磁体112内侧与转子铁芯113外侧相连，也就是说，永磁体112内圆表面贴附在转子铁芯113的外圆表面上，所述的框架电机转子组件11中的永磁体112分块数为t，t≥16。通过保证永磁体合理的分块数并与电机定子槽数相匹配，使得力矩电机反电势谐波减少，框架角速度控制精度提高。

如图5所示，永磁体端部采用两级削角处理，其中永磁体112外圆端部切边与所在的外圆端部端点处切线的夹角为第一级削角α，该削角经优化后的角度为30°，永磁体112内圆端部切边与所在的内圆端部端点处切线的夹角为第二级削角β，该削角经优化后的角度为56°。通过合理优化两级削角的角度，使得力矩电机气隙磁密谐波减少，改善气隙磁密波形，使得框架电机转矩脉动降低，从而提高了框架系统的转矩控制精度。

如图6所示，所述的旋转变压器3由旋变外法兰31和旋变内螺纹环32组成，其中旋变外法兰31的一端与框架的一端相连，旋变内螺纹环32的一端与导电滑环2的静止部分相连，旋变内螺纹环32的另一端与旋变轴5固连。旋转变压器3的主要作用是为框架系统提供角位置信号，同时将角位置信号反馈到控制力矩陀螺的外部控制系统。旋转变压器3通过检测位于框架转子部分的旋变内螺纹环32所转过的角度，通过旋变外法兰31将角位置信号反馈给控制器，与指令信号进行反馈控制，从而实现对角位置的精确控制。

如图7所示，所述的框架7通过框架开孔701与陀螺基座14相连，并通过陀螺基座14将框架输出的陀螺力矩传递到卫星本体以实现对卫星的姿态控制，框架7采用轻量化设计，以尽可能减轻框架系统的重量。如图8所示为框架7的等轴侧视图。根据本发明实施例的框架结构轻量化设计对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

如图9所示是本实施例控制力矩陀螺用框架系统的转矩脉动随永磁体112的第一级削角α在20°-45°之间变化的关系曲线。电机的转矩脉动随第一级削角α的增大先逐渐减小后逐渐增大，在第一级削角α为30°时达到最小值48mN.m，优选地，本实施例永磁体112的第一级削角α为30°。

如图10所示是本实施例控制力矩陀螺用框架系统的转矩脉动随永磁体112的第二级削角β在47°-62°之间变化的关系曲线。电机的转矩脉动随第二级削角β的增大先逐渐减小后逐渐增大，在第二级削角β为56°时达到最小值64mN.m，优选地，本实施例永磁体112的第二级削角β为56°

本发明中涉及到的本领域公知技术未详细阐述。

Claims (1)

1.一种控制力矩陀螺用框架系统，其特征在于：由旋变端机械轴承(1)、导电滑环(2)、旋转变压器(3)、旋变座(4)、旋变轴(5)、谐波轴(6)、框架(7)、电机座(8)、谐波减速器(9)、框架电机定子组件(10)、框架电机转子组件(11)、电机端机械轴承(12)等组成，其中框架(7)通过旋变轴(5)和谐波轴(6)与壳体相连，旋变轴(5)通过旋变端机械轴承(1)与框架(7)固连，谐波轴(6)通过电机端机械轴承(12)与框架(7)固连，框架(7)的一端与框架电机定子组件(10)相连，另一端与旋转变压器(3)的旋变外法兰相连，旋转变压器(3)的旋变内螺纹环的一段与导电滑环(2)的静止部分相连，旋转变压器(3)的旋变内螺纹环的另一端以及导电滑环(2)的转动部分与另一端的旋变轴(5)固连，框架电机转子组件(11)与谐波减速器(9)的一端连接，谐波减速器(9)的另一端与谐波轴(6)的一端固连，谐波轴(6)的另一端及旋变轴(5)的一端与控制力矩陀螺转子组件(13)相连，框架电机定子组件(10)通过电机座(8)与框架(7)固连；

所述的框架电机定子组件(10)由框架电机定子铁芯(101)和框架电机定子绕组(102)组成，其中框架电机定子铁芯(101)为有齿槽铁芯，与框架电机转子组件(11)配合形成整数槽框架力矩电机，框架电机定子铁芯(101)的内表面与框架电机转子组件(11)的永磁体(112)部分的外表面之间留有一定间隙，形成框架力矩电机气隙，框架电机定子铁芯(101)与电机座(8)相连，框架电机定子绕组(102)绕制在框架电机定子铁芯(101)的每个齿槽中；

所述的框架电机定子铁芯(101)的槽数为k，k≥48；

所述的框架电机转子组件(11)由转子挡环(111)，永磁体(112)，转子铁芯(113)，电机轴(114)组成，转子挡环(111)与永磁体(112)和转子铁芯(113)的左侧端部相连，永磁体(112)内侧与转子铁芯(113)外侧相连，电机轴(114)与永磁体(112)和转子铁芯(113)的右侧端部相连；

所述的永磁体(112)分块数为t,t≥16，永磁体端部采用两级削角处理，第一级削角为α，经优化后角度为30°，第二级削角为β，优化后角度为56°；

所述的旋转变压器(3)由旋变外法兰(31)和旋变内螺纹环(32)组成，其中旋变外法兰(31)的一端与框架的一端相连，旋变内螺纹环(32)的一端与导电滑环(2)的静止部分相连，旋变内螺纹环(32)的另一端与旋变轴(5)固连；

所述的框架(7)通过框架开孔(701)与陀螺基座(14)相连，并通过陀螺基座(14)将框架输出的陀螺力矩传递到卫星本体以实现对卫星的姿态控制。

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