CN107922059A - 用于航天器的姿态稳定的动量轮装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于航天器的姿态稳定的动量轮装置，其具有基座(1)、转子(2)、用于驱动转子(2)相对于基座(1)旋转的磁驱动器(4)以及设置于转子(2)和基座(1)之间的滚动轴承(3)。通过磁驱动器(4)能够在转子(2)和基座(1)之间产生磁力，用于预紧滚动轴承(3)。转子(2)的外径(A)可以是例如最大只为滚动轴承直径(W)的2.5倍。

Description

用于航天器的姿态稳定的动量轮装置
技术领域
本发明涉及一种用于航天器的姿态稳定的动量轮装置，特别是用于卫星的姿态控制。
背景技术
这种动量轮装置或飞轮是已知的。动量轮通过驱动装置旋转，从而能够通过回转效应实现稳定效果。为了获得有效的回转效应，有利的是，将飞轮质量的尽可能大的部分定位在尽可能远的外侧，从而使该质量能够以尽可能大的直径围绕飞轮的旋转轴旋转。
由DE 39 21 765 A1已知这种飞轮，其类似于自行车车轮，具有位于内部的定子、位于外部的转子和通过定子上的辐条可旋转地支撑转子的轮毂。该轮毂通过两个滚动轴承可旋转地支撑在定子上。
这种动量轮也被称为反作用轮，几十年来已经证明了其适用于卫星的姿态控制。其中，转子的支承通常通过至少两个滚动轴承实现，该滚动轴承设计为固定轴承和浮动轴承。
发明内容
本发明的任务在于提供一种动量轮装置，其中，相对于已知的动量轮装置，简化了构造并降低了制造成本。
根据本发明，这一任务通过一种具有权利要求1的特征的动量轮装置得以实现。有利的实施方案在从属权利要求中可知。
用于航天器的姿态稳定的动量轮装置具有基座、转子、用于驱动转子相对于基座旋转的磁驱动器、以及设置于转子和基座之间的滚动轴承。其中，能够通过磁驱动器在转子和基座之间产生磁力，用于预紧滚动轴承。转子的外径最大为滚动轴承直径的2.5倍。
因此，基座上的转子由磁驱动器驱动旋转，由此实现期望的回转稳定效果。转子由滚动轴承可相对于基座旋转地支承。然而，若只设置一个滚动轴承，通过该方式则首先无法实现静态确定的支承。
静态确定通过由磁驱动器在转子和基座之间产生磁力来实现。该磁力特别是将转子吸向基座的吸引力。以这种方式预紧滚动轴承。
因此，转子在基座上的支承以某种方式相当于机械轴承(滚动轴承)与由磁驱动器形成的磁性轴承的结合。
该构造使得滚动轴承可以比现有技术中已知的滚动轴承设计得大得多。在现有技术中，转子的外径可以例如约是滚动轴承直径的5倍以上或10倍以上，而在本文所述的动量轮装置中，转子的外径与滚动轴承直径相近。
滚动轴承直径在此应理解为，当转子旋转时，滚动体的重心在其上移动的圆的直径。例如，若滚动体为球，滚动轴承直径就对应球中心点所环绕的圆的直径。对于其他滚动体也相应适用。
转子可以根据不同的实施方案设计为，转子的外径从下组中选择，即最大为滚动轴承直径的2倍、最大为滚动轴承直径的1.5倍、最大为滚动轴承直径的1.3倍、最大为滚动轴承直径的1.2倍。因此，根据不同的实施方案，外径可以为滚动轴承直径的至多2倍或至多1.5倍或至多1.3倍或至多1.2倍或至多1.0倍。
转子的外径与滚动轴承直径之比越小，滚动轴承就越相对于转子向外设置。如下文所述，以这种方式甚至能够使由滚动轴承的外轴承环来形成转子成为可能。在这种情况下，转子的外径与滚动轴承直径的比值很小，例如仅为约1.17，即小于1.2。
该比例甚至可以更小，例如小于1.0，例如为0.9。在这种情况下，转子的外径因而等于或小于滚动轴承直径，从而使滚动轴承相对于转子位于更外侧。驱动器就可以安装在例如滚动轴承的内环之内。
磁驱动器可以具有设置在转子上的、具有多个磁极的磁环，以及具有与该磁环相对地设置在基座上的磁闭合装置(Rückschlusseinrichtung)以及在磁环和磁闭合装置之间设置于基座上的磁线圈。磁驱动器因此可以以本身已知的方式构造，并以圆形构造的直线马达的形式驱动转子相对于基座旋转。
作用在转子和基座之间的磁力能够特别是在动量轮装置运转时产生于磁环和闭合装置之间。在此，所需的磁力通过滚动轴承设计，特别是通过所选择或所需的轴承预紧力预先给出，并且在设计磁驱动器时必须对此有所考虑。通过磁驱动器的相应设计和电流负载就能够实现和维持期望的轴承预紧力。此外，如后所述，磁力产生的预紧力可以通过附加的保持磁体进一步增强。
如上所述，能够只用单个滚动轴承就将转子支承在基座上。因此，不同于现有技术，不需要第二个滚动轴承来实现静态确定的支承。
如有需要，该单个滚动轴承也可以通过两个紧密相邻设置的滚动体圈(例如球环)来实现，这两个滚动体圈就如同单个轴承一样起作用。由此能够实现滚动轴承的承载能力的提高。相应的具有两个滚动体圈的滚动轴承可由相关的滚动轴承制造商提供，因而是已知的。其具有提高的承载量，但被视为单个滚动轴承。
滚动轴承可以被设计用于吸收径向力和轴向力。吸收轴向力也是特别有意义的，因为磁驱动器方面会产生轴向力作为滚动轴承的预紧力。该轴向力连同其他力，例如转子的重力，必须通过滚动轴承吸收。
因此对于该滚动轴承适用例如推力轴承、主轴轴承等。
只要保证由磁驱动器产生的预紧力始终足以预紧滚动轴承，轴向力就必须由滚动轴承只在一个方向上吸收。由此确保滚动轴承免于分解。
滚动轴承的滚动体，例如球，可以在保持架中被引导，该保持架则能够同时用于轴承的再润滑。再润滑也可以通过单独的润滑系统来实现，其中，至少一部分部件设置在可旋转的转子上，或者也设置在由转子包围的自由的内部区域内。
滚动轴承可以具有设置在基座上的下轴承环和设置在转子上的上轴承环。在这一点上，术语“下轴承环”和“上轴承环”可任意选择，以便能够根据其配置区分两个轴承环。也可以使用例如“第一轴承环”和“第二轴承环”。“下”和“上”的标识在空间方向方面不具意义。
在一个实施方案中，设置在转子上的上轴承环可以是外轴承环，而下轴承环就形成内轴承环。同样，在一个变形方案中，也可以反向设置，其中上轴承环对应内轴承环，且下轴承环对应外轴承环。
特别是在一个变形方案中，设置在基座上的下轴承环可以由陶瓷材料制成，以节省重量，这对于动量轮装置的投入使用可以具有十分重要的意义。
上轴承环可以一体地形成在转子上。特别是，上轴承环和转子可以是同一部件，使得上轴承环成为转子的整体部件。因此，上轴承环本身就用作回转质量或直接集成到回转环(转子)中。轴承环则用作磁极的载体。
通过马达的磁作用力将上轴承环压入或压向下轴承环。轴承可以自由旋转，并由集成的马达驱动。磁驱动器由此代替第二个滚动轴承，以这种方式简化了结构，从而也能够降低成本。
当只使用一个滚动轴承时，也会产生较小的运行噪音。由于动量轮装置构造紧凑，也不会如在根据现有技术的动量轮中通常会发生的一样，由于其他壳体的共鸣增强运行噪音。滚动轴承的预紧不需复杂化，因为轴承预紧力能够通过磁驱动器调节。由此也简化了装配。
在一个实施方案中，可以在转子上设置附加质量体。在这种情况下，转子是滚动轴承的一个轴承环，并且如上所述，转子承载属于磁驱动器的磁环。附加质量体可以作为单独的附加元件固定在转子上。
特别是，附加质量体可以设计为安装在转子上的附加质量环。
转子质量的增加能够产生更强的离心力，这实现了航天器的姿态稳定性的增强。特别是当航天器是较大的卫星，具有较大的质量并因此具有较大的惯性时，这是有利的。
附加质量体的提供还实现了例如动量轮装置的模块化设计。当动量轮装置计划用于较小较轻的卫星时，转子自身就可能足以实现足够强的稳定力。当用于较大较重的航天器时，可以额外安装附加质量体。
由于其重力，附加质量体可以在相应的重力比下产生力，该力反作用于由磁驱动器产生的磁力，并由此导致滚动轴承相互分开或分离。对于这种情况，可为有利的是，在转子上或在基座上设置作用于转子和基座之间的保持磁体，以在转子和基座之间产生磁保持力。
保持磁体例如可以是固定在转子上的保持磁环。该保持磁环例如也可以安装在转子的内部。
当磁驱动器的磁力不足以将沉重的、且如有需要甚至通过附加质量体额外加重的转子可靠地保持在基座上时，由保持磁体施加的保持力是用于将转子和基座保持在一起的吸引力。
可以设置润滑装置用于润滑滚动轴承。在此例如可以是上文已经提到的保持架，其同时也将滚动体保持在它们各自的位置。同样可能的是，润滑装置设置在可旋转的转子上或设置在由转子包围的自由的内部区域内，并用作再润滑系统。特别是，润滑装置可以设计为主动作用的或被动作用的。
因此，在被动润滑装置的情况下，可以通过转子旋转时的离心力作用输送润滑剂，例如油或轴承润滑脂，以润滑滚动轴承。也可以通过合适的毛细管装置实现毛细管润滑。
在主动润滑装置的情况下，可以设置润滑剂的输送装置。这例如可以是润滑剂泵，例如还使用压电元件，其如同在喷射系统中一样输送润滑剂。
附图说明
以下借助示例参照附图详细说明本发明的以上和其他优点和特征。其中：
图1示出了动量轮装置的截面。
具体实施方式
图1示出了用于航天器(例如卫星)的姿态稳定的动量轮装置的截面图。
该动量轮装置具有基座1，该基座可旋转地支撑转子2。
基座1应具有足够的稳定性，以及特别是具有扭转刚度，以便在运行中的作用力下也能够可靠地支撑转子2。
通过滚动轴承3将转子2支承在基座1上。转子2代表实际的飞轮或动量轮，其在运转中以高转数旋转，并由此产生期望的离心力以稳定航天器。
转子2具有合适的直径，例如大至200mm或更大。由于转子2的整个质量位于外侧，即远离中轴线X，能够高效率地产生期望的离心力。
为了驱动转子2相对于基座1旋转，设置有磁驱动器4。磁驱动器4具有磁环5，该磁环由转子2支撑并具有相应数量的磁极。
此外，磁驱动器4具有多个磁线圈6，该磁线圈以适当的方式设置在基座1之中或之上，并可以通过未示出的控制器控制。
此外，同样作为磁驱动器4的一部分，在基座1的背面还设置有磁闭合装置7。
磁驱动器4原则上是设置为圆形的磁性直线马达。控制器以适当的方式控制磁线圈6，以便与磁环5内的磁极共同作用并使转子2转动。这种磁驱动器4的构造是已知的，因而在此不作详细说明。
控制电子装置以及特别是磁驱动器4所必需的其他组件(功率电子装置等)可以例如设置在基座1上的由转子2包围且(如图1所示)自由的空间内。以这种方式实现了动量轮装置的非常紧凑的构造。在该空间内，也可以设置用作润滑装置的再润滑系统的组件，该再润滑系统例如具有压电元件用于为滚动轴承3输送润滑剂。
在图1所示的实施例中，滚动轴承3是凹槽球轴承。然而，也可以使用其他轴承类型，例如圆柱滚子轴承、滚针轴承等。滚动轴承3具有外轴承环8(也称作上轴承环)和内轴承环9(也称作下轴承环)。两个轴承环8、9之间设置有滚动体，该滚动体在图1所示的实施例中是球10。
外轴承环8是转子2的整体部件。反过来也可以说，在图1所示的实施例中，转子2由轴承环8形成。在另一个未在图1中示出的实施例中，外轴承环8也可以由固定在转子2上的单独部件形成。
为了滚动轴承3的正确运转，必须设置相应的足够数量的球10均匀地分布于轴承环8、9之间。为使球10在圆周上相互间均匀间隔，球10由未在图1中示出的轴承保持架以通常的方式保持。该轴承保持架不仅可以用于将球10保持在其相应的位置，还可以用于提供润滑剂，以确保滚动轴承3的更长期的润滑。特别是在将动量轮用于卫星时，通常要力求终身润滑。
润滑装置也可以例如是离心力传动装置，并可以例如通过未示出的、设置在旋转部件上的润滑装置来实现。润滑装置也可以设置在滚动轴承3内部的自由空间内，例如使用毛细管润滑装置或具有润滑剂输送装置的主动润滑系统。润滑剂输送装置例如可以是压电注射元件。
转子2和滚动轴承3围绕中轴线X旋转对称地设置。转子2的外径A在此可以仅略大于滚动轴承3的滚动轴承直径W。
滚动轴承直径W定义为，其对应滚动体(这里：球10)的重心在其上移动的圆的直径。
转子2的外径A与滚动轴承直径W之比越小，转子2就可以设计得越有效和紧凑。例如最大为1.5的比值就被证明为特别合适。在图1所示的示例性的动量轮装置中，外径A与滚动轴承直径W的比值不足1.2。
如上所述，转子2在基座1上的机械支承仅通过单个滚动轴承3实现。为了防止滚动轴承3的分解并实现静态确定的支承，还通过磁驱动器4在转子2和基座1之间产生磁力(吸引力)。该磁力必须足够大，以防止滚动轴承3的分解。
以这种方式，能够可靠且稳定地运行动量轮装置。
在图1所示的实施例中，在转子2上额外设置有附加质量环11形式的附加质量体。该附加质量环11安装在转子2的上侧，从而增加转子2的整体回转质量。
由于附加质量环11是与转子2及外轴承环8分开的部件，在制造动量轮装置时，就可以简单地通过选择不同的附加质量环11来提供不同的附加质量，从而实现不同的飞轮效应。
当整个转子2的质量大时，特别是在通过附加质量环11附加重质量的情况下，会出现这种可能，即磁驱动器4的磁保持力不足以防止滚动轴承3的分离。对于这种情况，可为有利的是，在转子2或基座1上附加设置图1未示出的保持磁环，以在转子2和基座1之间产生附加的磁保持力。由于保持磁环不具有附加的机械可动部件，因此不受到磨损。此外，该保持磁环也不会产生更多可能影响动量轮运转的振动。

Claims (12)

1.一种用于航天器的姿态稳定的动量轮装置；具有
-基座(1)；
-转子(2)；
-用于驱动所述转子(2)相对于所述基座(1)旋转的磁驱动器(4)；以及具有
-设置于所述转子(2)和所述基座(1)之间的滚动轴承(3)；
其中，
-通过所述磁驱动器(4)能够在所述转子(2)和所述基座(1)之间产生磁力，用于预紧所述滚动轴承(3)；并且其中，
-所述转子的外径(A)最大为所述滚动轴承直径(W)的2.5倍。
2.根据权利要求1所述的动量轮装置，其中，所述转子(2)设计为，所述转子(2)的外径(A)从下组中选择：
-最大为所述滚动轴承直径(W)的2倍，
-最大为所述滚动轴承直径(W)的1.5倍，
-最大为所述滚动轴承直径(W)的1.3倍，
-最大为所述滚动轴承直径(W)的1.2倍，
-最大为所述滚动轴承直径(W)的1.0倍。
3.根据权利要求1或2所述的动量轮装置，其中，所述磁驱动器(4)具有：
-设置在所述转子(2)上的、具有磁极的磁环(5)；
-与所述磁环(5)相对地设置在所述基座(1)上的磁闭合装置(7)；以及
-在所述磁环(5)和所述磁闭合装置(7)之间设置于所述基座(1)上的磁线圈(6)。
4.根据前述权利要求任一项所述的动量轮装置，其中，在所述动量轮装置的运转中能够在所述磁环(5)和所述闭合装置(7)之间产生磁力。
5.根据前述权利要求任一项所述的动量轮装置，其中，在所述转子(2)和所述基座(1)之间设置有单个滚动轴承(3)。
6.根据前述权利要求任一项所述的动量轮装置，其中，所述滚动轴承(3)设计用于吸收径向力和轴向力。
7.根据前述权利要求任一项所述的动量轮装置，其中，所述滚动轴承(3)具有：
-设置在所述基座(1)上的下轴承环(9)；以及
-设置在所述转子(2)上的上轴承环(8)。
8.根据前述权利要求任一项所述的动量轮装置，其中，所述上轴承环(8)一体地形成在所述转子(2)上。
9.根据前述权利要求任一项所述的动量轮装置，其中，在所述转子(2)上设置有附加质量体(11)。
10.根据前述权利要求任一项所述的动量轮装置，其中，所述附加质量体设计为设置在所述转子(2)上的附加质量环(11)。
11.根据前述权利要求任一项所述的动量轮装置，其中，在所述转子(2)上或在所述基座(1)上设置有作用于所述转子(2)和所述基座(1)之间的保持磁体，以在所述转子(2)和所述基座(1)之间产生磁保持力。
12.根据前述权利要求任一项所述的动量轮装置，其中，设置有润滑装置用于润滑所述滚动轴承。
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