CN108562285B - 一种由并联式直线型超声电机驱动的控制力矩陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由并联式直线型超声电机驱动的控制力矩陀螺，属于控制力矩陀螺技术领域，包括转动组件，固定组件；转动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；通过固定组件中的并联式直线型超声电机精确控制角动量的旋转角速度，从而实现精确控制输出力矩的大小和方向；通过控制电路驱动控制转动组件的转速变化，改变转动组件动量；本发明通过使用高精度，高响应的并联式直线型超声电机方案，使产品寿命长，体积小，重量轻，控制精度高，响应快，动作时间短，特别适合对小型航天器的姿态和快速机动精确控制。

Description

一种由并联式直线型超声电机驱动的控制力矩陀螺

技术领域

本发明属于控制力矩陀螺技术领域，涉及空间机动平台实现快速机动任务的航天执行机构，是一种能够满足卫星力学环境试验条件的超声电机控制力矩陀螺，具体是指一种由并联式直线型超声电机驱动的控制力矩陀螺。

背景技术

为实现在轨航天飞行器的姿态调整，用以达到特定目的，例如将所携带观测设备对准某个方向等，目前有两大类实现方式，其中，控制力矩陀螺消耗电能，工作寿命不受限于从地面所携带燃料质量，以广泛用于长期在轨飞行器。

然而现有控制力矩陀螺均采用电磁电机驱动，控制陀螺力矩。电磁电机因受限于其自身工作原理，致使其控制精度差，响应慢，自重大，易受电磁干扰。此外，由于控制力矩陀螺的工作要求，需要额外添加框架制动机构，使整个结构进一步复杂化。

为解决上述问题，增加控制精度，提高响应速度，消除宇宙射线的电磁干扰，采用超声电机替代原有的电磁电机驱动框架旋转；同时，得益于超声电机断电自锁的特性，去掉原有控制力矩陀螺的框架制动机构，精简了整个工作机构。减轻重量；同时，为进一步增加控制力矩陀螺的寿命，本发明使用非粘胶工艺的直线型超声电机，使其工作寿命不再受限于胶水老化。此外，还可根据实际情况适当增减超声电机数量。

发明内容

本发明针对现有技术中电磁电机驱动存在的响应慢，控制精度差，锁死机构复杂，自重大等问题，公开了一种由并联式直线型超声电机驱动的控制力矩陀螺。本发明通过构建二段式的力矩陀螺，通过转动组件，固定组件配合，转动组件框架由并联直线型超声电机驱动控制。使用非粘胶工艺的直线型超声电机，大大增加产品使用寿命，便于实现高精度，高响应，动作迅速，低延迟控制。且采用多个超声电机并联方案，根据实际需求灵活配置超声电机使用数量，大大降低动作时间。

本发明是这样实现的：

一种由并联式直线型超声电机驱动的控制力矩陀螺，整体分为二段式结构，上端部分为转动组件，下端部分为固定组件；

转动组件包括动量轮保护壳体，动量轮保护壳体内部包括动量轮、高速电机、第一角度编码器；动量轮保护壳体固定框架使用两端支持结构与动量轮保护壳体外部连接；

通过固定框架连接下端的固定组件；即固定框架下端依次连接中间基体、第二角度编码器、基座、超声电机、滑环、耐磨陶瓷；

所述的超声电机的转子与固定框架连接；超声电机定子部分与基座连接；所述的超声电机可以单独设置一个或并联两个及以上，超声电机使用非粘胶工艺的直线型超声电机，不用考虑胶水老化问题，提高寿命；并联的超声电机驱动控制转动组件,通过滑环为高速电机提供驱动和控制信号。

并联直线型超声电机具有低速大转矩、动作时间短，使用寿命长，结构简单、小型轻量、响应速度快，噪声低、控制精度高、断电自锁、不受磁场干扰，运动准确等优点，另外还具有耐低温、真空等适应太空环境的特点。

同时，相对于普通超声电机控制力矩陀螺，并联式直线型超声电机方案输出力矩更大，动作时间更短，使用寿命更长。直线型超声电机使用螺栓固连，无需粘胶工艺，在强辐射和高频震动工作环境下，可以获得更长使用寿命

进一步，所述的固定框架在中间基体、第二角度编码器之间还连接有A轴承、B轴承、卡簧。

进一步，所述的第二角度编码器的定子部分与中间基体连接；第二角度编码器的转子部分与固定框架连接；中间基体分别于与A轴承的外圈、 B轴承的外圈连接；中间基体与基座连接；固定框架分别与A轴承的内圈、 B轴承的内圈连接；固定框架与滑环转子部分连接。

进一步，所述的第二角度编码器的转子部分通过薄板与固定框架连接；超声电机与基座的连接通过定位销定位，螺栓连接；中间基体与基座通过定位槽定位，螺栓连接。

进一步，所述的第二角度编码器上方设置的卡簧，同时卡簧压住B轴承。

进一步，动量轮连接在高速电机的定子上组成或由动量轮作为高速电机的外转子组成。动量轮与高速电机一体化，结构紧凑，可靠度高。

进一步，所述的超声电机转子通过滑环施加预压力与固定框架连接。

进一步，所述的A轴承、 B轴承与固定框架连接是微过盈配合。

进一步，所述的动量轮转速通过第一角度编码器对高速电机转速形成闭环控制。

进一步，所述的固定框架通过A轴承，B轴承，卡簧，中间基体进行定位约束。

本发明与现有技术相比的有益效果在与：

1）本发明构建二段式的力矩陀螺，通过转动组件，固定组件配合，转动组件框架由并联直线型超声电机驱动控制。使用非粘胶工艺的直线型超声电机，大大增加产品使用寿命，便于实现高精度，高响应，动作迅速，低延迟控制。且采用多个超声电机并联方案，根据实际需求灵活配置超声电机使用数量；并且直线型超声电机使用螺栓固连，无需粘胶工艺，在强辐射和高频震动工作环境下，可以获得更长使用寿命，以及使用非粘胶工艺的直线型超声电机，大大增加产品使用寿命；

2）采用多个超声电机并联方案，根据实际需求灵活配置超声电机使用数量，大大降低动作时间；同时，使用并联直线型超声电机驱动转动组件，便于实现高精度，高响应，动作迅速，低延迟控制；

3）将动量轮与高速电机一体化，将转动组件基座，固定框架，固定转轴一体化，结构简单可靠。将整体结构分为两段式设计，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。

4）中间基体与基座设有定位槽，用于限位，既提高了安装精度，又避免了中间基体与基座的相对滑动。超声电机与基座的连接设有定位销，保证安装精度。同时驱动电路位于基座腔内，结构紧凑，同时也保护了驱动板；

5）首先由于质量轻，固定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；其次它突破了传统电机的概念，没有电磁绕组和磁路，不用电磁相互作用来转换能力，而是利用压电陶瓷的逆压电效应、超声振动和摩擦耦合来转换能量。从而实现了安静、稳定，高定位精度，不受电磁干扰等特点。高精度则为航天器对准观测目标提供了可靠保证；快响应，动作迅速使得航天器得以快速机动，避免错过转瞬即逝的瞬间，赢得对目标的观测时间；结构简单提高可靠性；

6）超声电机质量小可以为寸土寸金的航天器赢得装备其他设备的质量空间；高分辨率可以让航天器实现清晰的对地观测；高精度则为航天器对准观测目标提供了可靠保证；快响应，动作迅速使得航天器得以快速机动，避免错过转瞬即逝的瞬间，赢得对目标的观测时间；结构简单提高可靠性。在转瞬即逝的战场环境下，只有高响应，高分辨率，高精度定位动作迅速相互配合实现航天器的快速机动，快速定位，快速侦测目标，具有重大的国防意义。

附图说明

图1 为本发明由并联式直线型超声电机驱动的控制力矩陀螺的半剖视图；

图2为本发明由并联式直线型超声电机驱动的控制力矩陀螺的侧面视图；

图3为本发明的一种二超声电机并联方式的底部视图；

其中，1-动量轮，2-高速电机，3-第一角度编码器，4-A轴承，5-B轴承，6-卡簧，7-薄板，8-第二角度编码器，9-基座，10-超声电机，11-超声电机转子（耐磨陶瓷），12-滑环，13-中间基体，14-固定框架，15-动量轮保护壳体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1~2所示，本发明包括转动组件，固定组件，固定组件，力矩陀螺整体分为二段式结构，上端部分为转动组件，下端部分为固定组件。

转动组件包括动量轮保护壳体15，动量轮保护壳体15内部包括动量轮1、高速电机2、第一角度编码器3；动量轮1连接在高速电机2定子上组成或由动量轮1作为高速电机2的外转子组成；

固定组件包括固定框架14，固定框架14使用两端支持结构使转动组件与固定框架14一体；固定框架14下端还依次包括A轴承4、B轴承5、卡簧6、超声电机10、滑环12；固定框架14分别于与A轴承4的内圈、 B轴承5的内圈连接，A轴承4、 B轴承5与固定框架14连接是微过盈配合；超声电机转子11通过滑环12施加预压力与固定框架14连接；固定框架14与滑环12转子部分连接。

固定组件自上而下依次包括中间基体13、第二角度编码器8、基座9、超声电机10、滑环12；第二角度编码器8定子部分与中间基体13连接；第二角度编码器8的转子部分与固定框架14连接；超声电机10定子部分与基座9连接；中间基体13分别于与A轴承4的外圈、 B轴承5的外圈连接；中间基体13与基座9连接。所述的第二角度编码器8的定子部分通过薄板7与中间基体13连接；超声电机10与基座9的连接通过定位销定位，螺栓连接；中间基体13与基座9通过定位槽定位，螺栓连接；所述的第二角度编码器8上方设置的卡簧6，同时卡簧6压住B轴承5。

固定组件由并联直线型超声电机10驱动控制，高速电机2的驱动控制线路经由固定框架14的轴心孔，滑环12与外部电路相连，固定组件通过滑环12为转动组件提供驱动和控制信号。

如图3所示，两个超声电机并联方案及安装的底部示意图，并联的直线型超声电机固定在基座上，通过驱动足驱动位于框架转动轴的上定子（耐磨陶瓷）,使之旋转。根据实际需要，基座位置可以多电机并联驱动。

本发明具体应用途径很多，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，还可以做出若干改变，如不使用一体式固定框架，改变并联直线型超声电机的数量，位置，角度，外观等，这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种由并联式直线型超声电机驱动的控制力矩陀螺，其特征在于，所述的控制力矩陀螺整体分为二段式结构，上端部分为转动组件，下端部分为固定组件；所述的转动组件包括动量轮保护壳体（15），动量轮保护壳体（15）内部包括动量轮（1）、高速电机（2）、第一角度编码器（3）；固定框架（14）使用两端支持结构与动量轮保护壳体（15）外部连接；通过固定框架（14）连接下端的固定组件；固定框架（14）下端通过A轴承（4）、B轴承（5）依次连接中间基体（13）、第二角度编码器（8）、基座（9）、超声电机（10）、滑环（12）；

所述的超声电机（10）的超声电机转子（11）与固定框架（14）连接；超声电机（10）定子部分与基座（9）连接；所述的超声电机（10）设置单个或并联两个及以上；超声电机（10）驱动控制转动组件, 转动组件通过滑环（12）为高速电机（2）提供驱动和控制信号；

所述的固定框架（14）在中间基体（13）、第二角度编码器（8）之间还连接有A轴承（4）、B轴承（5）、卡簧（6）；

所述的第二角度编码器（8）的定子部分与中间基体（13）连接；第二角度编码器（8）的转子部分与固定框架（14）连接；中间基体（13）分别于与A轴承（4）的外圈、 B轴承（5）的外圈连接；中间基体（13）与基座（9）连接；固定框架（14）分别与A轴承（4）的内圈、 B轴承（5）的内圈连接；固定框架（14）与滑环（12）转子部分连接；

所述的第二角度编码器（8）的转子部分通过薄板（7）与固定框架（14）连接；超声电机（10）与基座（9）的连接通过定位销定位，螺栓连接；中间基体（13）与基座（9）通过定位槽定位，螺栓连接；并联的直线型超声电机固定在基座上，通过驱动足驱动位于框架转动轴的上定子，使之旋转；所述的基座位置可以多电机并联驱动。

2.根据权利要求1所述的一种由并联式直线型超声电机驱动的控制力矩陀螺，其特征在于，所述的第二角度编码器（8）上方设置的卡簧（6），同时卡簧（6）压住轴承B（5）。

3.根据权利要求1所述的一种由并联式直线型超声电机驱动的控制力矩陀螺，其特征在于，动量轮（1）连接在高速电机（2）的定子上组成或由动量轮（1）作为高速电机（2）的外转子组成。

4.根据权利要求1所述的一种由并联式直线型超声电机驱动的控制力矩陀螺，其特征在于，所述的超声电机转子（11）通过滑环（12）施加预压力与固定框架（14）连接。

5.根据权利要求1所述的一种由并联式直线型超声电机驱动的控制力矩陀螺，其特征在于，所述的A轴承（4）、 B轴承（5）与固定框架（14）连接是微过盈配合。

6.根据权利要求1所述的一种由并联式直线型超声电机驱动的控制力矩陀螺，其特征在于，所述的动量轮转速通过第一角度编码器（3）对高速电机转速形成闭环控制。

7.根据权利要求1所述的一种由并联式直线型超声电机驱动的控制力矩陀螺，其特征在于，所述的固定框架（14）通过A轴承（4），B轴承（5），卡簧（6），中间基体（13）进行定位约束。