CN110963083A - 一种双定子超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双定子超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺，包括框架、动量轮、高速电机、第一至第四轴承、底座、编码器和双定子超声电机；框架包括方框架和轴部；动量轮转轴的两端分别通过轴承和方框架对应连接；高速电机和动量轮同轴设置；底座两端设有供框架轴部穿过的通孔；框架轴部通过轴承和底座的通孔相连；编码器安装于底座一端用于测量框架轴部的转速；框架电机的转子采用销连接件和框架轴部的另一端端相连，用于驱动框架轴部转动。框架电机使用双定子超声电机，该电机在原有单定子旋转行波型超声电机的基础上进一步提高了输出力矩，提高了响应速度。本发明能够满足高精度小型空间机动平台的需要。

Description

一种双定子超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺

技术领域

本发明涉及空间机动平台实现快速机动任务的航天执行机构，尤其涉及一种小型框架式控制力矩陀螺。

背景技术

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，现有的单框架控制力矩陀螺尚不能达到要求。

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。

超声电机是一种新型电机，它利用了压电材料的逆压电效应，在压电材料上施加交流信号产生交变电场，进而激发出压电材料在超声频段内的振动，并将这一振动放大，通过摩擦作用转换为电机转子的运动，作为功率输出并驱动其他负载。与传统电机相比，超声电机具有低转速、大力矩、响应速度快、断电自锁、无电磁干扰等优点。采用超声电机驱动的框架式控制力矩陀螺可以实现稳定的力矩输出，频带较宽且响应快，在航空航天领域有着广泛的应用前景。

但是，现有的控制力矩陀螺多用于大型航天器中，较少出现适用于微小型航天器的控制力矩陀螺，尤其是皮纳卫星所需的小输出力矩控制力矩陀螺较少，需要输出力矩在1Nm以下的小型控制力矩陀螺。

发明内容

针对背景技术中所涉及到的缺陷，本发明的目的是提供一种双定子超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种双定子超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺，包括框架、动量轮、高速电机、底座、编码器；其中：

所述框架包括矩形架、第一轴部和第二轴部，所述矩形架包括两个相互平行的第一侧板和用于连接两个第一侧板的两块第一底板，并构成一个矩形结构；所述第一轴部的定位部分与矩形架一端的第一底板中心处通过螺栓固定连接，所述第二轴部的定位部分与矩形架另一端第一底板中心处通过螺栓固定连接，所述第一轴部与第二轴部用于带动矩形架旋转；

所述动量轮为横截面呈U字型的飞轮，其转轴两端分别通过第一轴承、第二轴承和所述矩形架的两个第一侧板连接，使得所述动量轮能够在矩形架内转动；

所述高速电机呈圆环状，其定子安装在所述动量轮的转轴外，并和矩形架的一个第一侧板固定相连，定子和动量轮同轴；高速电机的转子与动量轮的转轴通过方键相连接；

所述底座为U型结构，其包括两个相互平行的第二侧板和用于连接两个第二侧板的第二底板；两个第二侧板上均开设有通孔，所述框架的第一轴部通过第三轴承和一侧第二侧板上的通孔相连，第二轴部通过第四轴承和另一侧第二侧板上的通孔相连，其中，第三轴承、第四轴承的外圈和两个第二侧板的通孔固定，第三轴承、第四轴承的内圈分别和第一轴部、第二轴部固定；

所述编码器固定在底座上，用于测量框架的第一轴部和第二轴部的转速；

所述框架电机为双定子结构超声电机，固定在底座上，其转子和第一轴部固定连接，用于驱动第一轴部及第二轴部转动。

所述矩形架的两个第一侧板上分别设有第一轴承套、第二轴承套，分别用于对第一轴承、第二轴承的外圈进行轴向定位。

所述底座的两个第二侧板上分别设有第三轴承套、第四轴承套，分别用于对第三轴承、第四轴承的外圈进行轴向定位。

所述编码器固定在底座的一个第二侧板上，其转子部分和底座固定相连、定子部分和第二轴部固连，用于测量框架的第一轴部和第二轴部的转速；

所述框架电机通过双定子振动分别产生驱动所对应转子的驱动力，带动转子旋转。

所述框架电机包括一个电机底座，以及第一定子、第二定子、第一转子、第二转子，其中：

所述第一定子和第二定子分别位于电机底座的两侧，第一转子位于第一定子外侧，第二转子位于第二定子外侧，第一定子驱动第一转子运动，第二定子驱动第二转子运动；

所述第一转子与第二转子均加工有销槽，用于与第一轴部连接以驱动框架转动；

所述电机底座两侧内分别安装有第五轴承与第六轴承，第一转子通过第五轴承与第一定子相连，第二转子通过第六轴承与第二定子相连。

所述框架电机还包括第一外壳和第二外壳，分别设置于电机底座的两侧，且第一定子、第一转子、第五轴承位于第一外壳内，第二定子、第二转子、第六轴承位于第二外壳内；第一外壳给第一转子与第二转子之间提供与压力，第二外壳给第二转子与第二定子之间提供预压力。

所述电机底座两侧分别加工有齿结构，用于第一定子与第二定子的周向定位，同时采用胶接固定第一定子与第二定子的轴向运动。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明将高速组件主壳体、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；

2.本发明采用双定子超声电机作为框架驱动电机，相较传统行波型超声电机具有更大的输出力矩，同时双定转子结构提高了响应速度，拓宽了可控频带，有利于提高控制力矩陀螺的控制精度，提高航天器的响应速度与精度。

3.在双定子中其中一定子失效后，可以采用失效定子施加驻波，有效定子施加行波的驱动方式，增加了结构的可靠性。

4.本发明将高速电机安装内嵌与动量轮内，实现了结构小型化；

5.本发明将框架分割为三个部分即矩形框、第一轴部与第二轴部，便于框架结构的加工与安装；

6.本发明的结构简化了整机的高度，降低了质量；采用U型双支撑底座相较于原先单端支撑提高了框架旋转轴的精度，对于控制力矩陀螺整机输出精度的提高有明显积极意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的主视图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明的内部剖视图；

图5为本发明的双定子超声电机剖视图；

图6为本发明的超声电机整机结构示意图；

图中，1-动量轮，2-高速电机，3-矩形框，301-第一侧板，302-第一底板，4-第一轴部，5-第二轴部，6-底座，601-第二侧板，602-第二底板，7-框架电机，8-第一轴承套，9-第一轴承，10-第二轴承套，11-第二轴承，12-第三轴承套，13-第三轴承，14-第四轴承套，15-第四轴承，16-编码器，17-底座，18-第一定子，19-第一转子子，20-第二定子，21-第二转子，22-第五轴承，23-第六轴承，24-第一外壳，25-第二外壳，26-销槽，27-齿结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1至4所示，本发明的一种双定子超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺，包括框架、动量轮、高速电机、底座、编码器；其中：

框架包括矩形架3、第一轴部4和第二轴部5，矩形架3包括两个相互平行的第一侧板301和用于连接两个第一侧板301的两块第一底板302，并构成一个矩形结构；所述第一轴部4的定位部分与矩形架3一端的第一底板302中心处通过螺栓固定连接，所述第二轴部5的定位部分与矩形架3另一端第一底板302中心处通过螺栓固定连接，所述第一轴部4与第二轴部5用于带动矩形架3旋转；矩形架3的两个第一侧板301上分别设有第一轴承套8、第二轴承套10，分别用于对第一轴承9、第二轴承11的外圈进行轴向定位。

动量轮1为横截面呈U字型的飞轮，其转轴两端分别通过第一轴承9、第二轴承11和所述矩形架3的两个第一侧板301连接，使得所述动量轮1能够在矩形架3内转动。

高速电机2呈圆环状，其定子安装在所述动量轮1的转轴外，并和矩形架3的一个第一侧板301固定相连，定子和动量轮1同轴；高速电机2的转子与动量轮1的转轴通过方键相连接；

底座6为U型结构，其包括两个相互平行的第二侧板601和用于连接两个第二侧板601的第二底板602；两个第二侧板601上均开设有通孔，所述框架的第一轴部4通过第三轴承12和一侧第二侧板601上的通孔相连，第二轴部5通过第四轴承15和另一侧第二侧板601上的通孔相连，其中，第三轴承13、第四轴承15的外圈和两个第二侧板601的通孔固定，第三轴承13、第四轴承15的内圈分别和第一轴部4、第二轴部5固定；底座6的两个第二侧板601上分别设有第三轴承套12、第四轴承套14，分别用于对第三轴承13、第四轴承15的外圈进行轴向定位。

编码器16固定在底座6的一个第二侧板601上，其转子部分和底座6固定相连、定子部分和第二轴部12固连，用于测量框架的第一轴部4和第二轴部5的转速。

框架电机7为双定子结构超声电机，固定在底座6上，其转子和第一轴部4通过销机构固定连接，用于驱动第一轴部4及第二轴部5转动；框架电机7通过双定子振动分别产生驱动所对应转子的驱动力，带动转子旋转。

如图5和6所示，框架电机7包括一个电机底座17，以及第一定子18、第二定子20、第一转子19、第二转子21、第一外壳24和第二外壳25，其中：

第一定子18和第二定子20分别位于电机底座17的两侧，第一转子19位于第一定子18外侧，第二转子21位于第二定子20外侧，第一定子18驱动第一转子19运动，第二定子20驱动第二转子21运动；

第一转子19与第二转子21均加工有销槽26，用于与第一轴部4连接以驱动框架转动；

电机底座17两侧内分别安装有第五轴承22与第六轴承23，第一转子19通过第五轴承22与第一定子18相连，第二转子21通过第六轴承23与第二定子20相连。

第一外壳24和第二外壳25分别设置于电机底座17的两侧，且第一定子18、第一转子19、第五轴承22位于第一外壳24内，第二定子20、第二转子21、第六轴承23位于第二外壳25内；第一外壳24给第一转子19与第二转子21之间提供与压力，第二外壳25给第二转子21与第二定子20之间提供预压力。

电机底座17两侧分别加工有齿结构27，用于第一定子18与第二定子20的周向定位，同时采用胶接固定第一定子18与第二定子20的轴向运动。

本发明的双定子超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺在工作时，高速电机转动并通过键连接带动动量轮转动，产生角动量。双定子超声电机定子在压电陶瓷的激励下产生高频振动，该振动通过定转子间的摩擦作用转化为转子的周向运动。超声电机转子的运动通过销连接带动控制力矩陀螺的框架轴转动，使动量轮绕其径向转动，从而产生输出力矩，作用于航天器上，调整其姿态运动。

根据欧拉动力学方程，由陀螺运动产生的输出力矩表达式为：

式中I_p为动量轮的极惯量，Ω为高速电机转速，ω为框架转速；由于动量轮惯量较大，速度波动较小，因此可以忽略高速电机转速的波动量，其输出力矩T的简化表达式为

T_out＝ωI_pΩ

由该式可以看出，对于控制力矩陀螺而言，通过调节框架转速与高速动量轮转速可以调节输出力矩，对本发明所述的单框架控制力矩陀螺而言，高速动量轮转速一般为定制，主要通过调节框架转速调节输出力矩，进而实现航天器姿态调控的需求框架转动的动力学方程为：

式中I_R为超声电机转子极惯量，I_r为动量轮径向惯量，I_g为框架轴向惯量，C_R为线性阻尼因子，T_nl为非线性干扰力矩，T_usm为超声电机输出力矩。

上式中，超声电机的输出力矩为框架运动的主要驱动力矩，超声电机输出力矩性能直接影响框架的速度特性。超声电机由压电陶瓷激发定子振动，该振动通过摩擦作用转化为转子的转动，由此建立的超声电机的扭矩可以表示为

T_usm＝f₀(ω_id-ω)

式中，ω为实际转速，ω_id为理想转速，f₀为转速-力矩系数。

在考虑了定子振幅的死区后，理想转速ω_id表示为：

式中，f为驱动电压频率；W是定子振动的幅值；

是电机驱动电压的相位差；k是绕定子一周的波长的个数；b是定子的直径；h是定子厚度，W_TH为死区振幅。

由上式可以看出，超声电机的输出特性主要由其定子结构决定，由于双定子结构的引入，超声电机的获得了较大的转速-力矩系数，从而有较大的输出力矩与较快的电机响应。同时，在双定子中其中一定子失效后，可以采用失效定子施加驻波，有效定子施加行波的驱动方式，增加了结构的可靠性。

综上，本发明解决了微小型航天器的姿态机动的问题。该小型陀螺结构紧凑，质量小，安装方便。由于超声电机的高精度，使得该陀螺的框架旋转能够达到较高精度，进而进一步提高了航天器整机的姿态机动精度，使其具有较高的机动能力。

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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种双定子超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺，其特征在于：包括框架、动量轮、高速电机、底座、编码器；其中：

所述框架包括矩形架(3)、第一轴部(4)和第二轴部(5)，所述矩形架(3)包括两个相互平行的第一侧板(301)和用于连接两个第一侧板(301)的两块第一底板(302)，并构成一个矩形结构；所述第一轴部(4)的定位部分与矩形架(3)一端的第一底板(302)中心处固定连接，所述第二轴部(5)的定位部分与矩形架(3)另一端第一底板(302)中心处固定连接，所述第一轴部(4)与第二轴部(5)用于带动矩形架(3)旋转；

所述动量轮(1)为横截面呈U字型的飞轮，其转轴两端分别通过第一轴承(9)、第二轴承(11)和所述矩形架(3)的两个第一侧板(301)连接，使得所述动量轮(1)能够在矩形架(3)内转动；

所述高速电机(2)呈圆环状，其定子安装在所述动量轮(1)的转轴外，并和矩形架(3)的一个第一侧板(301)固定相连，定子和动量轮(1)同轴；高速电机(2)的转子与动量轮(1)的转轴通过方键相连接；

所述底座(6)为U型结构，其包括两个相互平行的第二侧板(601)和用于连接两个第二侧板(601)的第二底板(602)；两个第二侧板(601)上均开设有通孔，所述框架的第一轴部(4)通过第三轴承(12)和一侧第二侧板(601)上的通孔相连，第二轴部(5)通过第四轴承(15)和另一侧第二侧板(601)上的通孔相连，其中，第三轴承(13)、第四轴承(15)的外圈和两个第二侧板(601)的通孔固定，第三轴承(13)、第四轴承(15)的内圈分别和第一轴部(4)、第二轴部(5)固定；

所述编码器(16)固定在底座(6)上，用于测量框架的第一轴部(4)和第二轴部(5)的转速；

所述框架电机(7)为双定子结构超声电机，固定在底座(6)上，其转子和第一轴部(4)固定连接，用于驱动第一轴部(4)及第二轴部(5)转动。

2.根据权利要求1所述的双定子超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺，其特征在于：所述矩形架(3)的两个第一侧板(301)上分别设有第一轴承套(8)、第二轴承套(10)，分别用于对第一轴承(9)、第二轴承(11)的外圈进行轴向定位。

3.根据权利要求1所述的双定子超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺，其特征在于：所述底座(6)的两个第二侧板(601)上分别设有第三轴承套(12)、第四轴承套(14)，分别用于对第三轴承(13)、第四轴承(15)的外圈进行轴向定位。

4.根据权利要求1所述的双定子超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺，其特征在于：所述编码器(16)固定在底座(6)的一个第二侧板(601)上，其转子部分和底座(6)固定相连、定子部分和第二轴部(12)固连，用于测量框架的第一轴部(4)和第二轴部(5)的转速。

5.根据权利要求1所述的双定子超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺，其特征在于：所述框架电机(7)通过双定子振动分别产生驱动所对应转子的驱动力，带动转子旋转。

6.根据权利要求5所述的双定子超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺，其特征在于：所述框架电机(7)包括一个电机底座(17)，以及第一定子(18)、第二定子(20)、第一转子(19)、第二转子(21)，其中：

所述第一定子(18)和第二定子(20)分别位于电机底座(17)的两侧，第一转子(19)位于第一定子(18)外侧，第二转子(21)位于第二定子(20)外侧，第一定子(18)驱动第一转子(19)运动，第二定子(20)驱动第二转子(21)运动；

所述第一转子(19)与第二转子(21)均加工有销槽(26)，用于与第一轴部(4)连接以驱动框架转动；

所述电机底座(17)两侧内分别安装有第五轴承(22)与第六轴承(23)，第一转子(19)通过第五轴承(22)与第一定子(18)相连，第二转子(21)通过第六轴承(23)与第二定子(20)相连。

7.根据权利要求6所述的双定子超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺，其特征在于：所述框架电机(7)还包括第一外壳(24)和第二外壳(25)，分别设置于电机底座(17)的两侧，且第一定子(18)、第一转子(19)、第五轴承(22)位于第一外壳(24)内，第二定子(20)、第二转子(21)、第六轴承(23)位于第二外壳(25)内；第一外壳(24)给第一转子(19)与第二转子(21)之间提供与压力，第二外壳(25)给第二转子(21)与第二定子(20)之间提供预压力。

8.根据权利要求6所述的双定子超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺，其特征在于：所述电机底座(17)两侧分别加工有齿结构(27)，用于第一定子(18)与第二定子(20)的周向定位，同时采用胶接固定第一定子(18)与第二定子(20)的轴向运动。

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