CN112572832B - 同步式三轴姿态控制磁悬浮惯性执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种同步式三轴姿态控制磁悬浮惯性执行机构，包含：定子、转子、定子基座；定子包括：两个定子框架，抱合形成中空的第一球形结构；若干个定子绕组和若干个传感器，嵌入设置在定子框架内壁；转子包括两个转子框架，抱合形成中空的第二球形结构；若干个转子永磁体和转子铁心，转子永磁体均匀分布地嵌入设置在转子铁心外表面，与转子铁心一体化的固定连接形成第三球形结构，该第三球形结构固定的嵌入设置在第二球形结构内；转子位于定子框架的空腔内，定子和转子之间存在气隙，转子与定子、定子绕组之间无机械接触。本发明中转子能够绕三维空间中任意轴旋转，实现空间飞行器的三轴姿态控制，控制精度高、损耗小、无需润滑。

Description

同步式三轴姿态控制磁悬浮惯性执行机构

技术领域

本发明涉及空间飞行器技术领域，特别涉及一种同步式三轴姿态控制磁悬浮惯性执行机构。

背景技术

空间飞行器姿态控制系统是空间飞行器中极为重要的分系统，其功能是对空间飞行器施加控制力矩，使空间飞行器达到预期的姿态，完成相应的空间任务。空间飞行器姿态控制执行机构主要包括推力器、惯性执行机构和环境力矩执行机构三大类。其中，惯性执行机构是利用动量交换定理来实现姿态控制的，具有无需消耗工质、控制力矩精度高的优点，被广泛应用于世界各国空间飞行器中。

目前，空间飞行器中通常采用由多个惯性执行机构组成的姿态控制系统来实现其三轴姿态控制。这种姿态控制系统需要至少三个惯性执行机构，导致系统质量、功耗的增加；此外，各个惯性执行机构之间频繁的动量交换，也限制了系统的控制精度。

为了解决这一问题，本技术领域研究人员已经做了一些研究，如专利CN104143947A公开了一种命名为“感应式反作用动量球系统”的惯性执行机构，所述感应式反作用动量球系统由反作用动量球模块、位移检测与驱动电路、转速检测模块以及控制系统组成，其中反作用动量球模块由球形转子以及布置在球形转子周围的线圈组成，通过由感应电机驱动的球形转子实现输出三轴控制力矩的目标，进而实现通过单个惯性执行机构完成空间飞行器三轴姿态控制的目的；然而，所述感应式反作用动量球系统采用感应电机驱动其转子，导致转子涡轮损耗严重，不仅增加了系统的损耗，还会引起系统的温升，不利于其应用。相应地，本技术领域存在着发展一种低损耗的三轴姿态控制惯性执行机构的技术需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种同步式三轴姿态控制磁悬浮惯性执行机构，其转子可以绕三维空间中任意轴旋转，实现对空间飞行器施加控制力矩，使空间飞行器达到预期的姿态。

为了达到上述目的，本发明提供一种同步式三轴姿态控制磁悬浮惯性执行机构，包含：定子、转子、定子基座；

所述定子包括两个相同的定子框架、若干个定子绕组、若干个传感器；

两个定子框架抱合形成第一球形结构，且其中的一个定子框架固定的安装在定子基座上；所述第一球形结构内部具有一个空腔，所述若干个定子绕组均匀分布的固定嵌入设置在第一球形结构的内壁；

所述传感器嵌入设置在定子框架内壁并位于所述空腔与定子框架之间；通过所述传感器实时检测转子与定子之间的相对位置和姿态；

所述转子包括两个转子框架，若干个转子永磁体和转子铁心；

两个转子框架抱合形成中空的第二球形结构；所述若干个转子永磁体均匀分布地嵌入设置在转子铁心外表面，与转子铁心一体化的固定连接形成第三球形结构，所述第三球形结构固定的嵌入设置在所述第二球形结构内；

所述转子位于所述空腔内；定子和转子之间存在气隙，转子与定子、定子绕组之间无机械接触。

优选的，所述定子框架、转子框架均为非铁磁性材质；转子铁心采用铁磁性材质；转子永磁体采用硬磁材质。

优选的，转子永磁体的充磁方式为平行充磁或径向充磁。

优选的，转子永磁体的外表面落在所述第三球形结构的球面，转子永磁外表面的形状为三角形、圆形、矩形中的任一种。

优选的，转子永磁体由若干个永磁体块拼接而成。

优选的，定子绕组的形状为圆环形、圆形、三角形、矩形中的任一种。

优选的，所述转子框架设有4个转子永磁体。

优选的，所述定子框架设有10个定子绕组。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)本发明的同步式三轴姿态控制磁悬浮惯性执行机构，利用定子绕组与转子永磁体之间的电磁力实现转子的悬浮和旋转；由于没有轴承结构的约束，其转子可以绕三维空间中任意轴旋转，具有输出任意控制力矩矢量的能力；因此，采用一个同步式三轴姿态控制磁悬浮惯性执行机构即可实现空间飞行器的三轴姿态控制；

2)本发明的同步式三轴姿态控制磁悬浮惯性执行机构，利用磁悬浮技术使转子悬浮在定子空腔中，转子与定子之间没有机械接触；因而具有损耗小、无摩擦、无磨损、无需润滑的优点；

3)本发明的同步式三轴姿态控制磁悬浮惯性执行机构，其定子绕组产生的三维空间电磁场基波与其转子永磁体产生的三维空间磁场基波同步旋转，其转子涡流损耗较小、控制力矩精度高；此外，由于同步式三轴姿态控制磁悬浮惯性执行机构基于同步电机原理，其转子中储存的能量可以回馈至电源，因此同步式三轴姿态控制磁悬浮惯性执行机构具有储能功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为实施例一中，同步式三轴姿态控制磁悬浮惯性执行机构的三维结构示意图；

图2为图1的右剖视图；

图3为实施例一中，第一定子框架以及安装在第一定子框架上的10个定子绕组的俯视图；

图4为实施例一中，第二定子框架以及安装在第二定子框架上的10个定子绕组的俯视图；

图5为实施例一中，转子的立体结构示意图；

图6为实施例一中，转子去除第一转子框架后的立体结构示意图；

图7为实施例一中，转子去除第一、第二转子框架和后的三维结构示意图。

图中：1-1-1、第一定子框架；1-1-2、第二定子框架；

1-2-1～1-2-20、第一～第二十定子绕组；

1-3-1～1-3-8、第一～第八传感器；

1-4、定子基座；

1-5、空腔；

2-1-1、第一转子框架；2-1-2、第二转子框架；

2-2-1～2-2-8、第一至第八转子永磁体；

2-3、转子铁心。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供本发明提供一种同步式三轴姿态控制磁悬浮惯性执行机构，包含：定子、转子、定子基座1-4。

如图1、图2、图3、图4所示，在本发明的实施例一中，所述定子包括两个相同的定子框架(分别为第一定子框架1-1-1和第二定子框架1-1-2)、20个定子绕组(分别为第一定子绕组1-2-1～第二十定子绕组1-2-20)、8个传感器(分别为第一传感器1-3-1～第八传感器1-3-8)。

如图1、图2所示，第一定子框架1-1-1和第二定子框架1-1-2抱合形成第一球形结构，且第二定子框架1-1-2固定的安装在定子基座1-4上。第一定子框架1-1-1和第二定子框架1-1-2均为非铁磁性材质。

如图2所示，所述第一球形结构内部具有一个空腔，20个定子绕组均匀分布的固定嵌入设置在第一球形结构的内壁，如3、图4所示，第一定子框架1-1-1、第二定子框架1-1-2均设有10个定子绕组。

如图3、图4所示，在本发明的实施例一中，所述空腔具有正多面体结构，所述正多面体结构的每个面为三角形且落在第一球形结构的内壁(也即第一定子框架1-1-1和第二定子框架1-1-2的内壁)。一个定子绕组对应所述正多面体结构的一个面。通过设置正多面体形的空腔，能够有效的保证每个定子绕组与第一球形结构的球心等距离，且能够方便安装定子绕组。

如图3、图4所示，在本发明的实施例一中，定子绕组的形状为圆环形。在本发明的其他实施例中，定子绕组也可以是圆形、三角形、矩形中的任一种。

在本发明的另一个实施例中，所述空腔为球形空腔。

如图2、图3、图4所示，所述传感器嵌入设置在定子框架内壁并位于所述空腔与定子框架之间。传感器的个数和数量可以根据实际需求进行设置。通过所述传感器实时检测转子与定子之间的相对位置和姿态；所述相对位置和姿态指的是x、y、z轴方向的相对位置，以及绕x、y、z轴的相对姿态。

如图2、图5、图6、图7所示，所述转子具有球形结构，其位于第一球形结构的所述空腔内。

如图5所示，在本发明的实施例一中，所述转子包括两个转子框架(分别为第一转子框架和第二转子框架)，8个转子永磁体(分别为第一转子永磁体2-2-1～第八转子永磁体2-2-8)和球形的转子铁心2-3。

如图5所示，第一转子框架、第二转子框架抱合形成中空的第二球形结构。第一、第二转子框架均为非铁磁性材质。

如图6、图7所示，在本发明的实施例一中，8个转子永磁体均匀分布且对称的嵌入设置在转子铁心外表面，与转子铁心2-3一体化的固定连接形成第三球形结构。转子永磁体的外表面落在所述第三球形结构的球面。如图6、图7所示，在本发明的实施例一中，转子永磁外表面的形状为三角形。在其他实施例中，转子永磁体也可以是圆形、矩形中的任一种。如图6所示，所述第三球形结构固定的嵌入设置在所述第二球形结构内，第三球形结构的外径匹配第二球形结构的内径。转子永磁体的充磁方式为平行充磁或径向充磁。

在本发明的其他实施例中，转子永磁体也可以由若干个永磁体块拼接而成。

本发明的实施例一中，转子铁心2-3采用铁磁性材质，转子永磁体采用硬磁材质。

本发明的惯性执行机构还连接一驱动电路和一控制器。传感器实时检测转子和定子之间的相对位置和姿态信息，并反馈给控制器。而控制器根据所述相对位置和姿态信息，结合预设的转子绕轴(可以是x、y、z轴中的一个，也可以是任意方向的轴)生成控制信号，并输出到驱动电路。驱动电路接收控制信号，输出对应的电流到定子绕组(不同的定子绕组接收的电流大小可以不同)。通电的定子绕组与转子永磁体间产生电磁力，该电磁力被用于对惯性执行机构的转子进行实时控制。控制转子悬浮并绕设定的转子绕轴旋转(此为现有技术)。

本发明中的惯性执行机构可以看做是一台转动惯量比较大的电机，此对于本领域技术人员来说是易于理解的。本发明的同步式三轴姿态控制磁悬浮惯性执行机构中，定子绕组产生的三维空间电磁场基波与转子永磁体产生的三维空间磁场基波同步旋转，转子涡流损耗较小、控制力矩精度高；由于定子和转子之间存在气隙，转子与定子、定子绕组之间无机械接触，因而本发明的惯性执行机构还具有损耗小、无摩擦、无磨损、无需润滑等优点。

将本发明的惯性执行机构看做电机时，它既可以将电能转化为机械能(电动机模式)，也可以将机械能转化为电能(发电机模式)，这是一种非常常见的、已经被集成于商用电机的方法。因此本发明的惯性执行机构的转子中储存的能量可以回馈至电源，具有储能功能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种同步式三轴姿态控制磁悬浮惯性执行机构，其特征在于，包含：定子、转子、定子基座；

所述定子包括两个相同的定子框架、20个定子绕组、若干个传感器；每个定子框架设有10个定子绕组；

两个定子框架抱合形成第一球形结构，且其中的一个定子框架固定的安装在定子基座上；所述第一球形结构内部具有一个空腔，所述空腔具有正多面体结构，所述正多面体结构的每个面为三角形；所述20个定子绕组均匀分布的固定嵌入设置在第一球形结构的内壁，一个定子绕组对应所述正多面体结构的一个面；

所述传感器嵌入设置在定子框架内壁并位于所述空腔与定子框架之间，通过所述传感器实时检测转子与定子之间的相对位置和姿态；

所述转子包括两个转子框架，8个转子永磁体和转子铁心；每个转子框架设有4个转子永磁体；

两个转子框架抱合形成中空的第二球形结构；所述8个转子永磁体均匀分布地嵌入设置在转子铁心外表面，与转子铁心一体化的固定连接形成第三球形结构，所述第三球形结构固定的嵌入设置在所述第二球形结构内；

所述转子位于所述空腔内；定子和转子之间存在气隙，转子与定子、定子绕组之间无机械接触。

2.如权利要求1所述的同步式三轴姿态控制磁悬浮惯性执行机构，其特征在于，所述定子框架、转子框架均为非铁磁性材质；转子铁心采用铁磁性材质；转子永磁体采用硬磁材质。

3.如权利要求1所述的同步式三轴姿态控制磁悬浮惯性执行机构，其特征在于，转子永磁体的充磁方式为平行充磁或径向充磁。

4.如权利要求1所述的同步式三轴姿态控制磁悬浮惯性执行机构，其特征在于，转子永磁体的外表面落在所述第三球形结构的球面，转子永磁外表面的形状为三角形、圆形、矩形中的任一种。

5.如权利要求1所述的同步式三轴姿态控制磁悬浮惯性执行机构，其特征在于，转子永磁体由若干个永磁体块拼接而成。

6.如权利要求1所述的同步式三轴姿态控制磁悬浮惯性执行机构，其特征在于，定子绕组的形状为圆环形、圆形、三角形、矩形中的任一种。

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