CN113374829B - 一种自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构及其应用，包括上壳体、轮体、直流无刷电机、电机安装座和配重质量块，电机安装座上固定直流无刷电机，直流无刷电机输出轴上设置轮体，直流无刷电机输出轴通过轴承连接上壳体，电机安装座上环绕设置C型架，C型架上设置减振弹簧，减振弹簧穿过电机安装座连接配重质量块，配重质量块与电机安装座之间均匀设置减振橡胶球，电机安装座下侧设置下壳体，下壳体连接卫星安装基座。本发明结构简单紧凑，在飞轮内部设置减振结构，利用减振结构在飞轮源头处进行微振动抑制，避免在卫星本体结构上增加减振设计，既提高了单个飞轮对于不同类型卫星的通用性，又降低了卫星研制成本，缩短了卫星研制时间。

Description

一种自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构及其应用
技术领域
本发明涉及一种自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构及其应用，属于空间执行机构技术领域。
背景技术
随着空间技术的发展，卫星广泛地应用于通信、遥感、导航和空间科学实验等领域，卫星技术性能指标的不断提高对其在姿态指向精度和姿态稳定性等方面提出了更高的要求。飞轮是卫星上不可或缺的姿态控制机构，其内部转子的动静不平衡、轴承噪声以及电机谐波力矩等因素产生的干扰力(力矩)会迫使在轨卫星发生微小量级的振动，简称微振动效应。一般飞轮所产生的干扰力量级在10-3g，卫星敏感结构处的受迫位移在几微米到几十微米，因此，这种微振动效应极少造成卫星结构的破坏，但是此效应会影响卫星系统的指向精度和稳定性，降低卫星及其载荷的性能指标，例如，对于高分辨率光学成像卫星而言，在轨成像阶段需要其指向精度优于1″，以此来保证成像清晰，但飞轮所产生的干扰力(力矩)会通过卫星主体结构传递到光学载荷上，并在某一频段与载荷频率耦合，进而使光学载荷视轴抖动，造成成像模糊或扭曲。
为了降低微振动对卫星的干扰，使卫星圆满完成在轨工作任务，通常采取的措施是在干扰力主要传递路径上安装减振或隔振装置，这样虽可以达到一定的微振动抑制效果，但在一定程度上增加了卫星整体质量，同时也延长了卫星研发时间，增加了卫星的研制成本。
有鉴于此，设计一种可以在飞轮源头处进行微振动抑制的飞轮结构是十分有必要的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构，结构简单紧凑，可靠性高，在飞轮内部设置减振结构，利用减振结构在飞轮源头处进行微振动抑制，避免在卫星本体结构上增加减振设计，既提高了单个飞轮对于不同类型卫星的通用性，又降低了卫星研制成本，缩短了卫星研制时间。
本发明还提供上述自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构的应用。
本发明的技术方案如下：
一种自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构，包括上壳体、轮体、直流无刷电机、电机安装座和配重质量块，其中，
电机安装座上固定有直流无刷电机，直流无刷电机输出轴上设置轮体，直流无刷电机输出轴通过轴承连接上壳体，电机安装座上环绕设置C型架，C型架上设置减振弹簧，减振弹簧穿过电机安装座连接配重质量块，配重质量块与电机安装座之间均匀设置减振橡胶球，利用橡胶球阻尼耗散特质来进行吸振，减弱振动幅值，同时避免配重质量块与电机安装座接触后将配重质量块的振动传递回电机安装座，影响微振动抑制效果，电机安装座下侧设置下壳体，下壳体连接卫星安装基座。
优选的，配重质量块中设置圆柱销，减振弹簧通过圆柱销连接配重质量块。
优选的，配重质量块为环形配重块，配重质量块内环直径大于直流无刷电机外径，配重质量块整体套装于直流无刷电机上。
优选的，电机安装座与配重质量块上设置对应的锥形孔，锥形孔内设置减振橡胶球，以锥形孔为安装位，对减振橡胶球进行限位。
优选的，下壳体底面上通过立柱设置上电路板和下电路板，上电路板和下电路板上焊接飞轮驱动电路，作为整个飞轮的驱动控制模块。
优选的，直流无刷电机上设置编码器。
优选的，电机安装座与上壳体和下壳体的边缘连接处分别设置环状矩形槽，环状矩形槽内设置O型密封圈。通过O型密封圈实现电机安装座与上壳体和下壳体的密封连接。
优选的，下壳体底部设置抽气孔，抽气孔通过转换接头连接抽真空设备。通过抽真空实现要求的真空度。
进一步优选的，抽气孔为阶梯式抽气孔，抽气孔内径小于外径。方便安装O型密封圈，保证转换接头的密封连接。
优选的，轮体材料为不锈钢9Cr18Mo，密度高，刚性大，相同体积内可提供较大的转动惯量，上壳体、电机安装座、C型架、配重质量块和下壳体所用材料为铝合金2A12，密度小，硬度高，适合作为航天机构结构件材料，减振弹簧材料为弹簧碳素钢65Mn，减振弹簧种类为圆柱螺旋拉伸弹簧，减振橡胶球材料为橡胶阻尼材料。
优选的，电机安装座中部环绕均布设置减重孔，以此减轻电机安装座的质量。
上述自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构的应用，步骤如下：
(1)计算确定减振弹簧长度和减振橡胶球的弹性模量，然后组装飞轮结构；
(2)飞轮结构通过下壳体安装于卫星安装基座，然后进行抽真空处理；
(3)启动直流无刷电机，通过带动轮体转动提供卫星所需角动量，直流无刷电机、轴承以及轮体三者为扰振源，扰振源产生的微振动一部分通过电机上壳体传递至电机安装座，另一部分通过直流无刷电机直接传递给电机安装座，电机安装座上的微振动通过减振弹簧传递至配重质量块，经减振弹簧、减振橡胶球和配重质量块对电机安装座上的微振动进行抑制，避免微振动通过下壳体传递至卫星。
优选的，步骤(1)中减振弹簧长度和减振橡胶球的弹性模量的计算方式如下：
a、确定限定条件，电机安装座与配重质量块不在轴向接触，相邻2个减振橡胶球互不干涉；
b、计算减振弹簧长度，设定橡胶球夹持于电机安装座和配重质量块之间不出现松动时弹簧最大长度为b(mm)，即C型架圆柱面上端到圆柱销圆柱面下端距离；
减振弹簧的刚度系数可由式(1)计算：
Figure BDA0003042380240000031
式中G(Mpa)为材料的切变模量，d(mm)为材料直径，D(mm)为弹簧中径，n为有效圈数；
减振弹簧是标准件，可参照国标GBT2088-2009，选取减振弹簧的中径D，材料直径d，有效圈长度Hlb，有效圈数为n，则减振弹簧自由长度H＝Hlb+2×(D-d)，H的值要小于b；
c、根据式(1)计算可得减振弹簧的刚度系数为k(N/mm)，单个减振橡胶球上由减振弹簧所转变的压力F1(N)为
F1＝nspring×k×(14.1-H)÷nball (2)
式中，nspring为减振弹簧的个数，nball为减振橡胶球的个数；
为了不使相邻减振橡胶球受力压缩后产生干涉，设定减振橡胶球的直径为C(mm)，2个减振橡胶球的安装锥形位间的距离选为e(mm)，减振橡胶球在电机安装座和配重质量块之间压缩变形，当相对变形不大时，可由Hertz接触理论给出计算压力F与变形x的关系式，如下：
Figure BDA0003042380240000032
由式(3)可做如下变形：
Figure BDA0003042380240000041
式中，E0为减振橡胶球的杨氏弹性模量，x为总的变形，C为减振橡胶球变形前直径；
取单个减振橡胶球的受力F1，减振橡胶球变形前直径为C，单个减振橡胶球总的变形x＜e/2，则根据式(4)可计算出E0的最小值为E0min(N/mm2)，则减振橡胶球的弹性模量取大于E0min的值。
本发明的有益效果在于：
1、本发明结构简单紧凑，可靠性高，在飞轮内部设置减振结构，利用减振结构在飞轮源头处进行微振动抑制，避免在卫星本体结构上增加减振设计，既提高了单个飞轮对于不同类型卫星的通用性，又降低了卫星研制成本，缩短了卫星研制时间。
2、本发明采用直流无刷电机直接驱动轮体旋转的形式，整个飞轮结构简单，易于装配，可靠性较高。
3、本发明可针对相同重量级卫星进行互换，适配性高，针对不同重量级的卫星只需更改组件尺寸，进行减振相关参数选择即可完成飞轮整体的设计与使用，通用性高。
附图说明
图1为本发明的结构剖面示意图；
图2为本发明的结构外观示意图；
图3为本发明的电机安装座结构示意图；
图4为本发明的电机安装座正式图；
其中：1、上壳体；2、轮体；3、直流无刷电机；4、电机安装座；5、C型架；6、减振弹簧；7、减振橡胶球；8、配重质量块；9、编码器；10、上电路板；11、下电路板；12、下壳体；13、矩形槽；14、轴承；15、减重孔。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
如图1-4所示，本实施例提供一种自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构，包括上壳体1、轮体2、直流无刷电机3、电机安装座4和配重质量块8，其中，
电机安装座4通过沉头螺钉固定直流无刷电机3，直流无刷电机3输出轴上设置轮体2，直流无刷电机3输出轴通过轴承14连接上壳体1，电机安装座4上环绕设置C型架5，C型架5的横梁上设置减振弹簧6，减振弹簧6穿过电机安装座4上的安装孔连接配重质量块8，配重质量块8与电机安装座4之间均匀设置减振橡胶球7，利用橡胶球阻尼耗散特质来进行吸振，减弱振动幅值，同时避免配重质量块与电机安装座接触后将配重质量块的振动传递回电机安装座，影响微振动抑制效果，电机安装座4下侧设置下壳体12，下壳体12连接卫星安装基座。上壳体1、下壳体12以及电机安装座4通过螺钉进行连接，整个飞轮结构通过下壳体12底部的螺钉孔与卫星安装基座相连。
直流无刷电机3通过输出轴上的轴肩对轮体2进行轴向定位，整个轮体利用胶粘固定于输出轴的中部。
轴承为3×10×4的滚珠轴承，直流无刷电机输出轴与滚珠轴承通过热装形式连接，轴承与上壳体通过锤击方式连接，提高直流无刷电机输出轴的径向刚度。
C型架5设置6个，安装孔直径为3mm，C型架环绕均布于电机安装座4的圆周方向。
配重质量块8中设置圆柱销，减振弹簧通过圆柱销连接配重质量块。
配重质量块为环形配重块，配重质量块内环直径大于直流无刷电机外径，配重质量块整体套装于直流无刷电机上。配重质量块沿直流无刷电机轴向振动，不会对其它部件产生干涉，并且不会额外占用体积，使结构更加紧凑。
电机安装座4与配重质量块8上设置对应的锥形孔，锥形孔内设置减振橡胶球，以锥形孔为安装位，对减振橡胶球进行限位。
减振橡胶球7设置12个，均布于电机安装座4与配重质量块8之间，通过减振弹簧6拉动配重质量块8将减振橡胶球固定于电机安装座4与配重质量块8相对应的锥形孔中。
下壳体12底面上通过立柱设置上电路板10和下电路板11，上电路板10和下电路板11上焊接飞轮驱动电路，作为整个飞轮的驱动控制模块。
直流无刷电机3上设置编码器9。
下壳体12底部设置抽气孔，抽气孔通过转换接头连接抽真空设备。通过抽真空实现要求的真空度。
抽气孔为阶梯式抽气孔，抽气孔内径小于外径，内径为6.2mm，外径为16mm。方便安装O型密封圈，保证转换接头的密封连接。
轮体2材料为不锈钢9Cr18Mo，密度高，刚性大，相同体积内可提供较大的转动惯量，上壳体、电机安装座、C型架、配重质量块和下壳体所用材料为铝合金2A12，密度小，硬度高，适合作为航天机构结构件材料，减振弹簧材料为弹簧碳素钢65Mn，减振弹簧种类为圆柱螺旋拉伸弹簧，减振橡胶球材料为橡胶阻尼材料低苯基硅橡胶。
上述自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构的应用，步骤如下：
(1)计算确定减振弹簧长度和减振橡胶球的弹性模量，然后组装飞轮结构；
(2)飞轮结构通过下壳体安装于卫星安装基座，然后进行抽真空处理；
(3)启动直流无刷电机，通过带动轮体转动提供卫星所需角动量，直流无刷电机、轴承以及轮体三者为扰振源，扰振源产生的微振动一部分通过电机上壳体传递至电机安装座，另一部分通过直流无刷电机直接传递给电机安装座，电机安装座上的微振动通过减振弹簧传递至配重质量块，经减振弹簧、减振橡胶球和配重质量块对电机安装座上的微振动进行抑制，避免微振动通过下壳体传递至卫星。
实施例2：
一种自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构的应用，步骤如实施例1所述，不同之处在于，步骤(1)中减振弹簧长度和减振橡胶球的弹性模量的计算方式如下：
a、确定限定条件，电机安装座与配重质量块不在轴向接触，相邻2个减振橡胶球互不干涉；
b、计算减振弹簧长度，设定橡胶球夹持于电机安装座和配重质量块之间不出现松动时弹簧最大长度为b(mm)，即C型架圆柱面上端到圆柱销圆柱面下端距离；
减振弹簧的刚度系数可由式(1)计算：
Figure BDA0003042380240000061
式中G(Mpa)为材料的切变模量，d(mm)为材料直径，D(mm)为弹簧中径，n为有效圈数；
减振弹簧是标准件，可参照国标GBT2088-2009，选取减振弹簧的中径D，材料直径d，有效圈长度Hlb，有效圈数为n，则减振弹簧自由长度H＝Hlb+2×(D-d)，H的值要小于b；
c、根据式(1)计算可得减振弹簧的刚度系数为k(N/mm)，单个减振橡胶球上由减振弹簧所转变的压力F1(N)为
F1＝nspring×k×(14.1-H)÷nball (2)
式中，nspring为减振弹簧的个数，nball为减振橡胶球的个数；
为了不使相邻减振橡胶球受力压缩后产生干涉，设定减振橡胶球的直径为C(mm)，2个减振橡胶球的安装锥形位间的距离选为e(mm)，减振橡胶球在电机安装座和配重质量块之间压缩变形，当相对变形不大时，可由Hertz接触理论给出计算压力F与变形x的关系式，如下：
Figure BDA0003042380240000071
由式(3)可做如下变形：
Figure BDA0003042380240000072
式中，E0为减振橡胶球的杨氏弹性模量，x为总的变形，C为减振橡胶球变形前直径；
取单个减振橡胶球的受力F1，减振橡胶球变形前直径为C，单个减振橡胶球总的变形x＜e/2，则根据式(4)可计算出E0的最小值为E0min(N/mm2)，则减振橡胶球的弹性模量取大于E0min的值。
实施例3：
一种自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构，结构如实施例1所述，不同之处在于，电机安装座4与上壳体1和下壳体12的边缘连接处分别设置环状矩形槽13，环状矩形槽13内设置O型密封圈。环状矩形槽截面矩形尺寸为3.3mm×0.7mm，外径为85.9mm，内径为79.4mm，O型密封圈采用的材料为丁腈。通过O型密封圈实现电机安装座与上壳体和下壳体的密封连接。
实施例4：
一种自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构，结构如实施例1所述，不同之处在于，电机安装座4中部环绕均布设置12个直径为φ8的减重孔15，减重孔15间隔角度为30°，以此减轻电机安装座的质量。

Claims (9)

1.一种自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构的应用，其特征在于，飞轮结构包括上壳体、轮体、直流无刷电机、电机安装座和配重质量块，其中，
电机安装座上固定有直流无刷电机，直流无刷电机输出轴上设置轮体，直流无刷电机输出轴通过轴承连接上壳体，电机安装座上环绕设置C型架，C型架上设置减振弹簧，减振弹簧穿过电机安装座连接配重质量块，配重质量块与电机安装座之间均匀设置减振橡胶球，电机安装座下侧设置下壳体，下壳体连接卫星安装基座；
电机安装座与配重质量块上设置对应的锥形孔，锥形孔内设置减振橡胶球；
下壳体底部设置抽气孔，抽气孔通过转换接头连接抽真空设备；
上述自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构的应用，步骤如下：
(1)计算确定减振弹簧长度和减振橡胶球的弹性模量，然后组装飞轮结构；
(2)飞轮结构通过下壳体安装于卫星安装基座，然后进行抽真空处理；
(3)启动直流无刷电机，通过带动轮体转动提供卫星所需角动量，直流无刷电机、轴承以及轮体三者为扰振源，扰振源产生的微振动一部分通过电机上壳体传递至电机安装座，另一部分通过直流无刷电机直接传递给电机安装座，电机安装座上的微振动通过减振弹簧传递至配重质量块，经减振弹簧、减振橡胶球和配重质量块对电机安装座上的微振动进行抑制，避免微振动通过下壳体传递至卫星；
步骤(1)中减振弹簧长度和减振橡胶球的弹性模量的计算方式如下：
a、确定限定条件，电机安装座与配重质量块不在轴向接触，相邻2个减振橡胶球互不干涉；
b、计算减振弹簧长度，设定橡胶球夹持于电机安装座和配重质量块之间不出现松动时弹簧最大长度为b(mm)，即C型架圆柱面上端到圆柱销圆柱面下端距离；
减振弹簧的刚度系数可由式(1)计算：
Figure FDA0003638634540000011
式中G(Mpa)为材料的切变模量，d(mm)为材料直径，D(mm)为弹簧中径，n为有效圈数；
减振弹簧是标准件，可参照国标GBT2088-2009，选取减振弹簧的中径D，材料直径d，有效圈长度Hlb，有效圈数为n，则减振弹簧自由长度H＝Hlb+2×(D-d)，H的值要小于b；
c、根据式(1)计算可得减振弹簧的刚度系数为k(N/mm)，单个减振橡胶球上由减振弹簧所转变的压力F1(N)为
F1＝nspring×k×(14.1-H)÷nball (2)
式中，nspring为减振弹簧的个数，nball为减振橡胶球的个数；
为了不使相邻减振橡胶球受力压缩后产生干涉，设定减振橡胶球的直径为C(mm)，2个减振橡胶球的安装锥形位间的距离选为e(mm)，减振橡胶球在电机安装座和配重质量块之间压缩变形，当相对变形不大时，可由Hertz接触理论给出计算压力F与变形x的关系式，如下：
Figure FDA0003638634540000021
由式(3)可做如下变形：
Figure FDA0003638634540000022
式中，E0为减振橡胶球的杨氏弹性模量，x为总的变形，C为减振橡胶球变形前直径；
取单个减振橡胶球的受力F1，减振橡胶球变形前直径为C，单个减振橡胶球总的变形x＜e/2，则根据式(4)可计算出E0的最小值为E0min(N/mm2)，则减振橡胶球的弹性模量取大于E0min的值。
2.如权利要求1所述的自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构的应用，其特征在于，配重质量块中设置圆柱销，减振弹簧通过圆柱销连接配重质量块。
3.如权利要求2所述的自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构的应用，其特征在于，配重质量块为环形配重块，配重质量块内环直径大于直流无刷电机外径，配重质量块整体套装于直流无刷电机上。
4.如权利要求1所述的自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构的应用，其特征在于，下壳体底面上通过立柱设置上电路板和下电路板，上电路板和下电路板上焊接飞轮驱动电路，作为整个飞轮的驱动控制模块。
5.如权利要求1所述的自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构的应用，其特征在于，直流无刷电机上设置编码器。
6.如权利要求1所述的自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构的应用，其特征在于，电机安装座与上壳体和下壳体的边缘连接处分别设置环状矩形槽，环状矩形槽内设置O型密封。
7.如权利要求3所述的自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构的应用，其特征在于，抽气孔为阶梯式抽气孔，抽气孔内径小于外径。
8.如权利要求1所述的自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构的应用，其特征在于，轮体材料为不锈钢9Cr18Mo，上壳体、电机安装座、C型架、配重质量块和下壳体所用材料为铝合金2A12，减振弹簧材料为弹簧碳素钢65Mn，减振弹簧种类为圆柱螺旋拉伸弹簧，减振橡胶球材料为橡胶阻尼材料。
9.如权利要求1所述的自带微振动抑制装置的卫星用飞轮结构的应用，其特征在于，电机安装座中部环绕均布设置减重孔。
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