KR101002399B1

KR101002399B1 - 제어 모멘트 자이로스코프

Info

Publication number: KR101002399B1
Application number: KR1020080125478A
Authority: KR
Inventors: 이승우; 손준원; 김승현
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2010-12-21
Also published as: KR20100066950A; US20100139440A1; US8443683B2

Abstract

본 발명은 모멘텀 휠을 한 쌍을 서로 대칭되게 배치하여 토크노이즈 및 진동을 줄이고 출력토크를 높이며 형상을 소형화할 수 있는 제어 모멘트 자이로스코프에 관한 것이다.

본 발명의 주요 특징은,

김벌 림; 상기 김벌 림의 내부에 위치되는 제1 프레임과, 상기 제1 프레임과 동일구조를 갖되 제1 프레임과 대칭되게 상호 결속되는 제2 프레임으로 이루어진 휠 프레임; 상기 제1 프레임에 결속되는 제1 모멘텀 휠; 상기 제2 프레임의 제1 모멘텀 휠과 대응되는 위치에 결속되는 제2 모멘텀 휠; 상기 김벌 림의 표면 일측에 설치된 채, 상기 제1,2 프레임의 일단과 연결되는 김벌 모터; 및 상기 김벌 림의 표면 타측에 설치된 채, 상기 제1,2 프레임의 타단과 연결되어 제1,2 프레임의 각속도를 측정하는 각속도 측정센서;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 제어 모멘트 자이로스코이다.

자이로스코프, 제어 모멘트 자이로스코프, 모멘텀 휠

Description

제어 모멘트 자이로스코프{Control Moment Gyroscope}

본 발명은 제어 모멘트 자이로스코프에 관한 것이다.

더 상세하게는 모멘텀 휠을 한 쌍을 서로 대칭되게 배치하여 토크 노이즈 및 진동을 줄이고 출력토크를 높이며 형상을 소형화할 수 있는 제어 모멘트 자이로스코프에 관한 것이다.

일반적으로 인공위성의 자세를 제어하기 위해 사용되는 제어 모멘트 자이로스코프(Control Moment Gyroscope)는 모멘텀 벡터를 모멘텀 벡터와 일치하지 않는 축으로 회전시킬 때 발생되는 자이로스코픽 토크를 이용하는 구동기를 말한다.

이하에서는 첨부된 도 1을 통해 자이로스코프의 기본 구성 및 원리를 설명하기로 한다.

자이로스코프는 김벌모터(gimbal moter)(2)에 의해 1축(s₁)을 기준으로 회전되는 김벌(1)과, 상기 김벌(1)에 종속되게 구성되어 스핀모터(3)에 상기 1축(s₁)과 직교하는 2축(s₂)을 기준으로 회전되는 모멘텀 휠(4)로 구성되어 있다. 제어 모멘트 자이로스코프의 모멘텀휠이 가변속도로 회전하는 경우와 고정속도로 회전하는 경우 가 있는데 전자를 가변속도형 제어 모멘트 자이로스코프, 후자를 고정속도형 제어 모멘트 자이로스코프라고 한다. 일반적으로 휠의 고속회전은 휠 내부에 장착된 홀센서 또는 타코메터라는 센서로 측정되고 측정된 속도에 따라 모터의 속도제어가 된다. 김벌축의 회전 속도 및 회전 각도를 측정하기 위해 포텐시오메터, 엔코터 또는 레졸버 등이 사용되며 김벌축의 회전 속도 및 회전 각도를 제어하기 위해 김벌모터가 사용된다.

이러한 제어 모멘트 자이로스코프는 모멘텀 휠(4)이 고속회전함과 동시에 김벌(1)이 일정한 각속도로 회전을 하면, 모멘텀 휠(4)의 각운동량 벡(S₂)터와 김벌(1)의 각속도벡터(S₁)의 외적에 의해 고출력의 자이로스코픽 토크가 발생하게 된다. 제어 모멘트 자이로스코프는 이와 같은 물리적 현상을 이용하여 반작용 휠 보다 높은 고출력 토크를 생성하게 된다.

도 2는 하니웰(Honeywell)사의 제어 모멘트 자이로스코프의 일예를 도시한 것이다.

위 도면에 의하면 종래 제어 모멘트 자이로스코프는 김벌 림(10)의 내부에 하나의 모멘텀 휠(20)이 회전 가능하게 설치되어 있다. 상기 모멘텀 휠(20)은 김벌 림(10)의 일측에 마련된 김벌 모터(30)에 의해 회전된다.

그러나, 도 2와 같은 종래의 제어 모멘트 자이로스코프는 한 개의 모멘텀 휠만을 사용함으로 인해 다음과 같은 문제점들이 발생하게 된다.

첫 째, 진동을 최소화하기 매우 어렵다.

제어 모멘트 자이로스코프의 경우에 모멘텀 휠의 가공오차로 인해 불균형이 발생하며 이로 인해 진동이 발생한다. 이를 해결하기 위해서는 김벌 회전축에 대해 균형을 맞추고 관성곱(product of inertia:각운동량의 어떤 좌표축 방향으로의 성분 예컨대 x성분과 각속도의 다른 좌표축 방향으로의 성분 예컨대 y성분이나 z성분과의 관계를 나타내는 상수을 말함)을 최소화시켜야 한다.

도 2에서 도시된 바와 같이 한 개의 모멘텀 휠이 사용되는 경우에는 김벌모터와 모멘텀 휠을 연결하기 위해서 상용 모멘텀 휠을 수정 또는 새로이 제작하거나, 김벌 회전축 형상을 변경하는 방법으로 진동문제를 해결하였다. 하지만, 모멘텀 휠을 새로이 제작하는 방법은 특정 제어 모멘트 자이로스코프에는 적용할 수 있으나 다른 제어 모멘트 자이로스코프에는 형태적인 차이로 인해 적용하기 어려워 호환성이 떨어질 뿐만 아니라 모멘텀 휠의 가공이 정밀해야 한다는 단점이 있다.

또한, 김벌 회전축 형상을 변경할 경우, 관성의 곱을 최소화시키기 위해 복잡한 설계과정을 거쳐야만 하는 단점이 존재한다.

둘 째, 출력 토크를 키우기 어렵다.

제어 모멘트 자이로스코프의 출력토크를 증가시키기 위해서는, 관성모멘트가 더 큰 모멘텀 휠을 사용하거나, 김벌 각속도를 증가시켜야 한다. 전자는 모멘텀 휠의 관성모멘트를 키우는데 한계가 있으며 가격도 비싸진다는 단점이 있다. 후자는 제어 모멘트 자이로스코프 설계를 새롭게 해야 한다는 단점이 있다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 주요 목적은 모멘텀 휠을 복수개 설치하여 질량의 균형을 이루도록 함으로써 관성의 곱을 최소화하여 진동의 문제를 해소할 수 있도록 한 제어 모멘트 자이로스코프를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 소형화시키면서 출력토크를 극대화시킬 수 있도록 모멘텀 휠을 서로 대칭되게 설치하기 위한 구조를 갖춘 제어 모멘트 자이로스코프를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 제어 모멘트 자이로스코프는 김벌림; 상기 김벌림의 내부에 위치되는 제1 프레임과, 상기 제1 프레임과 동일구조를 갖되 제1 프레임과 대칭되게 상호 결속되는 제2 프레임으로 이루어진 휠 프레임; 상기 제1 프레임에 결속되는 제1 모멘텀 휠; 상기 제2 프레임의 제1 모멘텀 휠과 대응되는 위치에 결속되는 제2 모멘텀 휠; 상기 김벌림의 표면 일측에 설치된 채, 상기 제1,2 프레임의 일단과 연결되는 김벌모터; 상기 김벌림의 표면 타측에 설치된 채, 상기 제1,2 프레임의 타단과 연결되어 제1,2 프레임의 각속도를 측정하는 각속도 측정센서;를 포함하여 구성된 것이다.

여기서, 상기 제1 프레임과 제2 프레임에는 상기 제1,2 모멘텀 휠이 각각 안 정적으로 설치될 수 있도록 평활한 설치부를 갖는 것이 바람직하다.

이때, 상기 제1 프레임의 설치부와 제2 프레임의 설치부는 상호 이격된 구조를 갖는다.

또한, 본 발명에 따른 제어 모멘트 자이로스코프는 상기 제1 프레임과 제2 프레임의 설치부 양쪽에 서로 대접된 채 나사체결되는 체결부가 구비됨을 포함한다.

여기서, 상기 제1 프레임과 제2 프레임의 일단부와 상기 김벌모터는 제1 커넥터에 의해 연결된다.

이때, 상기 제1 프레임과 제2 프레임의 일단부는 서로 이격된 구조를 갖는다.

또한, 본 발명에 따른 제어 모멘트 자이로스코프는 상기 제1 프레임과 제2 프레임의 타단부와 상기 각속도 측정센서는 제2 커넥터에 의해 연결됨을 포함한다.

여기서, 상기 제1 프레임과 제2 프레임의 타단부는 서로 이격된 구조를 갖는다.

이상에서 설명된 바와 같이 본 발명은 복수의 모멘텀 휠을 대칭으로 설치하여 김벌 회전축에 대한 질량의 균형을 이루도록 함으로써 관성의 곱을 최소화하여 진동감쇠효과를 얻을 수 있다.

또한, 상용 모멘텀 휠의 구조를 변경하지 않고도 제어 모멘트 자이로스크프에 사용할 수 있어서 원가절감을 할 수 있으며, 제작 및 조립이 간편하다.

또한, 모멘텀 휠의 개수를 증가시킴에 따라 출력토크를 증대시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

첨부된 도 3은 본 발명에 따른 제어 모멘트 자이로스코프의 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 제어 모멘트 자이로스코프의 종단면도이며,도 5는 본 발명에 따른 제어 모멘트 자이로스코프의 동작상태도이다.

본 발명은 복수의 모멘텀 휠을 서로 대칭되게 설치한다는 것과, 이를 효과적으로 설치하기 위한 구조를 갖는 제어 모멘트 자이로스코프로서, 그 구체적인 구성은 아래와 같다.

즉, 본 발명에 따른 제어 모멘트 자이로스코프는 도 3 내지 도 5에서와 같이 김벌 림(gimbal rim)(100)과, 휠 프레임(200)과, 한 쌍의 모멘텀 휠(300)과, 김벌 모터(gimbal motor)(400)와, 각속도 측정센서(500)로 크게 구성된다.

상기 김벌 림(100)은 원형띠 형상을 갖는 것으로서, 상기 휠 프레임(200)을 포함한 모멘텀 휠(300), 김벌 모터(400), 각속도 측정센서(500)를 지지하는 역할을 한다.

상기 휠 프레임(200)은 상기 한 쌍의 모멘텀 휠을 효과적으로 지지하기 위해 새롭게 설치되는 것으로서, 한 쌍의 모멘텀 휠(이하 "제1,2 모멘텀 휠"로 구분하기 로 함)(310,320)을 서로 대칭되게 안정적으로 설치하기 위한 구조를 갖는다.

구체적으로 보면, 상기 휠 프레임(200)은 동일구조의 제1 프레임(210)과 제2 프레임(220)으로 구성되데, 서로 대칭되게 조립된다.

상기 제1 프레임(210)과 제2 프레임(220)의 중앙부에는 상기 제1 모멘텀 휠(310)과 제2 모멘텀 휠(320)이 각각 안정적으로 결합될 수 있도록 평활한 설치부(211,221)가 구비되며, 상기 각 설치부(211,221)는 서로 이격되게 구성된다.

또한, 상기 각 설치부(211,221)의 양쪽에는 서로 대접되게 절곡되어 나사(s)에 의해 체결되는 체결부(212,222)가 구비된다. 이러한 체결부(212,222)는 상기 설치부(211,221)로 부터 절곡되게 구성되어 있어서 평활한 형태에 비해서 프레임의 강도를 높일 수 있다.

또한, 상기 제1 프레임(210)과 제2 프레임(220)의 일단부와 상기 김벌 모터(400)는 제1 커넥터(600)에 의해 연결된다.

이때, 상기 제1,2 프레임(210,220)의 일단부는 상기 일측 체결부(212,222)로 부터 서로 이격되게 절곡되어 있으며, 상기 제1 커넥터(600)는 그 일측이 상기 일측 체결부(212,22)에 나사(s)로서 체결되고, 다른 일측은 상기 김벌 모터(400)의 축(410)과 결합되어 있다.

그리고, 상기 제1 프레임(210)과 제2 프레임(220)의 타단부와 상기 각속도 측정센서(500)는 제2 커넥터(700)에 의해 연결된다.

이때, 상기 제1,2 프레임(210,220)의 타단부는 상기 타측 체결부(213,223)로 부터 서로 이격되게 절곡되어 있으며, 상기 제2 커넥터(700)는 그 일측이 상기 타 측 체결부(213,223)에 나사(s)로서 체결되고, 다른 일측은 상기 각속도 측정센서(500)의 축(510)과 결합되어 있다.

상기 제1 모멘텀 휠(310)과 제2 모멘텀 휠(320)은 상기 제1,2 프레임(210,220)의 각 설치부(211,221)에 평활면(311,321)을 밀착시킨 상태에서 나사(s)와 같은 결합수단에 의해 결합된다.

이러한 본 발명은 한 개의 모멘텀 휠을 사용하였을 때와 비교하여 두 개의 모멘텀 휠을 사용함으로써 두 배의 각운동량 벡터를 얻을 수 있다.

아울러, 두 개의 모멘텀 휠을 서로 대칭되게 설치함으로써 휠 뭉치의 관성의 곱이 최소화되어 토크노이즈 및 진동발생을 줄일 수 있어서, 제품의 신뢰도를 높일 수 있는 것이다.

위에서 설명된 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

도 1은 자이로스코프의 원리를 설명하기 위한 베이직한 자이로스코프의 구성도

도 2는 종래 제어 모멘트 자이로스코프의 사시도

도 3은 본 발명에 따른 제어 모멘트 자이로스코프의 사시도

도 4는 본 발명에 따른 제어 모멘트 자이로스코프의 종단면도

도 5는 본 발명에 따른 제어 모멘트 자이로스코프의 동작상태도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 김벌 림

200 : 휠 프레임

210 : 제1 프레임 220 : 제2 프레임

211, 221 : 설치부 212, 222 : 일측 체결부

213, 223 : 타측 체결부

300 : 모멘텀 휠

310 : 제1 모멘텀 휠 320 : 제2 모멘텀 휠

400 : 김벌 모터

500 : 각속도 측정센서

Claims

김벌 림;

상기 김벌 림의 내부에 위치되는 제1 프레임과, 상기 제1 프레임과 동일구조를 갖되 제1 프레임과 대칭되게 상호 결속되는 제2 프레임으로 이루어진 휠 프레임;

상기 제1 프레임에 결속되는 제1 모멘텀 휠;

상기 제2 프레임의 제1 모멘텀 휠과 대응되는 위치에 결속되는 제2 모멘텀 휠;

상기 김벌 림의 표면 일측에 설치된 채, 상기 제1,2 프레임의 일단과 연결되는 김벌 모터; 및

상기 김벌 림의 표면 타측에 설치된 채, 상기 제1,2 프레임의 타단과 연결되어 제1,2 프레임의 각속도를 측정하는 각속도 측정센서;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 제어 모멘트 자이로스코프.
제1항에 있어서,

상기 제1 프레임과 제2 프레임에는 상기 제1,2 모멘텀 휠이 각각 안정적으로 설치될 수 있도록 평활한 설치부를 갖는 것을 특징으로 하는 제어 모멘트 자이로스코프.
제2항에 있어서,

상기 제1 프레임의 설치부와 제2 프레임의 설치부는 상호 이격된 것을 특징으로 하는 제어 모멘트 자이로스코프.
제3항에 있어서,

상기 제1 프레임과 제2 프레임의 설치부 양쪽에는 서로 대접된 채 나사체결되는 체결부가 구비된 것을 특징으로 하는 제어 모멘트 자이로스코프.
제4항에 있어서,

상기 제1 프레임과 제2 프레임의 일단부와 상기 김벌 모터는 제1 커넥터에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 제어 모멘트 자이로스코프.
제5항에 있어서,

상기 제1 프레임과 제2 프레임의 일단부는 서로 이격된 것을 특징으로 하는 제어 모멘트 자이로스코프.
제4항에 있어서,

상기 제1 프레임과 제2 프레임의 타단부와 상기 각속도 측정센서는 제2 커넥터에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 제어 모멘트 자이로스코프.
제7항에 있어서,

상기 제1 프레임과 제2 프레임의 타단부는 서로 이격된 것을 특징으로 하는 제어 모멘트 자이로스코프.