KR20230032207A

KR20230032207A - Control moment gyro

Info

Publication number: KR20230032207A
Application number: KR1020210114773A
Authority: KR
Inventors: 장순식; 최진태; 송정민; 최요한; 김대준; 반상권; 김희철
Original assignee: 주식회사 모트롤
Priority date: 2021-08-30
Filing date: 2021-08-30
Publication date: 2023-03-07
Also published as: KR102638914B1

Abstract

The purpose of the present invention is to provide a control moment gyroscope that not only reduces the overall weight but also ensures the safe installation of cables for transmitting electrical energy and control signals. The control moment gyroscope according to an embodiment of the present invention comprises: a gimbal support rotatable about a first axis of rotation; a gimbal motor that rotates the gimbal support and is a hollow motor and an outer rotor motor; a slip ring installed in a hollow of the gimbal motor; a spin wheel rotatable about a second axis of rotation intersecting the first axis of rotation axis; a wheel motor connected to the spin wheel to rotate the spin wheel; a wheel support arm that is coupled to the gimbal support to rotatably support the spin wheel, and has a through-hole formed through one end supporting the spin wheel and the other end coupled to the gimbal support; and a cable installed along the through-hole of the wheel support arm and connected to the slip ring to transmit electrical energy and control signals to the wheel motor.

Description

Control moment gyro {CONTROL MOMENT GYRO}

본 발명은 제어 모멘트 자이로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 위성 자세 제어 시스템에 이용되는 제어 모멘트 자이로에 관한 것입니다.The present invention relates to a control moment gyro, and more particularly, to a control moment gyro used in a satellite attitude control system.

일반적으로 제어 모멘트 자이로(control moment gyro, CMG)는 위성 자세 제어 시스템에 이용되고 있다. 위성은 위성의 본체에 연결된 3개 이상의 제어 모멘트 자이로를 통해 3개의 축 자세를 제어할 수 있다. 실제로, 3축 제어에 대한 중복성(redundancy)를 확보하기 위하여 하나의 클러스터에 적어도 4개의 제어 모멘트 자이로가 사용될 수 있다. 제어 모멘트 자이로를 이용한 위성의 자세 제어 방법은 프랑스 특허 제98 14548호 또는 미국 특허 제6,305,647호에서 제공되어 있다.In general, a control moment gyro (CMG) is used in a satellite attitude control system. The satellite can control its three-axis attitude through three or more control moment gyros connected to the body of the satellite. In practice, at least four control moment gyros can be used in one cluster to ensure redundancy for 3-axis control. A satellite attitude control method using a control moment gyro is provided in French Patent No. 98 14548 or US Patent No. 6,305,647.

예를 들어, 제어 모멘트 자이로는 각운동량을 발생시키기 위한 스핀 휠과 토크를 발생시키기 위한 짐벌 그리고 이들을 회전시키기 위한 2개의 모터를 포함하는 기계적인 부품들과, 이러한 기계적 부품들을 위성과 접속시키기 위한 접속 부재(interface part)와, 제어 전자 장치, 및 제어 모멘트 자이로에 의해 발생하는 진동의 감소를 위해 필요한 진동 감쇠 부재 등을 포함하고 있다. 따라서, 위성에 장착될 제어 모멘트 자이로는 상당한 크기와 무게 그리고 설치 공간을 필요로 하게 된다.For example, a control moment gyro has mechanical parts including a spin wheel to generate angular momentum, a gimbal to generate torque, and two motors to rotate them, and a connecting member to connect these mechanical parts to a satellite. (interface part), a control electronic device, and a vibration damping member necessary for reducing vibration generated by the control moment gyroscope. Therefore, the control moment gyro to be mounted on the satellite requires considerable size, weight, and installation space.

그런데, 위성은 발사체에 실려 지상에서 쏘아 올려지므로 무게와 부피에 제약이 크다. 이에, 위성의 자세를 제어하기 위한 제어 모멘트 자이로는 동일하거나 향상된 성능을 가지면서도 전체적인 부피와 중량을 최소화할 수 있어야 하는 문제점이 있다.However, satellites are loaded on a launch vehicle and launched from the ground, so there are significant restrictions on weight and volume. Accordingly, there is a problem in that the control moment gyro for controlling the attitude of the satellite should be able to minimize the overall volume and weight while having the same or improved performance.

본 발명의 실시예는 전체적인 무게를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 전기 에너지 및 제어 신호를 전달하는 케이블이 안전하게 설치된 제어 모멘트 자이로를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a control moment gyro that can reduce overall weight and safely install cables for transmitting electrical energy and control signals.

본 발명의 실시예에 따르면, 제어 모멘트 자이로는 제1 회전 축선을 중심으로 회전 가능하게 마련된 짐벌 지지대와, 상기 짐벌 지지대를 회전시키며, 중공 모터이자 외전형 모터인 짐벌 모터와, 상기 짐벌 모터의 중공에 설치된 슬립링과, 상기 제1 회전 축선과 교차하는 제2 회전 축선을 중심으로 회전 가능한 스핀 휠과, 상기 스핀 휠에 연결되어 상기 스핀 휠을 회전시키는 휠 모터와, 상기 짐벌 지지대에 결합되어 상기 스핀 휠을 회전 가능하게 지지하며, 상기 스핀 휠을 지지하는 일단과 상기 짐벌 지지대에 결합되는 타단을 관통하는 관통공이 형성된 휠 지지암, 그리고 상기 휠 지지암의 상기 관통공을 따라 설치되고 상기 슬립링과 연결되어 상기 휠 모터에 전기 에너지와 제어 신호를 전달하는 케이블을 포함한다.According to an embodiment of the present invention, the control moment gyroscope includes a gimbal support rotatably provided around a first rotational axis, a gimbal motor that rotates the gimbal support, and is a hollow motor and an external motor, and a hollow shaft of the gimbal motor. A slip ring installed on the slip ring, a spin wheel rotatable about a second rotation axis intersecting the first rotation axis, a wheel motor connected to the spin wheel and rotating the spin wheel, and coupled to the gimbal support to A wheel support arm rotatably supporting the spin wheel and having a through hole passing through one end supporting the spin wheel and the other end coupled to the gimbal support, and the slip ring installed along the through hole of the wheel support arm. and a cable that is connected to and transmits electric energy and control signals to the wheel motor.

상기 휠 지지암은 상기 관통공에 형성된 보강 리브를 포함할 수 있다.The wheel support arm may include a reinforcing rib formed in the through hole.

상기한 제어 모멘트 자이로는 상기 스핀 휠에 결합되며 상기 휠 모터에 의해 회전하는 회전축과, 상기 회전축과 상기 휠 지지암 사이에 개재되어 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 휠 베어링을 더 포함할 수 있다.The control moment gyroscope may further include a rotation shaft coupled to the spin wheel and rotated by the wheel motor, and a wheel bearing interposed between the rotation shaft and the wheel support arm to rotatably support the rotation shaft.

상기 휠 지지암은 상기 회전축의 양단을 지지할 수 있다.The wheel support arm may support both ends of the rotating shaft.

상기 회전축의 양단을 각각 지지하는 상기 휠 지지암의 상기 제2 회전 축선 방향의 최소 두께는 상기 스핀 휠의 상기 제2 회전 축선 방향의 최대 폭의 절반보다 크게 형성될 수 있다.A minimum thickness of the wheel support arm supporting both ends of the rotation shaft in the direction of the second rotation axis may be greater than half of a maximum width of the spin wheel in the direction of the second rotation axis.

본 발명의 실시예에 따르면, 제어 모멘트 자이로는 전체적인 무게를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 전기 에너지 및 제어 신호를 전달하는 케이블이 안전하게 설치될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the overall weight of the control moment gyroscope can be reduced, and cables for transmitting electric energy and control signals can be safely installed.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 모멘트 자이로가 설치된 인공 위성을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 모멘트 자이로의 단면도이다.
도 3은 도 2의 스핀 휠과 회전축을 나타낸 부분 단면 사시도이다.
도 4는 도 3의 스핀 휠의 일부를 확대 도시한 정면도이다.
도 5는 도 3의 스핀 휠의 종 방향 단면도이다.
도 6은 도 2의 휠 지지암의 종 방향 부분 단면도이다.
도 7은 도 2의 휠 지지암의 사시도이다.1 is a perspective view illustrating an artificial satellite in which a control moment gyro is installed according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of a control moment gyroscope according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a partial cross-sectional perspective view showing the spin wheel and the rotating shaft of FIG. 2 .
FIG. 4 is an enlarged front view of a part of the spin wheel of FIG. 3 .
5 is a longitudinal cross-sectional view of the spin wheel of FIG. 3;
6 is a longitudinal partial cross-sectional view of the wheel support arm of FIG. 2;
7 is a perspective view of the wheel support arm of FIG. 2;

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. This invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments set forth herein.

도면들은 개략적이고 축척에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 축소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.It is advised that the drawings are schematic and not drawn to scale. Relative dimensions and proportions of parts in the drawings are shown exaggerated or reduced in size for clarity and convenience in the drawings, and any dimensions are illustrative only and not limiting. And like structures, elements or parts appearing in two or more drawings, like reference numerals are used to indicate like features.

본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.The embodiments of the present invention specifically represent ideal embodiments of the present invention. As a result, various variations of the diagram are expected. Therefore, the embodiment is not limited to the specific shape of the illustrated area, and includes, for example, modification of the shape by manufacturing.

또한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 용어들 및 과학적 용어들은, 달리 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 의미를 가진다. 본 명세서에 사용되는 모든 용어들은 본 발명을 더욱 명확히 설명하기 위한 목적으로 선택된 것이며 본 발명에 따른 권리범위를 제한하기 위해 선택된 것이 아니다.In addition, all technical terms and scientific terms used in this specification have meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, unless otherwise defined. All terms used herein are selected for the purpose of more clearly describing the present invention and are not selected to limit the scope of rights according to the present invention.

또한, 본 명세서에서 사용되는 '포함하는', '구비하는', '갖는' 등과 같은 표현은, 해당 표현이 포함되는 어구 또는 문장에서 달리 언급되지 않는 한, 다른 실시예를 포함할 가능성을 내포하는 개방형 용어(open-ended terms)로 이해되어야 한다.In addition, expressions such as 'comprising', 'including', 'having', etc. used in this specification imply the possibility of including other embodiments, unless otherwise stated in the phrase or sentence in which the expression is included. It should be understood in open-ended terms.

또한, 본 명세서에서 기술된 단수형의 표현은 달리 언급하지 않는 한 복수형의 의미를 포함할 수 있으며, 이는 청구범위에 기재된 단수형의 표현에도 마찬가지로 적용된다.In addition, singular expressions described in this specification may include plural meanings unless otherwise stated, and this applies to singular expressions described in the claims as well.

또한, 본 명세서에서 사용되는 '제1', '제2' 등의 표현들은 복수의 구성 요소들을 상호 구분하기 위해 사용되며, 해당 구성요소들의 순서 또는 중요도를 한정하는 것은 아니다.In addition, expressions such as 'first' and 'second' used in this specification are used to distinguish a plurality of components from each other, and do not limit the order or importance of the components.

이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 모멘트 자이로(101)를 설명한다.Hereinafter, the control moment gyro 101 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7 .

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 모멘트 자이로(101)는 위성(100)에 장착되어 위성(100)의 자세 제어에 사용될 수 있다.As shown in FIG. 1 , the control moment gyro 101 according to an embodiment of the present invention is mounted on the satellite 100 and can be used for attitude control of the satellite 100 .

예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 모멘트 자이로(101)는 전형적으로 중량이 100Kg 내지 1000kg 사이의 범위 내에 속하는 중소형 위성(100)에 적용될 수 있다. 그리고 위성(100)에는 3개 이상의 제어 모멘트 자이로(101)가 장착되어 3개의 축을 기준으로 위성(100)의 자세가 제어될 수 있다. 또한, 3축 제어에 대한 중복성(redundancy)를 확보하기 위하여 하나의 클러스터에 적어도 4개의 제어 모멘트 자이로(101)가 사용될 수도 있다.For example, the control moment gyro 101 according to an embodiment of the present invention may be applied to small and medium-sized satellites 100 typically weighing between 100 kg and 1000 kg. In addition, three or more control moment gyros 101 are mounted on the satellite 100 so that the attitude of the satellite 100 can be controlled based on three axes. In addition, at least four control moment gyros 101 may be used in one cluster to secure redundancy for 3-axis control.

하지만, 본 발명이 전술한 바에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 모멘트 자이로(101)는 중량이 수 톤에 이르는 중대형 위성과 우주선 또는 우주 정거장 같은 대형 우주 시스템에도 적용될 수 있다. 또한, 필요에 따라 2개의 제어 모멘트 자이로(101)가 사용되어 위성 등을 2축 제어할 수도 있다.However, the present invention is not limited to the above. That is, the control moment gyro 101 according to an embodiment of the present invention can also be applied to large-scale space systems such as medium-to-large satellites and spacecraft or space stations weighing several tons. In addition, if necessary, two control moment gyros 101 may be used to control a satellite or the like in two axes.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 모멘트 자이로(101)는 짐벌 지지대(200), 짐벌 모터(320), 스핀 휠(400), 휠 모터(340), 휠 지지암(500), 슬립링(730), 및 짐벌 베어링(620)을 포함한다.As shown in FIG. 2 , the control moment gyro 101 according to an embodiment of the present invention includes a gimbal support 200, a gimbal motor 320, a spin wheel 400, a wheel motor 340, and a wheel support arm. 500, slip ring 730, and gimbal bearing 620.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 모멘트 자이로(101)는 짐벌 하우징(800), 위치 센서(770), 댐퍼 조립체(900), 케이블(750), 회전축(460), 휠 베어링(640), 및 휠 커버(250)를 더 포함할 수 있다.In addition, the control moment gyro 101 according to an embodiment of the present invention includes a gimbal housing 800, a position sensor 770, a damper assembly 900, a cable 750, a rotation shaft 460, and a wheel bearing 640. , and a wheel cover 250 may be further included.

짐벌 지지대(200)는 제1 회전 축선을 중심으로 회전 가능하게 마련된다. 여기서, 제1 회전 축선은 후술할 짐벌 모터(320)의 회전 중심이 되는 축선일 수 있다.The gimbal support 200 is rotatably provided around a first rotational axis. Here, the first rotational axis may be an axis serving as a rotational center of the gimbal motor 320 to be described later.

또한, 짐벌 지지대(200)의 일면에는 후술할 휠 지지암(500)이 결합되고, 짐벌 지지대(200)의 타면에는 후술할 짐벌 모터(320)가 연결될 수 있다. 그리고 휠 지지암(500)과 결합된 짐벌 지지대(200)의 일면은 가운데가 짐벌 모터(320) 방향으로 함몰된 원판 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 짐벌 지지대(200)의 함몰된 공간은 후술할 스핀 휠(400)의 림(420)의 폭보다 큰 직경을 갖도록 형성될 수 있다.In addition, a wheel support arm 500 to be described below may be coupled to one surface of the gimbal support 200, and a gimbal motor 320 to be described below may be connected to the other surface of the gimbal support 200. In addition, one surface of the gimbal support 200 coupled to the wheel support arm 500 may be formed in a disc shape with a center recessed toward the gimbal motor 320 . At this time, the recessed space of the gimbal support 200 may be formed to have a larger diameter than the width of the rim 420 of the spin wheel 400 to be described later.

또한, 짐벌 지지대(200) 상에는 휠 지지암(500)에 지지된 후술할 스핀 휠(400)이 제1 회전 축선과 교차하는 제2 회전 축선을 중심으로 회전 가능하게 마련될 수 있다. 여기서, 제2 회전 축선은 후술할 휠 모터(340)의 회전 중심이 되는 축선일 수 있다.In addition, on the gimbal support 200, a spin wheel 400 to be described later supported by the wheel support arm 500 may be provided to be rotatable about a second rotational axis intersecting the first rotational axis. Here, the second rotation axis may be an axis serving as a rotation center of the wheel motor 340 to be described later.

짐벌 모터(340)는 짐벌 지지대(200)의 타면에 연결되어 짐벌 지지대(200)를 회전시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 짐벌 모터(340)는 중공 모터(hollow motor)이자 외전형 모터일 수 있다. 외전형 모터는 회전자의 외경이 내전형 모터보다 커 상대적으로 관성 모멘트가 크고 회전자의 안쪽에 자석을 부착할 수 있으므로 고속 회전에 유리하다.The gimbal motor 340 may be connected to the other surface of the gimbal support 200 to rotate the gimbal support 200 . In one embodiment of the present invention, the gimbal motor 340 may be a hollow motor and an abducted motor. The external diameter of the rotor is larger than that of the internal motor, so the external motor has a relatively large moment of inertia and can attach a magnet to the inside of the rotor, so it is advantageous for high-speed rotation.

슬립링(730)은 짐벌 모터(320)의 중공에 설치될 수 있다. 슬립링(730)은 회전하는 장비에 전기 에너지 또는 제어 신호를 공급하기 위한 후술할 케이블(750)(도 6에 도시함)의 꼬임없이 전달가능한 일종의 회전형 커넥터이다. 슬립링(730)은 전기 에너지 또는 제어 신호를 전달하는 동안 회전을 요구하는 전자 시스템에서 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 모멘트 자이로(101)에서는, 슬립링(730)을 통해 후술할 휠 모터(340)에 전기 에너지 및 제어 신호를 전달할 수 있게 된다.The slip ring 730 may be installed in the hollow of the gimbal motor 320 . The slip ring 730 is a type of rotatable connector capable of transmitting a cable 750 (shown in FIG. 6 ) to be described later for supplying electrical energy or control signals to rotating equipment without twisting. Slip ring 730 may be used in electronic systems that require rotation while transmitting electrical energy or control signals. In the control moment gyro 101 according to an embodiment of the present invention, electrical energy and control signals can be transmitted to the wheel motor 340 to be described later through the slip ring 730 .

휠 모터(340)는 후술할 스핀 휠(400)에 연결되어 스핀 휠(400)을 회전시킬 수 있다. 또한, 휠 모터(340)는 후술할 케이블(750)과 연결되기 위한 케이블 인입부(534)를 포함할 수 있다.The wheel motor 340 may be connected to the spin wheel 400 to be described later to rotate the spin wheel 400 . In addition, the wheel motor 340 may include a cable inlet 534 to be connected to a cable 750 to be described later.

스핀 휠(400)은 짐벌 지지대(200)의 회전 중심인 제1 회전 축선과 교차하는 제2 회전 축선을 중심으로 회전 가능하게 마련될 수 있다.The spin wheel 400 may be provided to be rotatable about a second rotational axis crossing the first rotational axis, which is the rotational center of the gimbal support 200 .

구체적으로, 스핀 휠(400)은 허브(hub, 410)와, 허브(410)를 둘러싸는 림(rim, 420), 그리고 허브(410)와 림(420)을 연결하며 등간격으로 배열된 복수의 스포크(spoke, 430)를 포함할 수 있다.Specifically, the spin wheel 400 includes a hub 410, a rim 420 surrounding the hub 410, and a plurality of wheels arranged at equal intervals connecting the hub 410 and the rim 420. It may include a spoke (spoke, 430) of.

도 3에 도시한 바와 같이, 허브(410)는 중공 원통 형상으로 형성될 수 있다. 허브(410)의 중공에는 후술할 회전축(460)이 결합될 수 있다.As shown in FIG. 3 , the hub 410 may be formed in a hollow cylindrical shape. A rotation shaft 460 to be described below may be coupled to the hollow of the hub 410 .

림(420)과 연결되는 스포크(430)의 일단부는 림(420)에 가까워질수록 두께가 두꺼워지고, 허브(410)와 연결되는 스포크(430)의 타단부는 허브(410)에 가까워질수록 두께가 두꺼워지도록 형성될 수 있다.One end of the spoke 430 connected to the rim 420 becomes thicker as it gets closer to the rim 420, and the other end of the spoke 430 connected to the hub 410 gets closer to the hub 410. It may be formed to be thick.

이때, 도 4에 도시한 바와 같이, 스포크(430)의 일단부의 최대 두께(t1)가 스포크(430)의 타단부의 최대 두께(t2)보다 상대적으로 더 두껍게 형성될 수 있다.At this time, as shown in FIG. 4 , the maximum thickness t1 of one end of the spoke 430 may be formed to be relatively thicker than the maximum thickness t2 of the other end of the spoke 430 .

또한, 림(420)과 연결된 스포크(430)의 일단부와 허브(410)와 연결된 스포크(430)의 타단부는 각각 만곡된 형상을 가질 수 있다. 이때, 스포크(430)의 일단부가 갖는 만곡된 형상의 곡률 반경(R1)이 스포크의 타단부가 갖는 만곡된 형상의 곡률 반경(R2)보다 크게 형성될 수 있다.In addition, one end of the spoke 430 connected to the rim 420 and the other end of the spoke 430 connected to the hub 410 may each have a curved shape. At this time, the radius of curvature R1 of the curved shape at one end of the spoke 430 may be larger than the radius of curvature R2 of the curved shape at the other end of the spoke.

또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 복수의 스포크(430)는 허브(410)에서 림(420) 방향으로 갈수록 제2 회전 축선 방향의 폭이 커지도록 형성될 수 있다.In addition, as shown in FIG. 5 , the plurality of spokes 430 may be formed such that a width in the direction of the second rotational axis increases from the hub 410 toward the rim 420 .

따라서, 스포크(430)는 허브(410)에서 림(420) 방향으로 갈수록 무게가 무거워지도록 형성될 수 있다.Accordingly, the spokes 430 may be formed such that their weight increases in the direction from the hub 410 to the rim 420 .

또한, 허브(410)보다 림(420)은 제2 회전 축선 방향의 폭이 크게 형성될 수 있다. 즉, 허브의 폭(W1)보다 림의 폭(W2)이 더 크게 형성될 수 있다.In addition, the width of the rim 420 in the direction of the second axis of rotation may be larger than that of the hub 410 . That is, the width W2 of the rim may be greater than the width W1 of the hub.

전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 스핀 휠(400)은 전체적으로 허브(410) 보다 림(420)에 가까워질수록 무게가 증가하는 형상을 갖게 된다.As described above, according to one embodiment of the present invention, the spin wheel 400 generally has a shape in which weight increases as it approaches the rim 420 rather than the hub 410 .

이와 같이, 스핀 휠(400)이 허브(410)에서 림(420)으로 갈수록 질량이 증가되는 구조를 가짐으로써, 스핀 휠(400)은 질량 대비 관성을 크게 높일 수 있다. 이에, 질량 대비 스핀 휠(400)의 각운동량이 커질 수 있다.As such, since the spin wheel 400 has a structure in which the mass increases from the hub 410 to the rim 420, the spin wheel 400 can greatly increase inertia to mass. Accordingly, the angular momentum of the spin wheel 400 relative to the mass may increase.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 모멘트 자이로(101)에 사용된 스핀 휠(400)은 동일한 질량 대비 강성은 유지하면서도 각운동량을 키울 수 있는 구조를 갖는다. 또한, 스핀 휠(400)의 각운동량이 커짐으로써, 짐벌 지지대(200)가 회전할 때 발생하는 토크도 증가된다.That is, the spin wheel 400 used in the control moment gyro 101 according to an embodiment of the present invention has a structure capable of increasing angular momentum while maintaining the same stiffness-to-mass ratio. In addition, as the angular momentum of the spin wheel 400 increases, torque generated when the gimbal support 200 rotates also increases.

결과적으로, 제어 모멘트 자이로(101)가 생성하는 토크를 증가시킬 수 있게 되며, 제어 모멘트 자이로(101)의 무게 및 부피 대비 생성할 수 있는 토크를 최대로 끌어올릴 수 있게 된다.As a result, the torque generated by the control moment gyro 101 can be increased, and the torque that can be generated relative to the weight and volume of the control moment gyro 101 can be maximized.

또한, 스핀 휠(400)의 림(420)의 외주면은 짐벌 지지대(200)의 함몰된 공간에 위치할 수 있다. 즉, 스핀 휠(400)은 림(420)의 일부가 짐벌 지지대(200)의 함몰된 공간에 위치한 상태로 회전할 수 있다. 그리고 림(420)의 외주면은 가운데가 볼록한 곡선 형상으로 형성될 수 있다. 이로 인해 외주면이 평면인 경우 보다 스핀 휠(400)의 질량 대비 각운동량을 키울 수 있다.Also, an outer circumferential surface of the rim 420 of the spin wheel 400 may be located in a recessed space of the gimbal support 200 . That is, the spin wheel 400 may rotate with a portion of the rim 420 positioned in the recessed space of the gimbal support 200 . In addition, the outer circumferential surface of the rim 420 may be formed in a curved shape with a convex center. As a result, the angular momentum relative to the mass of the spin wheel 400 can be increased compared to the case where the outer circumferential surface is flat.

이와 같이, 스핀 휠(400)의 일부를 짐벌 지지대(200)의 함몰된 공간에 위치시킴으로써, 스핀 휠(400)의 회전 중심이되는 제2 회전 축선과 짐벌 지지대(200) 사이의 거리를 줄일 수 있게 된다. 따라서, 제어 모멘트 자이로(101)의 전체 높이를 낮출 수 있다. 즉, 스핀 휠(400)의 직경은 키우면서도 제어 모멘트 자이로(101)의 전체적인 크기는 줄일 수 있다.In this way, by locating a part of the spin wheel 400 in the recessed space of the gimbal support 200, the distance between the second rotational axis serving as the rotational center of the spin wheel 400 and the gimbal support 200 can be reduced. there will be Accordingly, the overall height of the control moment gyro 101 can be reduced. That is, the overall size of the control moment gyroscope 101 can be reduced while increasing the diameter of the spin wheel 400 .

또한, 스핀 휠(400)의 림(420)의 외주면을 가운데가 볼록한 곡선 형상으로 형성하여, 림(420)의 일부가 짐벌 지지대(200)의 함몰된 공간에 위치한 상태로 스핀 휠(400)이 회전할 때 짐벌 지지대(200)의 함몰된 공간에 위치하는 림(420)이 짐벌 지지대(200)와 충돌하거나 간섭되는 것을 방지할 수 있다.In addition, the outer circumferential surface of the rim 420 of the spin wheel 400 is formed in a curved shape with a convex center, so that a part of the rim 420 is positioned in the recessed space of the gimbal support 200, and the spin wheel 400 is When rotating, it is possible to prevent the rim 420 positioned in the recessed space of the gimbal support 200 from colliding with or interfering with the gimbal support 200 .

본 발명의 일 실시예에 따른 제어 모멘트 자이로(101)의 동작 원리를 설명하면, 제어 모멘트 자이로(101)는 자이로스코프(gyroscope)의 원리를 이용한 토크 발생 장치로 휠 모터(340)가 스핀 휠(400)을 제2 회전 축선을 중심으로 고속으로 회전시키면 스핀 휠(400)의 회전 방향에 법선 방향으로 각운동량이 발생하게 된다. 이때, 짐벌 모터(320)를 구동하여 짐벌 지지대(200)를 제1 회전 축선을 중심으로 회전시키면, 제1 회전 축선과 제2 회전 축선에 수직한 방향으로 토크가 발생된다. 그리고 이와 같이 발생된 토크를 이용하여 위성(100)의 자세를 제어하게 된다. 여기서, 토크의 크기는 스핀 휠(400)의 각운동량과 짐벌 지지대(200)의 각속도의 곱으로 발생된다.Referring to the operating principle of the control moment gyro 101 according to an embodiment of the present invention, the control moment gyro 101 is a torque generating device using the principle of a gyroscope, and the wheel motor 340 is a spin wheel ( 400) is rotated at high speed around the second rotational axis, angular momentum is generated in a direction normal to the rotational direction of the spin wheel 400. At this time, when the gimbal motor 320 is driven to rotate the gimbal support 200 about the first rotational axis, torque is generated in a direction perpendicular to the first rotational axis and the second rotational axis. In addition, the attitude of the satellite 100 is controlled using the torque generated in this way. Here, the magnitude of torque is generated by multiplying the angular momentum of the spin wheel 400 and the angular velocity of the gimbal support 200 .

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 모멘트 자이로(101)에 사용된 스핀 휠(400)은 질량 대비 높은 각운동량을 발생시킬 수 있는 구조를 가지므로, 제어 모멘트 자이로(101)의 전체적인 무게를 감소시킬 수 있다.That is, since the spin wheel 400 used in the control moment gyro 101 according to an embodiment of the present invention has a structure capable of generating a high angular momentum relative to its mass, the overall weight of the control moment gyro 101 is reduced. can make it

회전축(460)은 스핀 휠(400)의 허브(410)의 중공에 결합되며 휠 모터(340)와 연결되어 휠 모터(340)에 의해 회전할 수 있다. 그리고 회전축(460)은 중공축으로 형성될 수 있다. 그리고 회전축(460)의 중공(465)에는 후술할 휠 베어링(640)에 공급할 윤활유가 탑재될 수 있다. 또한, 회전축(460)에는 중공(465)에 탑재된 윤활유를 휠 베어링(640)에 공급하기 위한 유로가 형성될 수 있다.The rotating shaft 460 is coupled to the hollow of the hub 410 of the spin wheel 400 and is connected to the wheel motor 340 to be rotated by the wheel motor 340 . Also, the rotating shaft 460 may be formed as a hollow shaft. Lubricating oil to be supplied to the wheel bearing 640 to be described later may be mounted in the hollow 465 of the rotating shaft 460 . In addition, a flow path for supplying lubricating oil loaded in the hollow 465 to the wheel bearing 640 may be formed in the rotating shaft 460 .

휠 베어링(640)은 회전축(460)과 후술할 휠 지지암(500) 사이에 개재되어 회전축(460)을 회전 가능하게 지지할 수 있다. 일례로, 휠 베어링(640)은 볼 베어링일 수 있다.The wheel bearing 640 may be interposed between the rotational shaft 460 and the wheel support arm 500 to be described later to rotatably support the rotational shaft 460 . In one example, wheel bearing 640 may be a ball bearing.

휠 지지암(500)은 짐벌 지지대(200)의 일면에 결합되어 스핀 휠(400)을 회전 가능하게 지지할 수 있다.The wheel support arm 500 is coupled to one surface of the gimbal support 200 to rotatably support the spin wheel 400 .

구체적으로, 휠 지지암(500)은 스핀 휠(400)의 허브(410)의 중공에 결합되며 휠 모터(340)와 연결되어 휠 모터(340)에 의해 회전하는 회전축(460)의 양 단을 지지할 수 있다.Specifically, the wheel support arm 500 is coupled to the hollow of the hub 410 of the spin wheel 400 and is connected to the wheel motor 340 to support both ends of the rotary shaft 460 rotated by the wheel motor 340. can support

또한, 전술한 바와 같이, 휠 지지암(500)과 회전축(460) 사이에는 휠 베어링(640)이 개재될 수 있다.Also, as described above, a wheel bearing 640 may be interposed between the wheel support arm 500 and the rotating shaft 460 .

또한, 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 휠 지지암(500)은 스핀 휠(400)을 지지하는 일단과 짐벌 지지대(200)에 결합되는 타단을 관통하도록 형성된 관통공(505)을 포함할 수 있다.6 and 7, the wheel support arm 500 includes a through hole 505 formed to penetrate one end supporting the spin wheel 400 and the other end coupled to the gimbal support 200. can do.

이와 같이 휠 지지암(500)에 관통공(505)을 형성하여 제어 모멘트 자이로(101)의 전체적인 무게를 저감시킬 수 있다. 그리고 휠 지지암(500)의 관통공(505)은 후술할 케이블(750)이 통과하는 경로가 될 수 있다.As such, by forming the through hole 505 in the wheel support arm 500 , the overall weight of the control moment gyroscope 101 may be reduced. Also, the through hole 505 of the wheel support arm 500 may be a path through which a cable 750 to be described later passes.

또한, 휠 지지암(500)은 회전축(460)의 양단을 지지할 수 있다. 이때, 휠 지지암(500)은 회전축(460)과 분리되는 분리형이거나 회전축(460)과 일체로 형성된 일체형일 수 있다. 그리고 회전축(460)의 양단을 각각 지지하는 휠 지지암(500)의 제2 회전 축선 방향의 최소 두께는 스핀 휠(400)의 제2 회전 축선 방향의 최대 폭의 절반보다 크게 형성될 수 있다.Also, the wheel support arm 500 may support both ends of the rotating shaft 460 . In this case, the wheel support arm 500 may be a separable type separated from the rotational shaft 460 or may be integrally formed with the rotational shaft 460 . Also, the minimum thickness of the wheel support arm 500 supporting both ends of the rotation shaft 460 in the direction of the second rotation axis may be greater than half of the maximum width of the spin wheel 400 in the direction of the second rotation axis.

이에, 휠 지지암(500)은 충분한 강성을 확보하여 고속으로 회전하는 스핀 휠(400)을 안정적으로 지지할 수 있다.Thus, the wheel support arm 500 can stably support the spin wheel 400 rotating at high speed by securing sufficient rigidity.

또한, 휠 지지암(500)은 관통공(505)에 형성된 보강 리브(550)를 포함할 수 있다. 보강 리브(550)는 관통공(505)의 형성으로 저하된 휠 지지암(500)의 강도를 보강할 수 있다.In addition, the wheel support arm 500 may include a reinforcing rib 550 formed in the through hole 505 . The reinforcing rib 550 may reinforce the strength of the wheel support arm 500 reduced by the formation of the through hole 505 .

케이블(750)은 휠 지지암(500)의 관통공(505)을 따라 설치되고 짐벌 모터(320)의 중공에 설치된 슬립링(730)과 연결되어 휠 모터(340)에 전기 에너지와 제어 신호를 전달할 수 있다. 따라서, 케이블(750)이 외부로 노출되지 않고 안전하게 보호될 수 있다.The cable 750 is installed along the through hole 505 of the wheel support arm 500 and is connected to the slip ring 730 installed in the hollow of the gimbal motor 320 to provide electrical energy and control signals to the wheel motor 340. can be conveyed Thus, the cable 750 can be safely protected without being exposed to the outside.

짐벌 하우징(800)은, 앞서 도 2에 도시한 바와 같이, 짐벌 모터(320)를 수용 및 지지할 수 있다. 그리고 짐벌 하우징(800) 상에서 짐벌 지지대(200)가 제1 회전 축선을 중심으로 회전하게 된다. 즉, 짐벌 하우징(800)은 고정자가 되고 짐벌 지지대(200)는 회전자가 될 수 있다.The gimbal housing 800 may accommodate and support the gimbal motor 320 as shown in FIG. 2 above. And, the gimbal support 200 on the gimbal housing 800 rotates about the first rotational axis. That is, the gimbal housing 800 may be a stator and the gimbal support 200 may be a rotor.

짐벌 베어링(620)은 짐벌 하우징(800)에 수용되어 짐벌 지지대(200)를 회전 가능하게 지지한다. 즉, 짐벌 베어링(620)은 짐벌 하우징(800)과 짐벌 지지대(200) 사이에 개재될 수 있다. 일례로, 짐벌 베어링(620)은 롤러 베어링 또는 볼 베어링일 수 있다.The gimbal bearing 620 is accommodated in the gimbal housing 800 and rotatably supports the gimbal support 200 . That is, the gimbal bearing 620 may be interposed between the gimbal housing 800 and the gimbal support 200 . In one example, gimbal bearings 620 may be roller bearings or ball bearings.

위치 센서(770)는 짐벌 하우징(800)에 수용되어 짐벌 모터(320)에 의해 회전하는 짐벌 지지대(200)의 회전 각도 및 회전 방향을 측정할 수 있다. 일례로, 위치 센서(770)는 엔코더(encoder), 레졸버(resolver), 로터리 포텐쇼미터(rotary potentiometer) 등일 수 있다. 즉, 위치 센서(770)는 짐벌 모터(320)의 회전 속도와 회전 방향을 감지할 수 있다.The position sensor 770 may be accommodated in the gimbal housing 800 and measure the rotation angle and rotation direction of the gimbal support 200 rotated by the gimbal motor 320 . For example, the position sensor 770 may be an encoder, a resolver, a rotary potentiometer, or the like. That is, the position sensor 770 may detect the rotational speed and rotational direction of the gimbal motor 320 .

댐퍼 조립체(900)는 짐벌 하우징(800)에 연결되어 스핀 휠(400) 및 짐벌 지지대(200)가 휠 모터(340) 및 짐벌 모터(320)에 의해 고속으로 회전하면서 발생하는 진동을 감쇄하고 외부에서 제어 모멘트 자이로(101)에 가해지는 충격을 완충시킬 수 있다. 즉, 댐퍼 조립체(900)는 위성(100)이 발사체에 실려 발사될 때 발생하는 진동과 충격으로부터 제어 모멘트 자이로(101)를 보호하고, 우주에서 제어 모멘트 자이로(101)가 동작할 때 발생하는 미세 진동을 저감시킬 수 있다.The damper assembly 900 is connected to the gimbal housing 800 to damp vibration generated while the spin wheel 400 and the gimbal support 200 are rotated at high speed by the wheel motor 340 and the gimbal motor 320 and The shock applied to the control moment gyroscope 101 can be buffered. That is, the damper assembly 900 protects the control moment gyro 101 from vibrations and shocks generated when the satellite 100 is launched on a launch vehicle, and the control moment gyro 101 is operated in space. Vibration can be reduced.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 짐벌 모터(320), 슬립링(730), 및 짐벌 베어링(620)은 동일한 가상의 평면 상에 배치될 수 있다. 여기서, 가상의 평면은 제2 회전 축선과 평행하고, 제1 회전 축선과 교차할 수 있다. 그리고, 전술한 바와 같이, 스핀 휠(400)의 림(420)의 외주면이 짐벌 지지대(200)의 함몰된 공간에 위치하므로, 제어 모멘트 자이로(101)가 장착되는 위성(100)의 본체와 스핀 휠(400)의 회전 중심이 되는 제2 회전 축선 사이의 거리를 최소화할 수 있다. 이에, 제어 모멘트 자이로(101)의 전체적인 높이를 낮추고 컴팩트한 형상을 구현할 수 있다.In particular, according to one embodiment of the present invention, the gimbal motor 320, the slip ring 730, and the gimbal bearing 620 may be disposed on the same virtual plane. Here, the imaginary plane may be parallel to the second axis of rotation and intersect with the first axis of rotation. And, as described above, since the outer circumferential surface of the rim 420 of the spin wheel 400 is located in the recessed space of the gimbal support 200, the control moment gyro 101 is mounted on the body of the satellite 100 and the spin The distance between the second rotation axes serving as the rotation centers of the wheels 400 may be minimized. Accordingly, the overall height of the control moment gyro 101 may be reduced and a compact shape may be implemented.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가상의 평면 상에 위치 센서(770)와 댐퍼 조립체(900)도 배치될 수 있다. 이 경우, 제어 모멘트 자이로(101)의 전체적인 높이를 더욱 낮출 수 있게 된다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the position sensor 770 and the damper assembly 900 may also be disposed on a virtual plane. In this case, the overall height of the control moment gyro 101 can be further reduced.

휠 커버(250)는 짐벌 지지대(200)의 일면에 결합되어 스핀 휠(400), 휠 모터(340), 및 휠 지지암(500)을 커버할 수 있다. 휠 커버(250)는 스핀 휠(400), 휠 모터(340), 및 휠 지지암(500)을 커버하면서, 탈기체 등으로 내부 구성품에서 발생하는 이물질이 위성(100)에 미치는 영향을 차단할 수 있다.The wheel cover 250 may be coupled to one surface of the gimbal support 200 to cover the spin wheel 400 , the wheel motor 340 , and the wheel support arm 500 . The wheel cover 250 covers the spin wheel 400, the wheel motor 340, and the wheel support arm 500, and can block the influence of foreign matter generated from internal components by degassing on the satellite 100. there is.

이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 모멘트 자이로(101)는 발생시킬 수 있는 각운동량과 토크에 대비 설치에 요구되는 공간의 크기를 최소화할 수 있다.With this configuration, the control moment gyro 101 according to an embodiment of the present invention can minimize the size of the space required for installation in comparison to the angular momentum and torque that can be generated.

구체적으로, 짐벌 모터(320), 슬립링(730), 짐벌 베어링(620), 위치 센서(770), 및 댐퍼 조립체(900)를 제어 모멘트 자이로(101)의 높이 방향에 가로지르는 방향으로 설정된 가상의 평면 상에 배치하고, 스핀 휠(400)의 림(420)의 외주면이 짐벌 지지대(200)의 함몰된 공간에 위치하도록 설치하여 제어 모멘트 자이로(101)가 장착되는 위성(100)의 본체와 스핀 휠(400)의 회전 중심이 되는 제2 회전 축선 사이의 거리를 최소화함으로써, 제어 모멘트 자이로(101)의 전체적인 높이를 낮추고 컴팩트한 형상을 구현할 수 있다.Specifically, the gimbal motor 320, the slip ring 730, the gimbal bearing 620, the position sensor 770, and the damper assembly 900 are set in a direction transverse to the height direction of the control moment gyro 101. and the outer circumferential surface of the rim 420 of the spin wheel 400 is located in the recessed space of the gimbal support 200 so that the control moment gyro 101 is mounted on the main body of the satellite 100 and By minimizing the distance between the second axis of rotation serving as the center of rotation of the spin wheel 400, the overall height of the control moment gyroscope 101 may be reduced and a compact shape may be implemented.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention pertains can understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. will be.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not limiting, and the scope of the present invention is indicated by the following detailed description of the claims, the meaning and scope of the claims, and All changes or modified forms derived from the equivalent concept should be construed as being included in the scope of the present invention.

100: 위성
101: 제어 모멘트 자이로
200: 짐벌 지지대
250: 휠 커버
320: 짐벌 모터
340: 휠 모터
400: 스핀 휠
410: 허브
420: 림
430: 스포크
460: 회전축
500: 휠 지지암
505: 관통공
534: 케이블 인입부
550: 보강 리브
620: 짐벌 베어링
640: 휠 베어링
750: 케이블
800: 짐벌 하우징
900: 댐퍼 조립체100: satellite
101: control moment gyro
200: gimbal support
250: wheel cover
320: gimbal motor
340: wheel motor
400: spin wheel
410: hub
420: rim
430: spoke
460: axis of rotation
500: wheel support arm
505: through hole
534: cable entry
550: reinforcing rib
620: gimbal bearing
640: wheel bearing
750: cable
800: gimbal housing
900: damper assembly

Claims

a gimbal support rotatably provided about a first rotational axis;
a gimbal motor that rotates the gimbal support and is a hollow motor and an abducted motor;
a slip ring installed in the hollow of the gimbal motor;
a spin wheel rotatable about a second axis of rotation intersecting the first axis of rotation;
a wheel motor connected to the spin wheel to rotate the spin wheel;
a wheel support arm coupled to the gimbal support to rotatably support the spin wheel and having a through hole passing through one end supporting the spin wheel and the other end coupled to the gimbal support; and
A cable installed along the through hole of the wheel support arm and connected to the slip ring to transmit electric energy and control signals to the wheel motor.
A control moment gyro comprising a.

According to claim 1,
The wheel support arm includes a reinforcing rib formed in the through hole.

According to claim 1,
a rotating shaft coupled to the spin wheel and rotated by the wheel motor; and
A wheel bearing interposed between the rotary shaft and the wheel support arm to rotatably support the rotary shaft
Control moment gyro further comprising a.

According to claim 3,
The wheel support arm supports both ends of the rotational axis of the control moment gyro.

According to claim 4,
The control moment gyro of claim 1 , wherein a minimum thickness of the wheel support arm supporting both ends of the rotation shaft in the direction of the second rotation axis is greater than half of a maximum width of the spin wheel in the direction of the second rotation axis.