RU147267U1

RU147267U1 - POWER TORQUE GYROSCOPE

Info

Publication number: RU147267U1
Application number: RU2014126695/28U
Authority: RU
Inventors: Юрий Германович Гладышев; Герман Николаевич Гладышев; Владимир Петрович Лянзбург
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-производственный центр "Полюс"
Priority date: 2014-07-01
Filing date: 2014-07-01
Publication date: 2014-10-27

Abstract

Силовой моментный гироскоп, содержащий электродвигатель-маховик, помещенный в одностепенной подвес с круговым реверсивным вращением на неограниченный угол, на неподвижной части которого установлены датчик угла и привод поворота вращающейся части подвеса, отличающийся тем, что приводной электродвигатель маховика установлен на одностепенном подвесе перпендикулярно оси маховика, причем статор электродвигателя жестко закреплен на неподвижной части подвеса, а ротор, связанный с маховиком бесконтактной магнитной передачей, установлен на неподвижной части подвеса через подшипниковую опору.A power torque gyroscope containing a flywheel motor placed in a single-stage suspension with circular reverse rotation at an unlimited angle, on the fixed part of which there is an angle sensor and a rotation drive of the rotating part of the suspension, characterized in that the flywheel drive motor is mounted on a single-stage suspension perpendicular to the axis of the flywheel, moreover, the stator of the electric motor is rigidly fixed to the fixed part of the suspension, and the rotor connected to the flywheel by a contactless magnetic transmission is mounted on and the stationary part of the suspension through the bearing support.

Description

Полезная модель относится к силовым моментным гироскопам, служащим исполнительными органами систем управления космическими аппаратами.The utility model relates to power moment gyroscopes serving as executive bodies of spacecraft control systems.

Известен силовой моментный гироскоп [Patent US 7249531 G01C 19/04 «Control moment gyro for attitude control of a spacecraft)).], содержащий электродвигатель-маховик, помещенный в одностепенной подвес с круговым (±360°) вращением, жестко связанный с вращающейся частью подвеса в виде усеченного конуса, нижняя часть которого имеет трубчатую форму, и цилиндрический корпус, причем трубчатая часть подвеса продлена внутрь корпуса с установленными на корпусе датчиком угла, приводом поворота вращающейся части подвеса, токоподводом в виде гибких многожильных кабелей с неподвижной части подвеса на вращающуюся часть.Known power torque gyroscope [Patent US 7249531 G01C 19/04 "Control moment gyro for attitude control of a spacecraft)).], Containing an electric motor-flywheel, placed in a single-stage suspension with a circular (± 360 °) rotation, rigidly connected with the rotating part a suspension in the form of a truncated cone, the lower part of which is tubular, and a cylindrical body, the tubular part of the suspension being extended into the body with an angle sensor mounted on the body, a drive for rotating the rotating part of the suspension, and a current lead in the form of flexible multicore cables from the fixed part suspension on a rotating part.

Недостатками такого силового моментного гироскопа являются невозможность обеспечить поворот вращающейся части на неограниченный угол, ограниченное число допустимых изгибов гибких кабелей токоподвода, что ограничивает срок службы силового моментного гироскопа.The disadvantages of such a power torque gyroscope are the inability to ensure rotation of the rotating part by an unlimited angle, a limited number of allowable bends of flexible current supply cables, which limits the service life of the power torque gyroscope.

Известен силовой моментный гироскоп [Patent US 2010/0320330 G01C 19/04 «Control moment gyroscope based momentum control systems in small satellites»], выбранный в качестве прототипа, содержащий электродвигатель маховик, причем ротор электродвигателя установлен на оси вращения маховика, а статор в корпусе электродвигателя-маховика, помещенный в одностепенной подвес с круговым реверсивным вращением на неограниченный угол, состоящий из вращающейся части, с которой жестко связан корпус электродвигателя-маховика, и неподвижной части подвеса, состоящей из корпуса с установленными на нем датчиком угла, приводом поворота вращающейся части подвеса, а также контактным токоподводом, с находящимися под напряжением подвижными (скользящими, катящимися) электрическими контактами, передающим электропитание и сигналы управления с неподвижной части подвеса на его вращающуюся часть.Known power torque gyroscope [Patent US 2010/0320330 G01C 19/04 "Control moment gyroscope based momentum control systems in small satellites"], selected as a prototype, containing a flywheel electric motor, the rotor of the electric motor mounted on the axis of rotation of the flywheel, and the stator in the housing flywheel electric motor, placed in a single-stage suspension with circular reverse rotation at an unlimited angle, consisting of a rotating part, to which the housing of the flywheel motor is rigidly connected, and a fixed part of the suspension, consisting of a housing with mounted on it tchikom angle drive rotation of the rotating part of the suspension and current supply contact with energized moving (sliding, rolling) electrical contacts, transmit power and control signals to the fixed part of the suspension at its rotating part.

Недостатками такого силового моментного гироскопа являются малый срок службы и невысокая надежность.The disadvantages of such a power moment gyroscope are a short service life and low reliability.

Достигаемыми техническими результатами предполагаемой полезной модели является увеличение срока службы и повышение надежности силового моментного гироскопа.Achievable technical results of the proposed utility model is to increase the service life and increase the reliability of the power torque gyro.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в предлагаемом силовом моментном гироскопе электродвигатель установлен не на оси вращения маховика, а на одностепенном подвесе с круговым реверсивным вращением на неограниченный угол, причем статор электродвигателя жестко установлен на неподвижной части подвеса, а ротор - на неподвижной части подвеса через подшипниковые опоры. Вращение от ротора электродвигателя на маховик передается посредством бесконтактной магнитной передачи. При этом из состава силового моментного гироскопа исключается контактный токоподвод, передающий электропитание и сигналы управления с неподвижной части подвеса на его вращающуюся часть.These technical results are achieved by the fact that in the proposed power torque gyroscope, the electric motor is mounted not on the axis of rotation of the flywheel, but on a single-stage suspension with circular reverse rotation at an unlimited angle, the stator of the electric motor being rigidly mounted on the fixed part of the suspension, and the rotor on the fixed part of the suspension through bearing bearings. Rotation from the rotor of the electric motor to the flywheel is transmitted through non-contact magnetic transmission. In this case, the contact current supply transmitting power and control signals from the fixed part of the suspension to its rotating part is excluded from the composition of the power torque gyroscope.

Предлагаемый силовой моментный гироскоп позволяет, по сравнению с прототипом, увеличить срок службы за счет исключения из его состава контактного токоподвода с находящимися под напряжением подвижными (скользящими, катящимися) электрическими контактами, имеющего ограниченный ресурс, поскольку переходное сопротивление контактов токоподвода (гибких колец, щеток, ламелей) со временем меняется, что обусловлено его (контакта) деградацией, вызываемой одновременным наличием в контакте механического трения и электрохимической коррозии.The proposed power torque gyroscope allows, in comparison with the prototype, to increase the service life by eliminating from its composition a contact current lead with energized moving (sliding, rolling) electrical contacts having a limited life, since the transition resistance of the current lead contacts (flexible rings, brushes, lamellas) changes over time, due to its (contact) degradation caused by the simultaneous presence of mechanical friction and electrochemical corrosion in the contact.

Предлагаемый силовой моментный гироскоп позволяет, по сравнению с прототипом, увеличить надежность за счет исключения из его состава контактных узлов и передачи вращения от ротора электродвигателя на маховик посредством бесконтактной магнитной передачи.The proposed power torque gyroscope allows, in comparison with the prototype, to increase reliability by eliminating contact nodes from its composition and transmitting rotation from the rotor of the electric motor to the flywheel by means of contactless magnetic transmission.

На фиг. изображено меридиональное сечение силового моментного гироскопа.In FIG. The meridional section of the force moment gyroscope is shown.

Силовой моментный гироскоп содержит маховик 1, установленный в шарикоподшипниковых опорах 2 с возможностью вращения относительно оси OZ. Маховик 1 с опорами 2 помещен во вращающуюся часть одностепенного подвеса, который имеет круговое реверсивное вращение на неограниченный угол относительно оси OX и состоит из рамки 3 с полуосями 4, 5. Вращающаяся часть подвеса установлена в неподвижную часть подвеса через шарикоподшипниковые опоры 6. Неподвижная часть подвеса состоит из основания 7, на котором сформирована посадочная плоскость для жесткой установки силового моментного гироскопа на космический аппарат, щита 8 и стакана 9. Приводной электродвигатель маховика имеет торцевое исполнение и состоит из статора 10 и ротора 11. Статор 10 закреплен на стакане 9 неподвижной части подвеса. Ротор 11, закреплен на основании 7 через шарикоподшипниковые опоры 12 таким образом, чтобы иметь возможность вращения на неограниченный угол относительно оси OX независимо от вращения и угла поворота рамки подвеса 3 относительно оси OX. Магнитная передача перекрестного (входная и выходная оси передачи расположены под углом 90°) исполнения состоит из диска 13 и колеса 14. Диск 13 жестко установлен на торцевой поверхности ротора 11, а колесо 14 на валу маховика 1 соосно с маховиком, таким образом, чтобы иметь возможность передавать вращательное движение от ротора 11 на маховик 1. На диске 13 и колесе 14 равномерно расположены постоянные магниты с чередующейся полярностью. На наружной поверхности колеса 14 поверх магнитов установлен защитный бандаж 15. На щите 8 установлен привод поворота рамки подвеса, состоящий из приводного электродвигателя рамки подвеса 16, редуктора с самоторможением 17, выходной шестерни 18, жестко связанной с полуосью 4 подвеса, и датчика угла поворота 19 рамки 3 подвеса. Для обработки информации о положении и угле поворота рамки подвеса, поступающей с датчика угла поворота 19, а также формирования сигналов питания и управления на приводной электродвигатель маховика и приводной электродвигатель рамки подвеса 16 предназначена служебная электроника, которая условно не показана.The power torque gyroscope contains a flywheel 1 mounted in ball bearings 2 with the possibility of rotation about the axis OZ. Flywheel 1 with supports 2 is placed in the rotating part of a single-stage suspension, which has a circular reverse rotation at an unlimited angle relative to the OX axis and consists of a frame 3 with half shafts 4, 5. The rotating part of the suspension is installed in the fixed part of the suspension through ball-bearing bearings 6. The fixed part of the suspension consists of a base 7 on which a landing plane is formed for rigidly installing a power torque gyroscope on a spacecraft, a shield 8 and a glass 9. The flywheel’s drive motor has an end face filling and consists of a stator 10 and a rotor 11. The stator 10 is mounted on a glass 9 of the fixed part of the suspension. The rotor 11 is mounted on the base 7 through ball bearings 12 so as to be able to rotate at an unlimited angle relative to the axis OX regardless of the rotation and angle of rotation of the suspension frame 3 relative to the axis OX. The cross magnetic transmission (input and output transmission axes are angled 90 °) consists of a disk 13 and a wheel 14. The disk 13 is rigidly mounted on the end surface of the rotor 11, and the wheel 14 on the shaft of the flywheel 1 is aligned with the flywheel, so as to have the ability to transmit rotational motion from the rotor 11 to the flywheel 1. On the disk 13 and the wheel 14 are constantly located permanent magnets with alternating polarity. On the outer surface of the wheel 14, a protective bandage is mounted on top of the magnets 15. On the shield 8, a suspension frame rotation drive is installed, consisting of a suspension frame drive electric motor 16, a self-braking gearbox 17, an output gear 18 rigidly connected to the suspension axle shaft 4, and a rotation angle sensor 19 3 frames of the suspension. To process information about the position and angle of rotation of the suspension frame coming from the angle sensor 19, as well as generating power and control signals to the drive motor of the flywheel and the drive motor of the suspension frame 16, service electronics are provided, which are not shown conditionally.

Устройство работает следующим образом. Сигналы питания и управления поступают на приводной электродвигатель маховика, ротор 11 которого начинает вращаться вокруг оси OX, разгоняясь до угловой скорости стабилизации ω_Д. Вращение ротора 11 вокруг оси OX через магнитную передачу за счет силового магнитного взаимодействия разнополюсных постоянных магнитов, равномерно расположенных на диске 13 и колесе 14, приводит к вращению маховика 1 вокруг оси OZ до угловой скорости стабилизации ω_М. Соотношение угловых скоростей ω_Д и ω_М определяется из выраженияThe device operates as follows. The power and control signals are supplied to the flywheel drive motor, the rotor 11 of which begins to rotate around the axis OX, accelerating to the angular stabilization rate ω _D. The rotation of the rotor 11 around the axis OX through magnetic transmission due to the force magnetic interaction of opposite pole permanent magnets uniformly located on the disk 13 and wheel 14, leads to the rotation of the flywheel 1 around the axis OZ to the angular stabilization rate ω _M. The ratio of the angular velocities ω _D and ω _M is determined from the expression

'

''

где D - диаметр центра магнитов на диске 13;where D is the diameter of the center of magnets on the disk 13;

d - максимальный диаметр магнитов на колесе 14.d is the maximum diameter of the magnets on the wheel 14.

Для предохранения от разрушения постоянных магнитов колеса 14 или их отрыва от колеса 14, которое может быть вызвано действием центробежных сил при вращении колеса 14, на магниты установлен защитный бандаж 15.To protect against the destruction of the permanent magnets of the wheel 14 or their separation from the wheel 14, which may be caused by the action of centrifugal forces during rotation of the wheel 14, a protective bandage 15 is installed on the magnets.

Вращающийся со стабилизированной угловой скоростью ω_М вокруг оси OZ маховик 1 создает постоянный по величине и направлению кинетический момент H, поскольку при вращении ротора 11 вокруг оси OX рамка 3 подвеса не вращается вокруг оси ОХ за счет наличия самоторможения в редукторе 17.The flywheel 1 rotating with a stabilized angular velocity ω _M around the OZ axis creates a kinetic moment H constant in magnitude and direction, since when the rotor 11 rotates around the OX axis, the suspension frame 3 does not rotate around the OX axis due to the presence of self-braking in the gearbox 17.

Служебная электроника формирует сигналы питания и управления на приводной электродвигатель рамки подвеса 16, при этом поворот рамки 3 относительно оси OX осуществляется за счет механической передачи вращения от приводного электродвигателя рамки подвеса 16 на полуось 4 рамки 3 через редуктор 17 и выходную шестерню 18, жестко закрепленную на полуоси 4. Привод поворота рамки подвеса реверсивно поворачивает рамку подвеса с вращающимся вокруг оси OZ с угловой скоростью ω_М маховиком 1 вокруг оси OX с угловой скоростью ω_ПР в пределах неограниченного угла поворота. Информация о направлении и угле поворота рамки подвеса с маховиком 1 вокруг оси ОХ поступает от датчика угла поворота 19. При вращении рамки подвеса с маховиком 1 вокруг оси OX с заданным направлением и угловой скоростью ω_ПР формируется гироскопический управляющий момент М_У относительно оси OY в соответствии с выражениемService electronics generates power and control signals to the drive motor of the suspension frame 16, while the rotation of the frame 3 relative to the OX axis is carried out by mechanical transmission of rotation from the drive motor of the suspension frame 16 to the shaft 4 of the frame 3 through the gearbox 17 and the output gear 18, rigidly fixed to semi-axis 4. The drive rotation of the suspension frame reversibly rotates the suspension frame with a rotating around OZ axis with angular velocity ω _M flywheel 1 about the OX axis at an angular velocity ω _PR within unlimited SFA turn. Information about the direction and angle of rotation of the suspension frame with the flywheel 1 around the OX axis is received from the rotation angle sensor 19. When the suspension frame with the flywheel 1 rotates around the OX axis with a given direction and angular velocity ω _PR , a gyroscopic control moment M _U relative to the OY axis is formed in accordance with expression

М_У=H·(±ω_ΠΡ).M _Y = H · (± ω _ΠΡ ).

Управляющий момент М_У через посадочную плоскость основания 7 воздействует на космический аппарат.The control moment M _U through the landing plane of the base 7 acts on the spacecraft.

При изменении направления и величины угловой скорости ω_ПР изменяется направление и величина управляющего момента М_У.When changing the direction and magnitude of the angular velocity ω _PR changes the direction and magnitude of the control moment M _U.

Claims

A power torque gyroscope containing a flywheel motor placed in a single-stage suspension with circular reverse rotation at an unlimited angle, on the fixed part of which there is an angle sensor and a rotation drive of the rotating part of the suspension, characterized in that the flywheel drive motor is mounted on a single-stage suspension perpendicular to the axis of the flywheel, moreover, the stator of the electric motor is rigidly fixed to the fixed part of the suspension, and the rotor connected to the flywheel by a contactless magnetic transmission is mounted on and the stationary part of the suspension through the bearing support.