一種機電一體化小型變速控制力矩陀螺的製作方法
2023-05-31 11:04:01 3
專利名稱：一種機電一體化小型變速控制力矩陀螺的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種機電一體化小型變速控制力矩陀螺，特別是一種可以變速的小型單框架控制力矩陀螺，屬於控制力矩陀螺技術領域。
背景技術：
隨著中小型太空飛行器對姿態控制敏捷性的要求越來越迫切，小型單框架控制力矩陀螺應運而生。目前，對單框架控制力矩陀螺的大小還沒有嚴格的劃分，一般將角動量小於5Nms的稱為微型控制力矩陀螺，將角動量在5Nms 50Nms之間的稱為小型控制力矩陀螺，將角動量在50Nms 500Nms之間的稱為中型控制力矩陀螺，將角動量大於500Nms的稱為 大型控制力矩陀螺。文獻《C0NTR0LM0MENT GYRO FOR ATTITUDE CONTROL OF A SPACECRAFT》(Pub. No. US2005/0109135A1)和《一種懸臂式控制力矩陀螺》(ZL201020154382. 0)公開的單框架控制力矩陀螺是典型的小型控制力矩陀螺，但其高速轉子不具有變速功能，且機械結構本體內未集成線路。雖然美國、英國和日本研發了微型變速控制力矩陀螺的原理樣機，但都不具有機電一體化設計技術，且因其角動量偏小，難以在中小型太空飛行器上得以應用。由於控制力矩陀螺群具有奇異問題使得其控制率較為複雜，而變速控制力矩陀螺在奇異規避方面具有優勢，從而降低了控制率的複雜程度，且提高了控制系統的冗餘度和可靠度。由於小型控制力矩陀螺應用於中小型太空飛行器，對體積和重量要求苛刻，需要進行機電一體化設計,將機械結構本體和線路高度集成。因此,有必要設計研發一種機電一體化的小型變速控制力矩陀螺，以滿足中小型太空飛行器對姿態控制和快速機動的需求。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種機電一體化小型變速控制力矩陀螺，在不增加結構體積的情況下實現了機電一體化設計，產品體積小、重量輕、散熱好，適合中小型太空飛行器的姿態控制和快速機動應用。本發明的目的是通過以下技術方案實現的。本發明的一種機電一體化小型變速控制力矩陀螺，包括高速組件、高速驅動線路組件、連接支架和低速組件。高速組件提供角動量所需的轉動慣量；高速驅動線路組件安裝於高速組件背面，在控制力矩陀螺模式下驅動高速組件內的高速電機轉子、軸承組件轉子和輪體以指令轉速旋轉從而產生控制力矩陀螺所需的恆定角動量，在動量輪模式下驅動高速組件內的高速電機轉子、軸承組件轉子和輪體升降速從而輸出沿轉子軸方向的力矩；連接支架連接高速組件和低速組件，並保證轉子軸方向和框架軸方向的正交；低速組件主要包括框架軸系和低速驅動及控制線路板，在控制力矩陀螺模式下低速驅動及控制線路板驅動框架軸系和高速組件按指令轉速繞框架軸旋轉，從而輸出同時正交於轉子軸方向和框架軸方向的陀螺力矩，在動量輪模式下低速驅動及控制線路板將框架軸系、高速驅動線路組件、連接支架和高速組件鎖定在指令位置。所述高速驅動線路組件是月牙形的，在不增加結構體積的情況下實現了機電一體化，即高速驅動線路組件位於高速組件迴轉包絡空間內。高速驅動線路組件包括高速驅動線路殼、高速驅動線路蓋、高速驅動線路板、左接插件和右接插件，通過左接插件連接到高速組件的密封接插件上，實現與高速組件的電氣連接，通過右接插件連接到導電環上，並通過導電環實現與低速驅動及控制線路板的電氣連接。所述高速驅動線路殼具有高速組件安裝孔、高速驅動線路蓋安裝孔、高速驅動線路板安裝孔、大功率器件安裝孔、左接插件安裝孔和右接插件安裝孔，殼壁可以貼大功率器件，便於散熱。所述低速驅動及控制線路板位於低速組件內部，在不增加結構體積的情況下實現了機電一體化。本發明與現有技術相比的優點在於(I)本發明實現了小型單框架控制力矩陀螺的機電一體化設計，且轉子角動量可以變化。從目前掌握的公開資料看，還沒有機電一體化的小型變速控制力矩陀螺產品。·(2)本發明將高速驅動線路以組件形式安裝於高速組件背面，在不增加結構體積的情況下實現了機電一體化設計。這是根據控制力矩陀螺的工作原理和安裝環境設計的，產品在控制力矩陀螺模式下工作時，高速組件、連接支架和框架軸系需要迴轉，因此產品在太空飛行器上安裝時需要留出高速組件的迴轉包絡空間。本發明充分利用這個迴轉包絡空間，設計了月牙形的高速驅動線路組件，節約空間且外形美觀。(3)本發明將低速驅動及控制線路以單板形式集成於低速組件內部，在不增加結構體積的情況下實現了機電一體化設計。傳統的設計思路是將低速驅動及控制線路以線路盒形式貼於低速組件外壁，這樣增加了體積和重量，不適合中小型太空飛行器應用。
圖I為本發明一種機電一體化小型變速控制力矩陀螺的主視圖；圖2為本發明一種機電一體化小型變速控制力矩陀螺的左視圖；圖3為本發明一種機電一體化小型變速控制力矩陀螺的俯視圖；圖4為本發明一種機電一體化小型變速控制力矩陀螺的軸測圖；圖5為高速組件的軸測圖；圖6為高速驅動線路殼的軸測圖；圖7為連接支架的軸測圖；圖8為低速組件的主視圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。實施例如圖I所示，本發明一種機電一體化小型變速控制力矩陀螺包括高速組件I、高速驅動線路組件2、連接支架3和低速組件4。如圖I和圖5所示，高速組件I提供角動量所需的轉動慣量；高速組件I包括圓柱形密封殼體26、高速電機27、軸承組件29、輪體28和密封接插件14。軸承組件29安裝在圓柱形密封殼體26中心，高速電機27和輪體28安裝於軸承組件29上；高速電機27驅動軸承組件29的轉子轉動，帶動輪體28旋轉，在控制力矩陀螺模式下提供沿轉子軸方向的恆定角動量，在動量輪模式下通過升降速輸出沿轉子軸方向的力矩；轉子軸方向為穿過高速電機27、軸承組件29和輪體28的迴轉軸方向。如圖I、圖2和圖4所示，高速驅動線路組件2包括高速驅動線路殼11、高速驅動線路蓋12、高速驅動線路板13、左接插件5和右接插件6。高速驅動線路殼11外形為月牙形柱體，以適應高速組件迴轉包絡空間，包絡空間為圖3中虛線10所包圍的空間。高速驅動線路板13位於高速驅動線路殼11腔內，其形狀與高速驅動線路殼11形狀相適應，也為月牙形。高速驅動線路蓋12為月牙形平板，固定在高速驅動線路殼11頂部，其形狀與高速驅動線路殼11形狀相適應。左接插件5通過左接插件安裝孔19固定在高速驅動線路殼11的左端側壁上，右接插件6通過右接插件安裝孔20固定在高速驅動線路殼11的右端側壁上。高速驅動線路殼11的側壁可以用於安裝大功率器件21，便於散熱。如圖6所示，高速驅動線路殼11具有高速組件安裝孔15、高速驅動線路蓋安裝孔 16、高速驅動線路板安裝孔17、大功率器件安裝孔18、左接插件安裝孔19和右接插件安裝孔20。如圖7所示，連接支架3為半錐體，上面弧形部分與高速驅動線路殼11的內月牙的形狀相匹配。連接支架3的上面部分有4個通孔A31，該4個通孔A31平行於轉子軸方向，螺釘通過該4個通孔A31將連接支架3固定在高速組件I上。連接支架3的下面部分有6個通孔B32，該6個通孔B32垂直於轉子軸方向並同時平行於框架軸方向，螺釘通過該6個通孔B32將連接支架3固定在低速組件4上的框架軸系8上。如圖2和圖8所示，低速組件4包括框架軸系8、低速電機22、角位置傳感器23、導電環7、低速驅動及控制線路板9、框架座30、接插件A24和接插件B25。框架軸系8是圓柱形迴轉體，通過其上的軸承安裝於框架座30上。低速電機22的轉子固定在框架軸系8上，低速電機22的定子固定在框架座30上。角位置傳感器23的轉子固定在框架軸系8上，角位置傳感器23的定子固定在框架座30上。導電環7固定於角位置傳感器23的定子上，導電環7上端的環線33連接到右接插件6上，環線33隨著高速驅動線路組件2轉動，導電環7下端的刷線34連接到低速驅動及控制線路板9上。低速驅動及控制線路板9為圓環形，固定於圓柱形框架座30內腔中。接插件A24和接插件B25固定於框架座30上。外部電源通過接插件A24和接插件B25向低速驅動及控制線路板9供電，外部控制計算機通過接插件A24和接插件B25與低速驅動及控制線路板9進行信號交互。低速電機22的引線和角位置傳感器23的引線連接到低速驅動及控制線路板9上。如圖I和圖2所示，高速組件I通過高速組件安裝孔15實現與高速驅動線路組件2的機械連接；密封接插件14與左接插件5通過導線連接，從而實現高速組件I和高速驅動線路組件2間的電氣連接。外部電源和外部控制計算機通過接插件A24和接插件B25與低速驅動及控制線路板9實現功率和信號的傳輸。低速驅動及控制線路板9 一方面通過導電環7控制高速驅動線路組件2中的電路，驅動高速電機27的轉子轉動，帶動軸承組件29的轉子和輪體28轉動，在控制力矩陀螺模式下提供沿轉子軸方向的恆定角動量，在動量輪模式下通過升降速輸出沿轉子軸方向的力矩；低速驅動及控制線路板9 一方面接受角位置傳感器23的信號，並驅動低速電機22的轉子轉動，帶動框架軸系8、連接支架3、高速組件I和高速驅動線路組件2轉動，在控制力矩陀螺模式下輸出同時正交於轉子軸方向和框架軸方向的陀螺力矩，在動量輪模式下低速驅動及控制線路板9將框架軸系8、連接支架3、高速組件I和高速驅動線路組件2鎖定在指令位置。框架軸方向為穿過框架軸系8的迴轉軸方向。高速驅動線路殼11和高速驅動線路蓋12的厚度不小於2_，可以提高線路的抗輻照能力。高速驅動線路殼11的高度由大功率器件21的尺寸所決定，儘量選擇尺寸較小的大功率器件21，以減小高速驅動線路組件2的體積。
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域專業技術人員的公知技術。
權利要求
1.一種機電一體化小型變速控制力矩陀螺，其特徵在於包括高速組件(I)、高速驅動線路組件(2)、連接支架(3)和低速組件(4)； 高速組件(I)包括圓柱形密封殼體(26)、高速電機(27)、軸承組件(29)、輪體(28)和密封接插件(14);軸承組件(29)安裝在圓柱形密封殼體(26)中心，高速電機(27)和輪體(28)安裝於軸承組件(29)上；高速電機(27)驅動軸承組件(29)轉動，帶動輪體(28)旋轉； 高速驅動線路組件(2)包括高速驅動線路殼(11)、高速驅動線路蓋(12)、高速驅動線路板(13)、左接插件(5)和右接插件￠);高速驅動線路殼(11)外形為月牙形柱體，高速驅動線路板(13)位於高速驅動線路殼(11)腔內，其形狀與高速驅動線路殼(11)形狀相適應，也為月牙形；高速驅動線路蓋(12)為月牙形平板，固定在高速驅動線路殼(11)頂部，其形狀與高速驅動線路殼(11)形狀相適應；左接插件(5)通過左接插件安裝孔(19)固定在高速驅動線路殼(11)的左端側壁上，右接插件(6)通過右接插件安裝孔(20)固定在高速驅動線路殼(11)的右端側壁上； 高速驅動線路殼(11)具有高速組件安裝孔(15)、左接插件安裝孔(19)和右接插件安裝孔(20)； 連接支架(3)為半錐體，上面弧形部分與高速驅動線路殼(11)的內月牙的形狀相匹配；連接支架(3)的上面部分固定在高速組件(I)上；連接支架(3)的下面部分固定在低速組件⑷上的框架軸系⑶上； 低速組件(4)包括框架軸系(8)、低速電機(22)、角位置傳感器(23)、導電環(7)、低速驅動及控制線路板(9)、框架座(30)、接插件A(24)和接插件B(25);框架軸系(8)是圓柱形迴轉體，通過其上的軸承安裝於框架座(30)上；低速電機(22)的轉子固定在框架軸系(8)上，低速電機(22)的定子固定在框架座(30)上；角位置傳感器(23)的轉子固定在框架軸系(8)上，角位置傳感器(23)的定子固定在框架座(30)上；導電環(7)固定於角位置傳感器(23)的定子上，導電環(7)上端的環線(33)連接到右接插件(6)上，環線(33)隨著高速驅動線路組件⑵轉動，導電環(7)下端的刷線(34)連接到低速驅動及控制線路板(9)上；低速驅動及控制線路板(9)為圓環形，固定於圓柱形框架座(30)內腔中；接插件A(24)和接插件B (25)固定於框架座(30)上； 高速組件(I)通過高速組件安裝孔(15)實現與高速驅動線路組件(2)的機械連接；密封接插件(14)與左接插件(5)通過導線連接，從而實現高速組件(I)和高速驅動線路組件(2)間的電氣連接。
2.根據權利要求I所述的一種機電一體化小型變速控制力矩陀螺，其特徵在於高速驅動線路殼(11)的側壁安裝有大功率器件(21)。
3.根據權利要求I所述的一種機電一體化小型變速控制力矩陀螺，其特徵在於連接支架(3)的上面部分有4個通孔A (31)，該4個通孔A (31)平行於轉子軸方向，螺釘通過該4個通孔A(31)將連接支架(3)固定在高速組件⑴上。
4.根據權利要求I所述的一種機電一體化小型變速控制力矩陀螺，其特徵在於連接支架(3)的下面部分有6個通孔B (32)，該6個通孔B (32)垂直於轉子軸方向並同時平行於框架軸方向，螺釘通過該6個通孔B (32)將連接支架(3)固定在低速組件(4)上的框架軸系⑶上。
5.根據權利要求I所述的一種機電一體化小型變速控制力矩陀螺，其特徵在於外部電源通過接插件A(24)和接插件B(25)向低速驅動及控制線路板(9)供電，外部控制計算機通過接插件A(24)和接插件B(25)與低速驅動及控制線路板(9)進行信號交互；低速電機(22)的引線和角位置傳感器(23)的引線連接到低速驅動及控制線路板(9)上。
6.根據權利要求I所述的一種機電一體化小型變速控制力矩陀螺，其特徵在於高速驅動線路殼(11)和高速驅動線路蓋(12)的厚度不小於2_。
全文摘要
本發明涉及一種機電一體化小型變速控制力矩陀螺，特別是一種可以變速的小型單框架控制力矩陀螺，屬於控制力矩陀螺技術領域。包括高速組件、高速驅動線路組件、連接支架和低速組件。高速組件提供角動量所需的轉動慣量；高速驅動線路組件安裝於高速組件背面，在控制力矩陀螺模式下驅動高速組件內的高速電機轉子、軸承組件轉子和輪體以指令轉速旋轉從而產生控制力矩陀螺所需的恆定角動量，在動量輪模式下驅動高速組件內的高速電機轉子、軸承組件轉子和輪體升降速從而輸出沿轉子軸方向的力矩。本發明在不增加結構體積的情況下實現了機電一體化設計，產品體積小、重量輕、散熱好，適合中小型太空飛行器的姿態控制和快速機動應用。
文檔編號G01C19/02GK102901492SQ201210378399
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月29日 優先權日2012年9月29日
發明者王曉偉, 張強, 翟百臣, 趙雷, 周剛, 王全武, 楊磊, 羅睿智 申請人:北京控制工程研究所