一种电动式磁悬浮双框架动量球装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种电动式磁悬浮双框架动量球装置，用于航天器姿态控制系统执行机构。由电动式磁悬浮驱动电机模块、内调节框架、外调节框架及端部支承锁紧机构组成，电动式磁悬浮驱动电机模块通过轴和支承锁紧机构与内调节框架连接，内调节框架通过轴和支承锁紧机构与外调节框架相连。电动式磁悬浮驱动电机模块由两层并列的定子阵列、球形动子及中心保持架构成。通过对定子线圈施加不同频率、幅值和相位的正弦交流电，形成不同方向的旋转磁场，进而驱动球形动子稳定磁悬浮的同时实现旋转驱动，根据角动量守恒原理，结合支承锁紧机构的锁紧与解锁功能切换，实现航天器姿态三轴稳定可控。

An Electric Maglev Double Frame Momentum Ball Device

The invention discloses an electric magnetic suspension double frame momentum ball device, which is used for the actuator of spacecraft attitude control system. It consists of an electric magnetic levitation drive motor module, an internal regulating frame, an external regulating frame and an end supporting locking mechanism. The electric magnetic levitation drive motor module is connected with an internal regulating frame through a shaft and a supporting locking mechanism, and the internal regulating frame is connected with an external regulating frame through a shaft and a supporting locking mechanism. The electric magnetic levitation drive motor module is composed of two parallel stator arrays, spherical actuators and central retaining structure. By applying sinusoidal alternating current of different frequencies, amplitudes and phases to the stator coil, the rotating magnetic field in different directions is formed, which drives the spherical actuator to stabilize magnetic levitation while realizing rotating drive. According to the principle of conservation of angular momentum, combined with the switch of locking and unlocking functions of the supporting locking mechanism, the attitude of the spacecraft can be stabilized and controlled in three axes.

【技术实现步骤摘要】
一种电动式磁悬浮双框架动量球装置
本专利技术属于航天器
，具体地为一种电动式磁悬浮双框架动量球装置，作为航天器姿态控制系统执行机构。
技术介绍
目前普遍采用动量轮和控制力矩陀螺作为人造卫星等航天器姿态控制系统执行器。然而，单个飞轮只能提供相对于航天器特定方向的姿态控制作用，因此，至少需要3个动量飞轮才能实现航天器三轴姿态完全可控。通常配置4～6个动量飞轮以实现容错设计及控制算法优化，因此占用较大的空间体积。控制力矩陀螺采用额外的力矩电机驱动框架旋转，调节框架的空间朝向，然而力矩电机结构复杂使得整个控制力矩陀螺同样占用较大的空间。此外，接触式动量飞轮和控制力矩陀螺均存在机械磨损与机械振动，限制了姿态控制精度及使用寿命。在航天器技术的发展中，重量轻、体积小、成本低的小卫星技术越来越引起世界各国的重视。从缩小卫星体积、提高卫星有效载荷、降低成本的角度，现有动量轮方案极大地阻碍了卫星的小型化和低成本化趋势。申请号为CN201410384117.4的专利《一种四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺》和申请号为CN200710304236.4的专利《双框架磁悬浮控制力矩陀螺》虽提出了多自由度双框架控制力矩陀螺，但其结构复杂，且框架端部安装力矩电机驱动框架旋转，力矩电机体积较大，使得整个双框架磁悬浮控制力矩陀螺占用较大的空间体积。申请号为CN201510813055.9的专利《一种内转子磁悬浮球面陀螺飞轮》虽然采用球面磁轴承作为支承部件，能够实现磁悬浮陀螺飞轮的五自由度主动悬浮，然而其转子转轴方向的调节范围有限。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，解决航天器姿态控制系统驱动执行机构存在的技术问题，本专利技术提供了一种电动式磁悬浮双框架动量球装置。本专利技术的电动式磁悬浮双框架动量球装置，用于航天器姿态控制系统驱动执行机构，包括电动式磁悬浮驱动电机模块(2)、内调节框架(1)、外调节框架(4)及支承锁紧机构(3)：所述电动式磁悬浮驱动电机模块(2)包括中心保持架(5)、球形动子(8)、两套定子铁芯(6)和定子线圈(7)；所述中心保持架(5)与定子铁芯(6)为环形，两套定子铁芯(6)并排安装在中心保持架(5)的两侧，定子铁芯(6)的环形内侧沿径向开槽形成同心圆周阵列齿状，排列成同心圆周阵列的每一个齿(9)上都绕制定子线圈(7)，所有齿(9)的顶面(10)为同心球形曲面；球形动子(8)安装在两套定子铁芯(6)及中心保持架(5)的环形空腔内，在所有定子线圈(7)接通交流电后齿(9)形成的磁场作用下，球形动子(8)悬浮在中心旋转运动并与所有的齿(9)之间形成均匀气隙，以便降低气隙磁场谐波阶次，减少电磁力矩波动，使驱动更为平稳；所述中心保持架(5)环形外侧有两个轴(17)，两个轴(17)的轴心线成一条直线且通过定子铁芯(6)环形中心。当在同定子铁芯(6)的定子线圈(7)中依次接入三相交流电，保持其相邻的两个线圈激励电流相位相差120°，同时在另一同定子铁芯(6)的定子线圈(7)中也接入同步的三相交流电，在球形动子(8)与齿(9)之间的气隙中产生沿中心保持架(5)圆周方向的旋转磁场涡流，使球形动子(8)稳定悬浮并顺着磁场涡流方向旋转运动。当选择同定子铁芯(6)的定子线圈(7)中相邻的3～6个线圈为A组，与A组以同定子铁芯(6)的环心对称分布的3～6个线圈为D组；同样的，以另一个定子铁芯(6)的定子线圈(7)中与A组线圈处于相同圆周位置的3～6个线圈为B组，与D组线圈处于相同圆周位置的另一个定子铁芯(6)的3～6个线圈为C组；在A、B、C、D四组线圈中依次通入初相分别为0°、60°、180°和240°的正弦交流电，可形成沿A、B、C、D线圈组所确定的垂直中心保持架(5)环形面的平面旋转磁场涡流，使得球形动子(8)稳定悬浮并顺着磁场涡流方向旋转运动。这样结合不同的通电方式，形成沿中心保持架(5)环形圆周方向及垂直于中心保持架(5)环形圆周方向上的旋转磁场，使得球形动子(8)以不同的方向旋转运动。所述内调节框架(1)为环形，内调节框架(1)的环上有两个孔(19)，内调节框架(1)环形外侧有两个轴(18)，两个孔(19)中心连线与两个轴(18)的轴心连线都通过内调节框架(1)的环心且相互垂直；所述中心保持架(5)位于内调节框架(1)的环形腔内，中心保持架(5)的两个轴(17)分别安装在内调节框架(1)的两个孔(19)内，通过支承锁紧机构(3)的内部轴承支承。所述外调节框架(4)为环形，外调节框架(4)的环上有两个孔(20)，两个孔(20)中心连线通过外调节框架(4)的环心，所述内调节框架(1)位于外调节框架(4)的环形腔内，内调节框架(1)的两个轴(18)分别安装在外调节框架(4)的两个孔(20)内，通过支承锁紧机构(3)的内部轴承支承。所述支承锁紧机构(3)包括外部固定环(11)、两个滑动夹块(12)、两个电磁铁(13)、四个衔铁(15)、两个压缩弹簧(14)及轴承(16)；两个滑动夹块(12)、两个电磁铁(13)、四个衔铁(15)、两个压缩弹簧(14)及轴承(16)都安装在外部固定环(11)的环腔里，两个滑动夹块(12)以轴承(16)中心对称布置，滑动夹块(12)平面与轴承(16)中心线垂直；两个滑动夹块(12)中间形成的间隙中心在轴承(16)中心线上，以轴承(16)中心对称方式在两侧间隙中各安装一个电磁铁(13)和压缩弹簧(14)，在两个滑动夹块(12)正对电磁铁(13)处设置衔铁(15)，当电磁铁(13)通电时，通过电磁铁(13)吸附衔铁(15)，能够驱动滑动夹块(12)相向运动，滑动夹块(12)挤压轴承(16)内的转轴，通过摩擦锁紧转轴；当电磁铁(13)断电时，在压缩弹簧(14)的弹力驱动下滑动夹块(12)恢复原位，解锁转轴。根据角动量守恒原理，通过支承锁紧机构(3)的锁紧与解锁，实现中心保持架(5)与内调节框架(1)空间朝向的调节，结合电动式磁悬浮驱动电机模块(2)实现球形动子(8)围绕任意空间轴线的旋转。在解锁状态下，由球形动子(8)的反作用力矩调整中心保持架(5)的空间朝向；在锁紧状态下，固定中心保持架(5)相对于航天器的空间姿态。定子铁芯(6)可采用铁磁性材料加工成实心结构，也可采用由硅钢等材料构成的叠层结构，还可采用局部零件拼接而成的组合结构。定子线圈(7)可采用在定子铁芯(6)每个齿(9)上绕制单个绕组的绕线方式，也可采用经典的交流电机的同心式或叠层式绕线方法。球形动子(8)可由非铁磁性导电材料制成实心结构或者空心球壳型结构，能在旋转磁场作用下感应出涡流，进而受到来自定子的磁悬浮力和驱动转矩。支承锁紧机构(3)不限于电磁铁吸附结合压缩弹簧的锁紧解锁方式，也可采用可控磁流变阻尼原理的锁紧方式，或其他能够起到相同锁紧功能的机械锁紧方式。内调节框架(1)的环外侧，分别以两个孔(19)为中心位置周边外表面为平面，以方便支承锁紧机构(3)的安装与配合。外调节框架(4)的环外侧，分别以两个孔(20)为中心位置周边外表面为平面，以方便支承锁紧机构(3)的安装与配合。该系统框架端部无需力矩电机，结构简单紧凑。并且可实现球形转子的稳定磁悬浮，提高系统的可靠性与使用寿命。此外，该双框架动量球装置的球形转子转轴沿任意轴向进行旋转驱动，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电动式磁悬浮双框架动量球装置，其特征在于：包括电动式磁悬浮驱动电机模块(2)、内调节框架(1)、外调节框架(4)及支承锁紧机构(3)：所述电动式磁悬浮驱动电机模块(2)包括中心保持架(5)、球形动子(8)、两套定子铁芯(6)和定子线圈(7)；所述中心保持架(5)与定子铁芯(6)为环形，两套定子铁芯(6)并排安装在中心保持架(5)的两侧，定子铁芯(6)的环形内侧沿径向开槽形成同心圆周阵列齿状，排列成同心圆周阵列的每一个齿(9)上都绕制定子线圈(7)，所有齿(9)的顶面(10)为同心球形曲面；球形动子(8)安装在两套定子铁芯(6)及中心保持架(5)的环形空腔内，在所有定子线圈(7)接通交流电后齿(9)形成的磁场作用下，球形动子(8)悬浮在中心旋转运动并与所有的齿(9)之间形成均匀气隙；所述中心保持架(5)环形外侧有两个轴(17)，两个轴(17)的轴心线成一条直线且通过中心保持架(5)环形中心；所述内调节框架(1)为环形，内调节框架(1)的环上有两个孔(19)，内调节框架(1)环形外侧有两个轴(18)，两个孔(19)中心连线与两个轴(18)的轴心连线都通过内调节框架(1)的环心且相互垂直；所述中心保持架(5)位于内调节框架(1)的环形腔内，中心保持架(5)的两个轴(17)分别安装在内调节框架(1)的两个孔(19)内，通过支承锁紧机构(3)支承连接；所述外调节框架(4)为环形，外调节框架(4)的环上有两个孔(20)，两个孔(20)中心连线通过外调节框架(4)的环心，所述内调节框架(1)位于外调节框架(4)的环形腔内，内调节框架(1)的两个轴(18)分别安装在外调节框架(4)的两个孔(20)内，通过支承锁紧机构(3)支承连接。...

【技术特征摘要】
1.一种电动式磁悬浮双框架动量球装置，其特征在于：包括电动式磁悬浮驱动电机模块(2)、内调节框架(1)、外调节框架(4)及支承锁紧机构(3)：所述电动式磁悬浮驱动电机模块(2)包括中心保持架(5)、球形动子(8)、两套定子铁芯(6)和定子线圈(7)；所述中心保持架(5)与定子铁芯(6)为环形，两套定子铁芯(6)并排安装在中心保持架(5)的两侧，定子铁芯(6)的环形内侧沿径向开槽形成同心圆周阵列齿状，排列成同心圆周阵列的每一个齿(9)上都绕制定子线圈(7)，所有齿(9)的顶面(10)为同心球形曲面；球形动子(8)安装在两套定子铁芯(6)及中心保持架(5)的环形空腔内，在所有定子线圈(7)接通交流电后齿(9)形成的磁场作用下，球形动子(8)悬浮在中心旋转运动并与所有的齿(9)之间形成均匀气隙；所述中心保持架(5)环形外侧有两个轴(17)，两个轴(17)的轴心线成一条直线且通过中心保持架(5)环形中心；所述内调节框架(1)为环形，内调节框架(1)的环上有两个孔(19)，内调节框架(1)环形外侧有两个轴(18)，两个孔(19)中心连线与两个轴(18)的轴心连线都通过内调节框架(1)的环心且相互垂直；所述中心保持架(5)位于内调节框架(1)的环形腔内，中心保持架(5)的两个轴(17)分别安装在内调节框架(1)的两个孔(19)内，通过支承锁紧机构(3)支承连接；所述外调节框架(4)为环形，外调节框架(4)的环上有两个孔(20)，两个孔(20)中心连线通过外调节框架(4)的环心，所述内调节框架(1)位于外调节框架(4)的环形腔内，内调节框架(1)的两个轴(18)分别安装在外调节框架(4)的两个孔(20)内，通过支承锁紧机构(3)支承连接。2.根据权利要求1所述的电动式磁悬浮双框架动量球装置，其特征在于：所述支承锁紧机构(3)包括外部固定环(11)、两个滑动夹块(12)、两个电磁铁(13)、四个衔铁(15)、两个压缩弹簧(14)及轴承(16)；两个滑动夹块(12)、两个电磁铁(13)、四个衔铁(15)、两个压缩弹簧(14)及轴承(16)都安装在外部固定环(11)的环腔里，两个滑动夹块(12)以轴承(16)中心对称布置，滑动夹块(12)平面与...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱煜，张鸣，怀周玉，陈安林，杨开明，成荣，李鑫，王磊杰，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11