本发明专利技术公开了一种小型变速控制力矩陀螺，属于控制力矩陀螺技术领域。包括高速组件、连接支架和低速组件。高速组件在控制力矩陀螺模式下提供恒定的角动量，在飞轮模式下输出整星姿态控制所需的精细力矩。连接支架用于连接高速组件和低速组件，并保证角动量方向和框架轴方向的正交垂直。低速组件为高速组件和连接支架提供支承，并提供整星的安装接口；在控制力矩陀螺模式下产生整星快速机动所需的同时正交于角动量方向和框架轴方向的大力矩；在飞轮模式下将高速组件输出的精细力矩传递给整星用于姿态控制。本发明专利技术的变速控制力矩陀螺实现了高精度的框架锁定，整机的小型化、轻量化和高刚度，适合于敏捷小卫星的应用。
【技术实现步骤摘要】
一种小型变速控制力矩陀螺
本专利技术涉及一种小型变速控制力矩陀螺，属于空间执行机构领域。
技术介绍
航天器姿态控制系统中常用的惯性执行部件有飞轮和控制力矩陀螺。飞轮是一种转子转速可变的姿态控制执行机构，输出分辨率高但力矩量值较小，常用于航天器姿态的高精度稳定控制；控制力矩陀螺是转子转速恒定通过框架转动改变转子角动量方向来输出力矩的姿态控制执行机构，输出分辨率较低但力矩量值较大，并存在控制律奇异问题。变速控制力矩陀螺即转子转速可变的单框架控制力矩陀螺，变速控制力矩陀螺集合了控制力矩陀螺大的力矩输出和飞轮高的力矩输出精度的优点，因此，采用变速控制力矩陀螺可以较好的解决卫星快速、大角度机动与稳态附近的高姿态稳定度之间的矛盾。在快速机动时，主要由框架角变化提供很大的控制力矩，此时为控制力矩陀螺工作模式；在稳态附近通过转子转速变化提供高精度控制力矩，框架角不再发生变化，此时为飞轮工作模式。采用变速控制力矩陀螺除了上述优点外，可以进一步保证陀螺群在奇异状态下更好的可控性并减小框架构型接近奇异时输出力矩与期望力矩的误差以及以用变速控制力矩陀螺转子的高速旋转及变速特性还能同时完成能量的存储释放。 由于飞轮和控制力矩陀螺不同的应用特点，在航天器实际应用中也采取了不同的配置方式，高稳定度平台常采用飞轮产品，快速机动平台采用控制力矩陀螺产品，既要快速机动又要高稳定度的平台同时采用飞轮和控制力矩陀螺产品。俄罗斯多颗遥感大平台卫星采用了飞轮和控制力矩陀螺产品混合配置的姿态控制系统，但对于敏捷小卫星来说，重量、功耗、体积的限制无法采用该混合配置方式，此时变速控制力矩陀螺系统是其姿态控制系统的最佳配置。 变速控制力矩陀螺并非简单的将常规控制力矩陀螺实现转子转速可变速即可。由于控制力矩陀螺转子转速恒定，可通过精密动平衡实现工作转速的高精度的不平衡量校正，即便通过框架轴放大后力矩噪声也在可接受范围内。当转子具有转速可变功能时，即便进行多个转速点恒速时的不平衡量校正，其力矩噪声在宽转速范围(如O?6000r/min)内也较大；若此时再通过框架轴放大后力矩噪声将更大，对航天器姿态控制精度和稳定度带来不利影响。因此，变速控制力矩陀螺相对于常规控制力矩陀螺要实现更高精度的框架锁定。目前文献《CONTROL MOMENT GYRO FOR ATTITUDE CONTROL OF A SPACECRAFT)) (Pub.N0.:US2005/0109135A1)和《一种悬臂式控制力矩陀螺》(ZL201020154382.0)公开的单框架控制力矩陀螺是典型的小型控制力矩陀螺，其框架锁定采用非接触式电磁电机，框架角锁定精度一般在40〃左右。文献《一种机电一体化变速控制力矩陀螺》(CN102901492)也没有描述如何实现高精度的框架锁定这一关键技术。 由于变速控制力矩陀螺(或控制力矩陀螺)系统较飞轮复杂，体积、重量和功耗等都大于飞轮，应用于敏捷小卫星时产品的轻小型化也是研制追求的目标。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供一种小型变速控制力矩陀螺，具有较高的框架锁定精度，产品体积小、重量轻、散热好，可用于敏捷小卫星的高精度姿态控制和快速机动。 本专利技术的技术解决方案是:一种小型变速控制力矩陀螺，包括高速组件、连接支架和低速组件，高速组件和低速组件通过连接支架连接； 高速组件包括壳体组件、高速电机组件、轮体以及高速轴承组件；高速电机组件包括高速电机转子部分和高速电机定子部分，高速电机定子部分安装在壳体组件上；高速电机转子部分与轮体共同构成高速转子组件；高速转子组件由高速轴承组件支承，用于提供角动量所需的转动惯量；高速轴承组件安装在壳体组件上； 低速组件包括低速轴承组件、框架电机、电传输装置、测角装置、测角装置锁紧螺母、电传输装置限位板以及防尘板；低速轴承组件包括低速座套、外隔圈、内隔圈、一对面对面安装的角接触球轴承以及低速主轴；低速主轴为中空圆柱体，位于低速座套的内部，其一端与连接支架固定连接；低速座套与星体固定连接；一对面对面安装的角接触球轴承位于低速座套与低速主轴之间，并通过外隔圈和内隔圈间隔开；框架电机位于低速座套的内部，框架电机套在低速主轴外圆周上，驱动低速主轴绕框架轴旋转或锁定在某角度；测角装置位于低速座套的底部，并与框架轴同轴，测角装置包括测角装置转子部分和测角装置定子部分，测角装置转子部分通过测角装置锁紧螺母与低速主轴连接，测角装置定子部分通过螺钉与低速座套连接；电传输装置位于低速主轴的内部，与低速主轴同轴；电传输装置包括电传输装置转子部分和电传输装置定子部分，电传输装置转子部分通过螺钉与低速主轴连接，电传输装置定子部分通过电传输装置限位板与测角装置定子部分连接；防尘板安装在低速座套上。 所述高速电机转子部分与轮体一体化设计为高速转子组件。 所述连接支架外形为半锥体，且在框架轴的方向上设计有多根加强筋，并有多处减重腔体。 所述高速组件与连接支架连接后的质心位于框架轴上。 所述低速轴承组件的低速座套、外隔圈、内隔圈以及低速主轴均采用高体分铝基复合材料。 所述框架电机采用大中空结构的旋转行波型超声电机，电传输装置采用导电环组件，测角装置采用绝对零位式圆感应同步器组件。 所述低速座套与星体固定连接的方式有两种:通过底面与星体连接，或通过侧面设计的侧筋与星体连接。 本专利技术与现有技术相比的优点在于: (I)本专利技术中，高速电机组件转子与常用于提供转动惯量的轮体采用一体化设计，提高了转动部分的转动惯量/质量比，相同转动惯量实现了轻量化；一体化设计简化了原有高速电机组件转子与轮体之间螺钉连接，可靠性更高；并减小了原有螺钉连接在力学试验后高速电机组件转子与轮体之间相对位置发生变化导致的不平衡量增加，提高了飞轮模式下的性能；转动部分质心位于高速轴承组件的一对角接触轴承连线的中心位置；使得转子工作时的离心力大小相等的作用在一对轴承上，高速轴承组件运行性能更加稳定。 (2)本专利技术中连接支架在框架轴方向设计有多根加强筋，且为锥面外形，并有多处减重腔体，实现了连接支架较高的弯曲的刚度，提高了整机一阶固有频率，同时减轻了连接支架的重量。 (3)本专利技术中，高速组件与连接支架的质心位于框架轴的轴线上，减少了框架电机驱动高速组件和连接支架绕框架轴转动时由于偏心导致的附加扰动力矩，提高了框架电机的力矩裕度，同时可实现更高精度的框架转速控制和转速稳定度控制。 (4)本专利技术中框架电机采用旋转行波型超声电机，可实现断电大力矩自锁定，较电磁电机非接触式加电锁定，锁定精度更高，且不消耗能源；大中空结构的电机结构与低速轴承组件的轴承串联位置安装，更大直径位置锁定刚度更高，电传输装置可穿过框架电机，低速组件的轴向尺寸更短，重量更轻。 (5)本专利技术中低速主轴、内隔圈、外隔圈、低速座套均采用与轴承钢线膨胀系数相近的高体分铝基复合材料。较文献《CONTROL MOMENT GYRO FOR ATTITUDE CONTROL OF ASPACECRAFT))所要求的钛合金材料密度降低约35%、热导率提高约20倍、线膨胀系数更接近轴承钢，在高低温下低速轴承组件温度更均匀，散热更好，性能更加稳定，且大本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种小型变速控制力矩陀螺，其特征在于：包括高速组件(1)、连接支架(2)和低速组件(3)，高速组件(1)和低速组件(3)通过连接支架(2)连接；高速组件(1)包括壳体组件(11)、高速电机组件、轮体(13)以及高速轴承组件(14)；高速电机组件包括高速电机转子部分(121)和高速电机定子部分(122)，高速电机定子部分(122)安装在壳体组件(11)上；高速电机转子部分(121)与轮体(13)共同构成高速转子组件(17)；高速转子组件(17)由高速轴承组件(14)支承，用于提供角动量所需的转动惯量；高速轴承组件(14)安装在壳体组件(11)上；低速组件(3)包括低速轴承组件(31)、框架电机(32)、电传输装置(33)、测角装置(34)、测角装置锁紧螺母(35)、电传输装置限位板(36)以及防尘板(37)；低速轴承组件(31)包括低速座套(311)、外隔圈(312)、内隔圈(313)、一对面对面安装的角接触球轴承(314)以及低速主轴(315)；低速主轴(315)为中空圆柱体，位于低速座套(311)的内部，其一端与连接支架(2)固定连接；低速座套(311)与星体固定连接；一对面对面安装的角接触球轴承(314)位于低速座套(311)与低速主轴(315)之间，并通过外隔圈(312)和内隔圈(313)间隔开；框架电机(32)位于低速座套(311)的内部，框架电机(32)套在低速主轴(315)外圆周上，驱动低速主轴(315)绕框架轴(5)旋转或锁定在某角度；测角装置(34)位于低速座套(311)的底部，并与框架轴(5)同轴，测角装置(34)包括测角装置转子部分(341)和测角装置定子部分(342)，测角装置转子部分(341)通过测角装置锁紧螺母(35)与低速主轴(315)连接，测角装置定子部分(342)通过螺钉与低速座套(311)连接；电传输装置(33)位于低速主轴(315)的内部，与低速主轴(315)同轴；电传输装置(33)包括电传输装置转子部分(332)和电传输装置定子部分(331)，电传输装置转子部分(332)通过螺钉与低速主轴(315)连接，电传输装置定子部分(331)通过电传输装置限位板(36)与测角装置定子部分(342)连接；防尘板(37)安装在低速座套(311)上。...
【技术特征摘要】
1.一种小型变速控制力矩陀螺，其特征在于:包括高速组件(I)、连接支架(2)和低速组件(3)，高速组件(I)和低速组件(3)通过连接支架(2)连接； 高速组件(I)包括壳体组件(11)、高速电机组件、轮体(13)以及高速轴承组件(14)；高速电机组件包括高速电机转子部分(121)和高速电机定子部分(122)，高速电机定子部分(122)安装在壳体组件(11)上；高速电机转子部分(121)与轮体(13)共同构成高速转子组件(17);高速转子组件(17)由高速轴承组件(14)支承，用于提供角动量所需的转动惯量；高速轴承组件(14)安装在壳体组件(11)上； 低速组件(3)包括低速轴承组件(31)、框架电机(32)、电传输装置(33)、测角装置(34)、测角装置锁紧螺母(35)、电传输装置限位板(36)以及防尘板(37);低速轴承组件(31)包括低速座套(311)、外隔圈(312)、内隔圈(313)、一对面对面安装的角接触球轴承(314)以及低速主轴(315);低速主轴(315)为中空圆柱体，位于低速座套(311)的内部，其一端与连接支架(2)固定连接；低速座套(311)与星体固定连接；一对面对面安装的角接触球轴承(314)位于低速座套(311)与低速主轴(315)之间，并通过外隔圈(312)和内隔圈(313)间隔开；框架电机(32)位于低速座套(311)的内部，框架电机(32)套在低速主轴(315)外圆周上，驱动低速主轴(315)绕框架轴(5)旋转或锁定在某角度；测角装置(34)位于低速座套(311)的底部，并与框架轴(5)同轴，测角装置(34)包括测角装置转子部分(341)和测角装置定子部分(342)，测角装置转子部分(341)通过测角装置锁紧螺母...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴金涛，赵雷，伏蓉，张激扬，武登云，卿涛，魏大忠，王全武，周刚，罗睿智，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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