一种控制力矩陀螺用框架系统技术方案

本发明专利技术公开了一种控制力矩陀螺用框架系统，可作为大型卫星、空间站等大型航天器的姿态控制执行机构，由旋变端机械轴承、导电滑环、旋转变压器、旋变座、旋变轴、谐波轴、框架、电机座、谐波减速器、框架电机定子组件、框架电机转子组件、电机端机械轴承等组成。框架芯轴由框架力矩电机驱动带动所连接的陀螺转子旋转以输出陀螺力矩，旋转变压器负责输出框架芯轴的角位置信号反馈给力矩电机的控制系统从而实现对力矩电机的控制，力矩电机采用有铁芯分数槽结构以减小漏磁，电机输出的力矩经谐波减速器放大后传递至陀螺转子从而输出陀螺力矩。本发明专利技术具有布局紧凑，体积小重量轻，系统噪声小，框架系统的控制精度和转矩输出效率高等优点。

A frame system for control moment gyroscope

The invention discloses a system framework of control moment gyroscope, as large satellites, space stations and other large spacecraft attitude control actuator, by rotating mechanical end bearing, a conductive slip ring, rotary transformer, rotating seat, rotating shaft, shaft, harmonic frame, motor base, harmonic reducer, motor frame the stator assembly frame, motor rotor assembly, motor end mechanical bearings etc.. Frame by frame core shaft torque motor drive connected to the output of gyro rotor rotating gyroscopic torque, rotating transformer for control system of torque motor so as to control the torque of the motor angular position signal output shaft frame feedback torque motor with fractional slot structure of iron core in order to reduce the leakage, the motor output torque the harmonic reducer is amplified to transfer to the output torque of gyro rotor gyro. The invention has the advantages of compact layout, small size, light weight, small system noise, high control precision and high torque output efficiency of the frame system.

【技术实现步骤摘要】
一种控制力矩陀螺用框架系统
本专利技术涉及航天器姿态控制惯性执行机构
，具体涉及一种控制力矩陀螺用框架系统。
技术介绍
控制力矩陀螺是空间站等长期运行的大型航天器实现姿态控制的关键执行机构。航天器姿态控制的机动灵活性要求控制力矩陀螺框架系统能实现最快角速度14.3°/s，最大输出力矩50N.m的高精度旋转机动，其机动角速度的控制精度与输出力矩是控制力矩陀螺的关键指标，直接影响着航天器姿态控制精度、姿态机动能力与响应速度，而框架系统的结构与指标性能对上述指标有着重要影响。框架力矩电机是决定框架速度控制精度与输出转矩大小的关键因素。目前控制力矩陀螺框架力矩电机定子多为无铁芯结构或有铁芯无齿槽结构，虽然减小了转矩脉动，但输出力矩受到影响，漏磁等现象也较为严重，在需要快速机动且需要输出大力矩的航天器场合应用受到限制。目前有铁芯的控制力矩陀螺框架力矩电机定子易出现磁密饱和情况，使得电机控制呈现非线性特性，不利于控制力矩陀螺框架力矩电机的高精度控制，也不利于大型航天器对于大转矩输出的需求。有铁芯有齿槽结构的电机从结构上较好地解决了这种问题。该电机具有输出力矩大且平稳、转矩密度高及响应速度快的优势，这对于控制力矩陀螺框架系统的高精度高稳定控制有着显著意义；此外该电机采用整数槽结构，通过优化永磁体磁极结构降低转矩脉动，减小了电机磁偏拉力，降低了绕组磁动势中的奇数次和偶数次谐波，提高了控制精度。该控制力矩陀螺用框架系统在航空航天、舰船潜艇、精密制造等领域有较大发展前景。
技术实现思路
本专利技术旨在解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种输出力矩大、比转矩密度高、输出转矩平稳、输出转速平稳、转矩控制精度高、转速控制精度高、体积小、重量轻、寿命长、功耗低、工作性能稳定的控制力矩陀螺用框架系统。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案是：一种控制力矩陀螺用框架系统，由旋变端机械轴承、导电滑环、旋转变压器、旋变座、旋变轴、谐波轴、框架、电机座、谐波减速器、框架电机定子组件、框架电机转子组件、电机端机械轴承等组成，其中框架通过旋变轴和谐波轴与壳体相连，旋变轴通过旋变端机械轴承与框架固连，谐波轴通过电机端机械轴承与框架固连，框架的一端与框架电机定子组件相连，另一端与旋转变压器的旋变外法兰相连，旋转变压器的旋变内螺纹环的一段与导电滑环的静止部分相连，旋转变压器的旋变内螺纹环的另一端以及导电滑环的转动部分与另一端的旋变轴固连，框架电机转子组件与谐波减速器的一端连接，谐波减速器的另一端与谐波轴的一端固连，谐波轴的另一端及旋变轴的一端与控制力矩陀螺转子组件相连，框架电机定子组件通过电机座与框架固连。所述的框架电机定子组件由框架电机定子铁芯和框架电机定子绕组组成，其中框架电机定子铁芯为有齿槽铁芯，与框架电机转子组件配合形成整数槽框架力矩电机，框架电机定子铁芯的内表面与框架电机转子组件的永磁体部分的外表面之间留有一定间隙，形成框架力矩电机气隙，框架电机定子铁芯与电机座相连，框架电机定子绕组绕制在框架电机定子铁芯的每个齿槽中。所述的框架电机定子铁芯的槽数为k，k≥48。所述的框架电机转子组件由转子挡环，永磁体，转子铁芯，电机轴组成，转子挡环与永磁体和转子铁芯的左侧端部相连，永磁体内侧与转子铁芯外侧相连，电机轴与永磁体和转子铁芯的右侧端部相连。所述的框架电机转子组件中的永磁体分块数为t，t≥16，永磁体端部采用两级削角处理，第一级削角为α，经优化后角度为30°，第二级削角为β，优化后角度为56°。所述的旋转变压器由旋变外法兰和旋变内螺纹环组成，其中旋变外法兰的一端与框架的一端相连，旋变内螺纹环的一端与导电滑环的静止部分相连，旋变内螺纹环的另一端与旋变轴固连。所述的框架通过框架开孔与陀螺基座相连，并通过陀螺基座将框架输出的陀螺力矩传递到卫星本体以实现对卫星的姿态控制。本专利技术的原理是：当控制力矩陀螺接收到控制指令对航天器进行姿态调整时，框架力矩电机驱动框架系统转子部分以一定角速度旋转，此时旋转变压器检测到所转过的角度和瞬态角速度，并将角位置信号与角速度信号反馈给控制器，与指令信号进行反馈控制，从而实现角位置和角速度的精确控制，框架系统的旋转轴与磁悬浮转子系统转子组件的角动量方向始终保持空间垂直关系，根据陀螺力矩方程，控制力矩陀螺将输出一个控制力矩，该控制力矩通过框架系统的底座与航天器的机械接口传递到航天器上，从而对航天器进行姿态控制。框架系统采用有铁芯有齿槽的力矩电机以提高转矩密度，力矩电机采用整数槽结构以降低绕组磁动势中的奇数次和偶数次谐波，同时转子永磁体采用优化削角处理的结构以优化气隙磁密波形，降低转矩脉动，提高控制精度。本专利技术与现有技术相比的优点在于：一种有铁芯有齿槽结构的框架力矩电机，该力矩电机采用整数槽结构，永磁体削角处理，结构简单，成本低，能有效降低转矩脉动，提高转矩密度，提高转矩与转速控制精度，能有效防止铁芯磁密饱和。采用有铁芯有齿槽结构电机的控制力矩陀螺框架系统，具有输出力矩大且平稳、转矩密度高及响应速度快的优势，这对于控制力矩陀螺框架系统的高精度高稳定控制有着显著意义；此外该电机采用整数槽结构，通过优化永磁体磁极结构降低转矩脉动，减小了电机磁偏拉力，降低了绕组磁动势中的奇数次和偶数次谐波，永磁体采用优化削角结构，优化气隙磁密波形，降低转矩脉动，提高控制精度。本专利技术公布的控制力矩陀螺用框架系统总体结构简单，成本低，能有效降低转矩脉动，提高转矩密度，提高转矩与转速控制精度，能有效防止铁芯磁密饱和。提高了控制精度。该控制力矩陀螺用框架系统在航空航天、舰船潜艇、精密制造等领域有较大发展前景。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为本专利技术的控制力矩陀螺用框架系统示意图；图2为本专利技术的框架力矩电机定子组件意图；图3为本专利技术的框架力矩电机转子组件示意图；图4为本专利技术的永磁体与转子铁芯示意图；图5为本专利技术的永磁体结构示意图；图6为本专利技术的旋转变压器示意图；图7为本专利技术的框架结构示意图；图8为本专利技术的框架等轴测视图；图9为实施例控制力矩陀螺用框架系统的转矩脉动随永磁体112的第一级削角α在20°-45°之间变化的关系曲线；图10为实施例控制力矩陀螺用框架系统的转矩脉动随永磁体112的第二级削角β在47°-62°之间变化的关系曲线。附图标记：旋变端机械轴承1；导电滑环2；旋转变压器3；旋变座4；旋变轴5；谐波轴6；框架7；电机座8；谐波减速器9；框架电机定子组件10；框架电机转子组件11；电机端机械轴承12；控制力矩陀螺转子组件13；陀螺基座14；框架电机定子铁芯101；和框架电机定子绕组102；转子挡环111；永磁体112；转子铁芯113；电机轴114；旋变外法兰31；旋变内螺纹环32；框架开孔701；具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。下面首先结合附图具体描述根据本专利技术实施例的控制力矩陀螺用框架系统。如图1所示，本专利技术实施的框架7通过旋变轴5和谐波轴6与壳体相连，旋变轴5通过旋本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制力矩陀螺用框架系统，其特征在于：由旋变端机械轴承(1)、导电滑环(2)、旋转变压器(3)、旋变座(4)、旋变轴(5)、谐波轴(6)、框架(7)、电机座(8)、谐波减速器(9)、框架电机定子组件(10)、框架电机转子组件(11)、电机端机械轴承(12)等组成，其中框架(7)通过旋变轴(5)和谐波轴(6)与壳体相连，旋变轴(5)通过旋变端机械轴承(1)与框架(7)固连，谐波轴(6)通过电机端机械轴承(12)与框架(7)固连，框架(7)的一端与框架电机定子组件(10)相连，另一端与旋转变压器(3)的旋变外法兰相连，旋转变压器(3)的旋变内螺纹环的一段与导电滑环(2)的静止部分相连，旋转变压器(3)的旋变内螺纹环的另一端以及导电滑环(2)的转动部分与另一端的旋变轴(5)固连，框架电机转子组件(11)与谐波减速器(9)的一端连接，谐波减速器(9)的另一端与谐波轴(6)的一端固连，谐波轴(6)的另一端及旋变轴(5)的一端与控制力矩陀螺转子组件(13)相连，框架电机定子组件(10)通过电机座(8)与框架(7)固连。

【技术特征摘要】
1.一种控制力矩陀螺用框架系统，其特征在于：由旋变端机械轴承(1)、导电滑环(2)、旋转变压器(3)、旋变座(4)、旋变轴(5)、谐波轴(6)、框架(7)、电机座(8)、谐波减速器(9)、框架电机定子组件(10)、框架电机转子组件(11)、电机端机械轴承(12)等组成，其中框架(7)通过旋变轴(5)和谐波轴(6)与壳体相连，旋变轴(5)通过旋变端机械轴承(1)与框架(7)固连，谐波轴(6)通过电机端机械轴承(12)与框架(7)固连，框架(7)的一端与框架电机定子组件(10)相连，另一端与旋转变压器(3)的旋变外法兰相连，旋转变压器(3)的旋变内螺纹环的一段与导电滑环(2)的静止部分相连，旋转变压器(3)的旋变内螺纹环的另一端以及导电滑环(2)的转动部分与另一端的旋变轴(5)固连，框架电机转子组件(11)与谐波减速器(9)的一端连接，谐波减速器(9)的另一端与谐波轴(6)的一端固连，谐波轴(6)的另一端及旋变轴(5)的一端与控制力矩陀螺转子组件(13)相连，框架电机定子组件(10)通过电机座(8)与框架(7)固连。2.根据权利要求1所述的一种控制力矩陀螺用框架系统，其特征在于：所述的框架电机定子组件(10)由框架电机定子铁芯(101)和框架电机定子绕组(102)组成，其中框架电机定子铁芯(101)为有齿槽铁芯，与框架电机转子组件(11)配合形成整数槽框架力矩电机，框架电机定子铁芯(101)的内表面与框架电机转子组件(11)的永磁体(112)部分的外表面之间留有一定间隙，形成框架力矩电机气隙...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘刚，刘旭，韩邦成，郑世强，李海涛，贺赞，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11