[发明专利]一种四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及一种双框架磁悬浮控制力矩陀螺，可作为长期运行或要求大机动和快速响应的航天器和空间站等大型航天器的姿态控制系统的执行机构。

背景技术

控制力矩陀螺是应用在大型航天器上的一类惯性执行机构，主要由高速转子和框架系统组成，通过框架伺服系统控制高速转子角动量的方向，从而输出陀螺力矩对航天器的姿态进行控制。要求大机动和快速响应的航天器以及空间站等大型航天器的姿态控制的执行机构要求输出力矩大、寿命长、可靠性高、响应速度快、精度高、体积小、重量轻、功耗低，这就要求输出角动量的高速转子的转速要高，以减轻重量、缩小体积；要求框架系统的框架电机输出力矩大、控制精度高。根据框架的自由度个数，与单框架控制力矩陀螺相比，双框架控制力矩陀螺组成的姿态控制系统的主要优点是：动量包络为球体、奇异性不明显、构型和控制律简单、便于操纵，安装可靠方便，相同冗余度时，比单框架控制力矩陀螺组成的姿态系统质量要轻。所以双框架控制力矩陀螺是大型航天器姿态控制系统关键执行机构。作为高速转子的支承部件，现有的双框架控制力矩陀螺采用机械轴承支承，因而从根本上限制了转子转速的提高、降低了系统的使用寿命和可靠性，增加了系统的功耗，振动和噪声大，控制精度低，为了使控制力矩陀螺输出所需的角动量，不得不增加控制力矩陀螺的重量和体积。因此现有的双框架控制力矩陀螺主要缺点是体积和重量大、控制精度低、可靠性差、寿命比较短等。现有的磁悬浮双框架控制力矩陀螺采用的是五自由度全主动的结构形式，尽管采用了永磁偏置磁轴承的结构形式，但是其功耗仍然较大，而且五自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺在电路板的数量及体积都明显过大。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，以减小自身体积重量和功耗。

本发明的技术解决方案为：一种四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺，由四自由度磁轴承(1)、高速电机(2)、径轴一体化传感器(3)、径向传感器(4)、上保护轴承(5)、下保护轴承(6)、芯轴(7)、轮体(8)、底座(9)、上传感器检测环(10)、下传感器检测环(11)、壳体(12)、内框框架芯轴(13)、内框框架电机(14)、内框框架(15)、内框机械轴承(16)、内框角位置传感器(17)、内框导电滑环(18)、外框框架芯轴(19)、外框框架电机(20)、外框框架(21)、外框机械轴承(22)、外框角位置传感器(23)、外框导电滑环(24)组成，其中四自由度磁轴承(1)位于控制力矩陀螺的中部，其定子部分安装在芯轴(7)的中部，四自由度磁轴承(1)定子的上端为上保护轴承(5)，上保护轴承(5)也固定在芯轴(7)上，上保护轴承(5)的径向外侧为上传感器检测环(10)，上保护轴承(5)与上传感器检测环(10)之间形成径向保护间隙和轴向保护间隙，上传感器检测环(10)的径向外侧是径轴一体化传感器(3)，径轴一体化传感器(3)的径向探头和轴向探头与上传感器检测环(10)之间形成径向探测间隙和轴向探测间隙，径轴一体化传感器(3)通过传感器座与芯轴(7)固连；四自由度磁轴承(1)定子的下端为下保护轴承(6)，下保护轴承(6)也固定在芯轴(7)上，其径向外侧为下传感器检测环(11)，下保护轴承(6)和下传感器检测环(11)之间形成径向保护间隙，下传感器检测环(11)的径向外侧是径向传感器(4)，径向传感器(4)的探头与下传感器检测环(11)之间形成径向探测间隙，径向传感器(4)通过传感器座与底座(9)固连；四自由度磁轴承(1)的转子的径向外侧是轮体(8)，两者采用过盈配合，轮体(8)的下端安装有高速电机(2)的内转子铁心和外转子铁心，高速电机(2)的定子与内转子铁心和外转子铁心之间形成磁间隙，并通过连接板固定在底座(9)上，壳体(12)与底座(9)通过螺钉相连，用以将轮体密封起来；壳体(12)的两端与内框框架芯轴(13)相连，内框框架芯轴(13)通过内框机械轴承(16)与内框框架(15)固连，内框框架(15)的一端与内框框架电机(14)的定子部分相连，另一端与内框角位置传感器(17)的定子相连，内框角位置传感器(17)的定子与内框导电滑环(18)的静止部分相连；内框框架电机(14)的转子部分与内框框架芯轴(13)连接，内框角位置传感器(17)的转子以及内框导电滑环(18)的转动部分与另一端的内框框架芯轴(13)固连；内框框架(15)的两端与外框框架芯轴(19)相连，外框框架芯轴(19)通过外框机械轴承(22)与外框框架(21)固连，外框框架(21)的一端与外框框架电机(20)的定子部分相连，另一端与外框角位置传感器(23)的定子相连，外框角位置传感器(23)的定子与外框导电滑环(24)的静止部分相连；外框框架电机(20)的转子部分与外框框架芯轴(19)连接，外框角位置传感器(23)的转子以及外框导电滑环(24)的转动部分与另一端的外框框架芯轴(19)固连。