[发明专利]一种多自由度球形电动式磁悬浮动量轮

说明书

一种多自由度球形电动式磁悬浮动量轮，由外部支承组件、球形驱动电机及内部电动式磁悬浮动量轮组成；外部支承组件对球形驱动电机定子进行定位固定，同时为球形动子提供球面支承；在球形驱动电机定子线圈阵列中通入不同相位的正弦交流电，形成不同方向的行波磁场，可驱动整个球形动子的空间朝向发生改变，进而实现对磁悬浮动量轮转轴空间朝向的大范围内调节；同时根据电动式驱动原理，对内部电动式磁悬浮动量轮进行稳定悬浮与绕轴旋转一体驱动，从而实现对内部磁悬浮动量轮的转轴方向及转速大小的完全控制,最终能够实现对航天器姿态的多轴主动控制。

技术领域

本发明为一种多自由度球形电动式磁悬浮动量轮，用作航天器姿态控制系统新型执行器。

背景技术

动量轮与控制力矩陀螺被广泛应用于航天器姿态控制系统执行器。每个动量轮相对于航天器有固定的转轴朝向，可为航天器提供某一特定方向上的姿态控制能力，因此至少布置3个动量轮才能完全实现航天器的三轴姿态主动控制。而多框架控制力矩陀螺虽能实现对转子转轴的调节，但每增加一个调节自由度，就需要增加一个外部框架及其驱动系统，使得整体结构庞杂不紧凑。两种航天器执行器结构均占用较大的航天器空间资源。当前，随着航天器应用范围的扩展，体积小、重量轻、成本低的小型航天器技术引起广泛关注，传统的动量轮和控制力矩陀螺结构无法较好地满足航天器小型化趋势。

公开号为CN104753273A，名称为一种磁悬浮动量球的专利公开了一种用于航天器姿态调整的反作用球，包含一个球壳形动子和三组定子。三组定子正交布置，每组定子围绕动子相对布置。每个定子铁心可提供沿定子轴线方向的推力和转矩，六个定子协同工作实现球形动子的稳定悬浮与旋转驱动，结构简单紧凑。然而，对于此种动量球构型，深入分析可知，球形动子沿任意轴转动时，定子表面的涡流将引起额外的电磁阻力矩，阻碍球形动子转速的提升，极大地限制了该种结构的动子球极限转速，导致其对于航天器的姿态调整能力有限。公开号为CN104176277A，名称为一种四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺的专利提出了一种由四自由度磁轴承、高速电机、内外框架等组成的控制力矩陀螺，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体积庞大，占用较大的航天器空间资源。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种多自由度球形电动式磁悬浮动量轮，用作航天器姿态控制系统新型执行器。该系统结构简单紧凑，实现飞轮转子稳定磁悬浮与高速旋转驱动，同时配合外部球形驱动电机调整球形框架朝向，实现对动子飞轮转轴空间朝向的大范围调节，大大提高了内部电动式磁悬浮动量轮对航天器姿态调整能力。

本发明的技术解决方案是：

包括外部支承组件、球形驱动电机和内部电动式磁悬浮动量轮，其中：外部支承组件包括底部基座，球面轴承和侧面机架；球形驱动电机包括球形驱动电机定子和球形动子；所述底部基座对所述球形驱动电机定子进行定位与固定；所述球面轴承为所述球形动子提供球面支承；所述侧面机架连接并固定所述底部基座与所述球面轴承，保持球形驱动电机定子与球形动子间隙均匀。

进一步的，所述多自由度球形电动式磁悬浮动量轮装置还包括球形驱动电机，所述球形驱动电机包括球形驱动电机定子和球形动子。

进一步的，球形动子由球形动子外壳、和球形动子内部供电端和内部电动式磁悬浮动量轮组成，通过球形动子内部供电端实现对于球形动子外壳和内部电动式磁悬浮动量轮的连接；球形动子内部供电端连接外部电源，为球形动子内部电动式磁悬浮动量轮供电。

进一步的，所述球形驱动电机定子由球面定子铁芯和线圈阵列组成；球面定子铁芯与球形动子外壳同心布置，形成均匀的气隙；选择线圈阵列中不同位置的线圈组合，通入不同相位的正弦交流电，在气隙中形成不同方向上的行波磁场，在球形动子外壳中感应出电磁涡流，与行波磁场相互作用产生电磁驱动力和转矩，驱动球形动子旋转，改变空间朝向。

进一步的，所述内部电动式磁悬浮动量轮包括动子飞轮、磁悬浮动量轮定子，和轴向电机。