[发明专利]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航天器上的一类惯性执行机构，主要由飞轮和框架系统组成，通过框架伺服系统控制飞轮角动量的方向，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飞轮的转速要高，以减轻重量、缩小体积；要求框架系统的力矩电机输出力矩大、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。作为飞轮转子的支承部件，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。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种寿命长、控制精度高、可靠性高、振动小的双框架磁悬浮控制力矩陀螺。

本发明的技术解决方案是：双框架磁悬浮控制力矩陀螺由飞轮系统、内框架系统和外框架系统三部分组成，其中飞轮系统分为静止部分和转动部分，其特征在于：静止部分主要包括径向混合磁轴承的静止部分、径向位移传感器、轴向磁轴承、轴向位移传感器、保护轴承、高速电机的定子部分、上陀螺房、下陀螺房、密封盖；转动部分主要包括转轴、径向混合磁轴承的转动部分、高速电机的转子部分，两个高速电机处于飞轮的中部，轴向磁轴承位于高速电机的左右两侧、分别与上陀螺房和下陀螺房相连接；高速电机径向外侧依次连接径向混合磁轴承、径向位移传感器、保护轴承、轴向位移传感器、上陀螺房和下陀螺房，其中径向位移传感器与径向混合磁轴承的静止部分相连接，径向混合磁悬浮磁轴承的静止部分同时还分别与上陀螺房和下陀螺相连接，上陀螺房和下陀螺房分别与密封盖相连接；高速电机的转子部分、径向混合磁悬浮磁轴承的转动部分分别与转轴连接在一起，保护轴承和轴向位移传感器通过保护轴承压板和轴承座与上陀螺房和下陀螺房相连接，保护轴承与转轴之间在径向上形成径向保护间隙，保护轴承与转轴的轴肩之间形成轴向保护间隙，径向位移传感器的探头与检测环之间为径向探测间隙，轴向位移传感器与转轴的端部之间为轴向探测间隙；内框架系统主要由内框架、内框架机械轴承、内框架力矩电机、内框架电机轴、内框架电机机械轴承、内框架减速器、内框架减速器轴、内框架角位置传感器、内框架传感器轴、内框架导电滑环、内框架导电滑环支架和内框架端盖以及相应的内框架控制系统组成，内框架力矩电机的转子通过内框架电机轴与内框架减速器连接，内框架减速器通过内框架减速器轴与上陀螺房一端的轴孔相连，内框架力矩电机的定子、内框架电机机械轴承的静止部分与内框架相连，内框架导电滑环的转动部分通过内框架导电滑环支架与内框架传感器轴相连，内框架导电滑环的静止部分与内框架端盖相连，内框架角位置传感器的转动部分通过内框架导电滑环支架和内框架传感器轴与上陀螺房另一端的轴孔相连，内框架角位置传感器的固定部分与内框架相连，内框架电机机械轴承对内框架力矩电机的转动部分起支承作用，内框架机械轴承对内框架减速器和内框架角位置传感器、内框架导电滑环的转动部分起支承作用；