[发明专利]一种磁化悬浮感应驱动式反作用动量球

说明书

技术领域

本发明属于航天领域，涉及一种用于卫星姿态调节的反作用动量球。

背景技术

目前，在轨航天器的姿态主要通过反作用飞轮或动量轮控制。然而飞轮或动量轮均为单轴角动量交换装置，为了实现航天器三轴的姿态控制，需要至少三套飞轮或动量轮，由此带来系统的质量、功耗及效率等方面的局限。此外，由于轴与轴承之间存在摩擦，系统的控制精度和寿命受到了很大限制。

公开号为WO2010117819A1，名称为Reaction sphere for spacecraft attitude control(航天器姿态控制反作用球)的专利公开了一种反作用球，其反作用球的电磁极笼由20个电极按切去顶点的正20面体的空间位置布置，通过感应电机的原理驱动球形转子，仅用一个球便可实现任意方向上的角动量交换，完成航天器的任意姿态角的控制。但是，该发明存在三方面的问题：1、该反作用球的线圈电极采用的20面体的布置方式，在实施动量交换的控制时需要较为复杂的解算过程，占用较大的计算资源，不利于航天器姿态控制的时间性要求。2、该反作用球在悬浮原理上采用交变磁场感生电涡流进行斥力型磁悬浮，产生的可控磁力非常微弱，抗扰能力差。3、该反作用球的球形转子采用非导磁性铜材料制作，磁路中磁阻较大，使得磁利用效率较低，产生感应电流微弱，从而驱动效率低。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种磁化悬浮感应驱动式反作用动量球，解决了控制复杂、抗扰性差、驱动效率低的问题。

本发明的技术方案是：一种磁化悬浮感应驱动式反作用动量球，包括球形转子、弧形定子、位移传感器、转速传感器、控制器以及驱动电路；

球形转子：作为角动量交换的载体，悬浮于6个弧形定子组成的线圈笼中，受线圈中电流产生的电磁力矩控制，绕任意轴进行旋转；同时，球形转子通过电磁反作用力矩与卫星交换角动量，实现对航天器的姿态控制；

弧形定子：与航天器本体固为一体，共有6个，每个包括带齿的弧形磁轭及绕制在弧形磁轭上的线圈；6个弧形定子分为3对，每对弧形定子对称分布于球形转子两侧，三对弧形定子两两正交，组成线圈笼；通过在线圈上加载电流，产生直流磁场和交流磁场的叠加磁场，从而实现对球形转子的悬浮控制及旋转驱动；

位移传感器：用于检测球形转子在弧形定子组成的线圈笼中的位置，并将位置信号传递给控制器；

转速传感器：用于检测球形转子相对弧形定子的转速，并将转速信号传递给控制器；

控制器：其内运行PID控制算法，根据位置信号和转速信号分别产生悬浮驱动控制信号和旋转驱动控制信号；

驱动电路：对控制器产生的控制信号进行放大，并加载于线圈之上产生电流。

所述的球形转子为实心球体或者空心球壳，实心球体或者空心球壳内部为软磁性材料，实心球体或者空心球壳的表面镀有导电性良好的抗磁性材料；实心球体或者空心球壳最外层镀金。

所述的弧形磁轭由导磁性良好的电工纯铁或硅钢片制成；3对定子中的每1对构成一个控制通道，每个通道独立控制1个平动自由度和1个转动自由度，共6自由度；3个旋转自由度的矢量合成，使球形转子绕任意轴以任意角速度进行旋转，实现与航天器三轴角动量交换，达到姿态控制的目的。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明中采用定子结构简单，采用传统电机加工艺即可实现，数量仅需6个，装配简单方便。

2)本发明中6个定子中每相对的2个构成一组，共3组以正交方式分布于球形转子周围，用空间构型实现3轴间的解耦；在同一组定子中用直流和交变磁场实现平动和转动的解耦，使得6个自由度独立控制，控制简便。

3)本发明中采用磁化悬浮原理实现球形转子的悬浮，相比感应式悬浮可控力更大，具有更强的承载和抗扰能力。相比于永磁式悬浮，球形转子和定子的结构均可更简单，且控制更稳定可靠。

4)本发明中球形转子的球体内用软磁性材料能减小磁路中的磁阻，从而提高定子产生的电磁场的有效功率，提供更强更平稳的驱动力矩。球表面镀良导体可以使球形转子表面形成更强的电涡流，进一步增强电磁力矩。球表面镀金可防氧化对球形转子导电性的影响，从而保证系统性能的稳定。

5)本发明中采用磁轭复用的方式产生交直流磁场，同时实现球形转子的悬浮控制和旋转驱动，使得结构极致紧凑。

附图说明

图1为本发明的三轴组成结构图；

图2为本发明球形转子结构图；

图3为本发明弧形定子中磁轭结构图；