[发明专利]多自由度电磁机器的旋转和倾斜控制

说明书

多自由度电磁机器的旋转和倾斜控制。多自由度电磁机器包括第一结构、第二结构和控制。第一结构被配置成围绕旋转轴和围绕垂直于旋转轴的倾斜轴转动，并且包括第一旋转导体、第二旋转导体和倾斜导体，其一起形成表面的一般形状。第二结构被设置成与第一结构相邻并且包括多个磁体。控制被配置成可控制地向第一和第二旋转导体供应交流（AC）并向倾斜导体供应直流（DC），其中第一结构响应于AC被供应到第一和第二旋转导体而围绕旋转轴连续转动，并且响应于DC被供应到倾斜导体而围绕倾斜轴转动至倾斜位置。

技术领域

本发明总体上涉及电磁机器，并且更具体地涉及用于多自由度电磁机器的旋转（spin）和倾斜（tilt）控制的系统和方法。

背景技术

如通常已知的，控制力矩陀螺（CMG）被用来控制诸如卫星之类的航天器的姿态。目前已知的CMG通常包括旋转发动机、力矩电动机和动量轮（或飞轮）。旋转发动机以某个速度使所述轮绕其中心线轴转动，并且力矩电动机使所述轮绕正交轴转动通过有限的角度。这两个运动生成绕第三正交轴的陀螺力矩，其与旋转速度和轮的倾斜角成比例。通常，旋转发动机是相对小的，因为仅要求小的力矩来保持旋转速度（一旦它已达到了此速度），并且因为力矩电动机必须连同轮来移动旋转发动机。

目前已知的CMG的基本限制是在CMG系统的动量包络内存在“奇点”。这些是由于动量矢量的对准而引起的CMG系统不能生成任何动量所处的特定位置。如可以认识到的，避免这些位置以防止卫星变得有效地卡在位置上。减轻此问题的一个方法是将CMG安装在两轴万向节（gimbal）中并添加第二力矩电动机。此第二电动机然后可以调整动量矢量的振幅以避免奇点。然而，这显然对系统增加了不希望的尺寸、重量和复杂性，特别是因为第二力矩电动机必须抵抗由第一力矩电动机生成的陀螺力矩而进行工作。另一个方法是在轮正在倾斜时改变轮的旋转速度，导致被称为“可变速度CMG”的事物。然而，实际上这很少实现，因为它在旋转轴上要求更高得多的力矩，这导致更大的旋转发动机、更大的力矩电动机、以及总体上更大的尺寸和重量。

因此，存在对一种多自由度机电机器的需要，其可以例如实现CMG的功能，而没有不适当的尺寸、重量和复杂性。本发明至少解决了这些需要。

发明内容

提供本发明内容以用简化的形式来描述在具体实施方式中进一步描述的选择概念。本发明内容不旨在确定所要求保护的主题的关键或必要特征，其也不旨在被用作帮助确定所要求保护的主题的范围。

在一个实施例中，多自由度电磁机器包括第一结构、第二结构和控制。第一结构被配置成围绕旋转轴和围绕垂直于旋转轴的倾斜轴转动。第一结构包括第一旋转导体、第二旋转导体和倾斜导体。第一旋转导体遵循第一一般轨迹，第二旋转导体遵循与第一一般轨迹不同的第二一般轨迹，并且倾斜导体遵循与第一和第二一般轨迹不同的第三一般轨迹。第一旋转导体、第二旋转导体、和倾斜导体一起形成表面的一般形状。第二结构被设置成与第一结构相邻并且包括多个磁体。每个磁体具有面对表面的其磁极中的至少一个。控制被耦合到第一旋转导体、第二旋转导体和倾斜导体。该控制被配置成可控制地向第一和第二旋转导体供应交流（AC）并向倾斜导体供应直流（DC），其中第一结构响应于AC被供应到第一和第二旋转导体而围绕旋转轴连续转动，并且响应于DC被供应到倾斜导体而围绕倾斜轴转动至倾斜位置。

在另一实施例中，控制力矩陀螺系统包括球形结构、第一旋转导体、第二旋转导体、倾斜导体、第二结构和控制。球形结构被配置成围绕旋转轴和围绕垂直于旋转轴的倾斜轴转动。球形结构具有第一对称轴、第二对称轴和第三对称轴，其中第一、第二和第三对称轴被设置成彼此垂直。第一旋转导体围绕第一对称轴而被设置在球形结构上，第二旋转导体围绕第二对称轴而被设置在球形结构上，并且倾斜导体围绕第三对称轴而被设置在球形结构上。第二结构被设置成与球形结构相邻并且包括多个磁体。每个磁体具有面对球形结构的其磁极中的至少一个。控制被耦合到第一旋转导体、第二旋转导体和倾斜导体。该控制被配置成可控制地向第一和第二旋转导体供应交流（AC），并向倾斜导体供应直流（DC），其中球形结构响应于AC被供应到第一和第二旋转导体而围绕旋转轴连续地转动，并且响应于DC被供应到倾斜导体而围绕倾斜轴转动至倾斜位置。