[发明专利]一种全悬浮双端支撑的单框架控制力矩陀螺

说明书

本发明公开了一种全悬浮双端支撑的单框架控制力矩陀螺，主要由磁悬浮框架系统和磁悬浮高速转子系统两大部分组成。磁悬浮框架系统主要由框架、框架三自由度磁轴承、框架径向传感器、框架电机、框架保护轴承、框架轴向传感器、左框架轴、右框架轴等组成；磁悬浮高速转子系统主要由上陀螺房、下陀螺房、轴向磁轴承、高速驱动电机、陀螺高速转子、径向磁轴承、径向位移传感器、轴向位移传感器、保护轴承等组成。本发明采用了磁轴承支撑的高速转子系统，大大提高了陀螺高速转子的工作转速和使用寿命；同时框架系统采用磁轴承双端支撑方式，提高了支撑刚度，消除了机械摩擦，提高了系统的控制精度。

技术领域

本发明涉及控制力矩陀螺的技术领域，具体涉及一种全悬浮双端支撑的单框架控制力矩陀螺，可作为航天器的姿态执行机构，可用于大型航天器或小型航天器，如空间站或敏捷机动卫星的姿态控制。

背景技术

随着载人航天、对地观测、科学研究的发展，相应的空间站、卫星平台或小型航天器对姿态控制的要求越来越高，具体体现在姿态控制的稳定性和大角度机动的灵活性。现有的姿态控制执行机构主要包括推力器、惯性执行机构和环境力矩执行机构三大类。相比于其它两类执行机构，惯性执行机构是利用动量交换定理来实现姿态控制的，具有无需消耗工质、控制力矩精度高的优点。惯性执行机构可分为惯性动量轮和控制力矩陀螺两大类。惯性动量轮只能输出单方向的较小力矩且存在饱和问题，而控制力矩陀螺具有力矩放大倍数大、动态性能好、输出力矩连续且精度高。相比于双框架控制力矩陀螺，单框架控制力矩陀螺具有结构相对简单，输出力矩大的优点，因此可作为航天器主要的姿态控制执行机构。现有的单框架控制力矩陀螺，高速转子系统和框架系统都采用机械轴承支承，机械轴承有摩擦、磨损、需要润滑等缺点，这些缺点对高速转子系统的影响体现在转速受限问题、发热问题、润滑导致的污染问题和无法维护导致的寿命有限问题等；这些缺点对框架系统的影响体现在框架轴所受非线性的摩擦力矩给航天器系统带来一个干扰力矩，从而影响航天器的稳定性。现有的单框架控制力矩陀螺，框架的支撑方式有单端支撑和双端支撑两种。单端支撑式相比双端支撑式的主要缺点是，只在一端支撑使得框架整体刚度降低，模态频率进而下降，输出较大陀螺力矩时容易发生共振，因此单端支撑式框架只适用于输出较小力矩的场合。

专利CN200710065550.1《单端支撑式单框架磁悬浮控制力矩陀螺》中，采用了磁悬浮支撑的转子，但框架系统采用了单端机械轴承支撑的方式，框架轴受摩擦力矩影响导致系统的非线性不易被克服。专利CN200710065551.6《完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺》中，采用了磁悬浮支撑的转子系统和框架系统，但框架采用单端支撑的方式，不利于框架刚度的提高，进而影响整个系统的振动特性。专利CN200710304236.4《双框架磁悬浮控制力矩陀螺》、专利CN201410383894.7《一种四自由度单框架磁悬浮控制力矩陀螺》和专利CN201410384117.4《一种四自由度双框架磁悬浮控制力矩陀螺》中的磁悬浮控制力矩陀螺，其框架系统采用了双端机械轴承支撑的方式，没有实现框架的无摩擦悬浮。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，将磁悬浮支承技术同时应用于控制力矩陀螺的高速转子系统和框架系统中，提供了一种全悬浮双端支撑的单框架控制力矩陀螺，可作为航天器的姿态执行机构用于大型航天器或小型航天器，如空间站或敏捷机动卫星的大角度机动姿态控制。