[发明专利]一种超声电机驱动的小型控制力矩陀螺仪

说明书

本发明公开了一种超声电机驱动的小型控制力矩陀螺仪，包括飞轮总成，方位浮动轴系，L型支架，底座以及底座盖。飞轮总成与L型支架的侧壁连接，L型支架固定在方位浮动轴系上。方位浮动轴系包括方位轴系，超声电机驱动装置，圆光栅测角装置以及方位浮动机构。方位轴系径向上由两个方位轴承承力，轴向上由密珠结构承力，使方位轴系可承受轴向载荷以及径向载荷，提高了轴系的回转运动精度，延长方位轴系寿命；浮动机构可以为超声电机启动时提供有效缓冲，并使轴系运动结束后实现浮动轴系的自动对中的功能。本发明专利控制力矩陀螺仪采用超声电机驱动，响应速度快体积小、无惧电磁干扰、质量轻的特点，能够满足高精度微型敏捷机动空间平台的需要。

技术领域

本发明属于航天执行机构，尤其涉及一种超声电机驱动的小型控制力矩陀螺仪。

背景技术

微型卫星具有重量轻、体积小、低成本、可快速发射、在轨敏捷机动等特点。小型控制力矩陀螺具有输出力矩大，功耗低等优点，是空间机动平台实现快速机动任务的理想航天执行机构。由于运载火箭发射对尺寸和重量有严格限制，以及控制力矩陀螺以多组出现，要求控制力矩陀螺体积小、重量轻，有满足卫星敏捷机动需求的力矩输出能力。

基于超声电机的控制力矩陀螺的优点是可以实现模块化设计，方位浮动轴系和飞轮总成均可单独设计并进行测试，而且飞轮总成可以借鉴现有的成熟的飞轮技术，结构紧凑，可靠度高。

超声电机的研究起步与上世纪60年代，它利用了压电材料的逆压电效应，在压电材料上施加交流信号产生交变电场，进而激发出压电材料在超声频段内的振动，并将这一振动放大，通过摩擦作用转换为电机转子的运动，作为功率输出并驱动其他负载。与传统电机相比，超声电机具有低转速、大力矩、响应速度快、断电自锁、无电磁干扰，体积小，功率密度高，起停控制性好，位移分辨率高等优点。基于超声电机驱动的悬臂式控制力矩陀螺结构紧凑，体积小、质量轻，可以实现稳定的力矩输出，无电磁干扰，频带较宽且响应快，在航空航天领域有着广泛的应用前景。

在未来对微型卫星的需求将大幅增加，无论是用于商业还是军事应用，地球观测、天文学、光学仪器还是雷达有效载荷。对于微型卫星，在以合理的质量、功耗和成本提供高输出扭矩(通常高于0.5Nm)时，反作用轮难以与小型控制力矩陀螺(CMG)相提并论。CMG通常由一个旋转的飞轮和一个或多个电动万向节组成。万向节用于倾斜飞轮的角动量，角动量的变化会产生陀螺扭矩，可以旋转卫星或航天器。CMG的飞轮以恒定速度运行，而只有云台转动，只需要较少的功率来产生改变的输出扭矩。CMG能够更有效地逆时针和顺时针加速或减速，在相同的输入动量下，CMG可以提供高达传统反作用轮的四十倍的扭矩，而将功率需求大致减半。

现有的超声电机驱动的控制力矩陀螺，由于超声电机与框架轴系连接的问题存在着有结构振动与安装拆卸困难的矛盾，现有的方案普遍采用过盈配合的连接方式以减小结构工作后产生的振动，但是该方案未考虑输出力矩对超声电机定转子间预压力分布的影响，不均匀的预压力分布不利于超声电机的速度稳定。

发明内容

发明目的：为解决以上问题，设计了一种超声电机驱动的小型控制力矩陀螺仪。它主要包括了飞轮总成，方位浮动轴系，L型支架，底座以及底座盖等结构。采用本方案很大程度增加了轴系的回转精度和驱动精度以及延长了控制力矩陀螺仪的使用寿命。

技术方案：一种超声电机驱动的小型控制力矩陀螺仪，包括方位浮动轴系，所述方位浮动轴系设于底座盖上，所述方位浮动轴系上设有L型支架，所述L型支架上设有飞轮总成，所述底座盖的下方还设有底座；

所述飞轮总成包括飞轮和高速电机定子，所述飞轮的两端分别轴承连接于安装板和飞轮外壳上，所述安装板和所述飞轮外壳螺钉连接，所述安装板和所述L型支架螺钉连接，所述飞轮的内圈设有磁钢，所述高速电机定子驱动所述飞轮转动。

优选的，所述方位浮动轴系包括方位轴系、超声电机驱动装置、圆光栅测角装置以及方位浮动装置，所述方位轴系上设有所述圆光栅测角装置，所述超声电机驱动装置设于所述方位轴系的下方，所述方位浮动装置设于所述超声电机驱动装置的下方。