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1、10申请公布号CN104075700A43申请公布日20141001CN104075700A21申请号201410298826022申请日20140626G01C19/02200601G01C19/0820060171申请人北京控制工程研究所地址100080北京市海淀区北京2729信箱72发明人吴金涛赵雷伏蓉张激扬武登云卿涛魏大忠王全武周刚罗睿智74专利代理机构中国航天科技专利中心11009代理人安丽54发明名称一种小型变速控制力矩陀螺57摘要本发明公开了一种小型变速控制力矩陀螺，属于控制力矩陀螺技术领域。包括高速组件、连接支架和低速组件。高速组件在控制力矩陀螺模式下提供恒定的角动量，在飞轮模。
2、式下输出整星姿态控制所需的精细力矩。连接支架用于连接高速组件和低速组件，并保证角动量方向和框架轴方向的正交垂直。低速组件为高速组件和连接支架提供支承，并提供整星的安装接口；在控制力矩陀螺模式下产生整星快速机动所需的同时正交于角动量方向和框架轴方向的大力矩；在飞轮模式下将高速组件输出的精细力矩传递给整星用于姿态控制。本发明的变速控制力矩陀螺实现了高精度的框架锁定，整机的小型化、轻量化和高刚度，适合于敏捷小卫星的应用。51INTCL权利要求书1页说明书5页附图3页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图3页10申请公布号CN104075700ACN1040757。
3、00A1/1页21一种小型变速控制力矩陀螺，其特征在于包括高速组件1、连接支架2和低速组件3，高速组件1和低速组件3通过连接支架2连接；高速组件1包括壳体组件11、高速电机组件、轮体13以及高速轴承组件14；高速电机组件包括高速电机转子部分121和高速电机定子部分122，高速电机定子部分122安装在壳体组件11上；高速电机转子部分121与轮体13共同构成高速转子组件17；高速转子组件17由高速轴承组件14支承，用于提供角动量所需的转动惯量；高速轴承组件14安装在壳体组件11上；低速组件3包括低速轴承组件31、框架电机32、电传输装置33、测角装置34、测角装置锁紧螺母35、电传输装置限位板36。
4、以及防尘板37；低速轴承组件31包括低速座套311、外隔圈312、内隔圈313、一对面对面安装的角接触球轴承314以及低速主轴315；低速主轴315为中空圆柱体，位于低速座套311的内部，其一端与连接支架2固定连接；低速座套311与星体固定连接；一对面对面安装的角接触球轴承314位于低速座套311与低速主轴315之间，并通过外隔圈312和内隔圈313间隔开；框架电机32位于低速座套311的内部，框架电机32套在低速主轴315外圆周上，驱动低速主轴315绕框架轴5旋转或锁定在某角度；测角装置34位于低速座套311的底部，并与框架轴5同轴，测角装置34包括测角装置转子部分341和测角装置定子部分3。
5、42，测角装置转子部分341通过测角装置锁紧螺母35与低速主轴315连接，测角装置定子部分342通过螺钉与低速座套311连接；电传输装置33位于低速主轴315的内部，与低速主轴315同轴；电传输装置33包括电传输装置转子部分332和电传输装置定子部分331，电传输装置转子部分332通过螺钉与低速主轴315连接，电传输装置定子部分331通过电传输装置限位板36与测角装置定子部分342连接；防尘板37安装在低速座套311上。2根据权利要求1所述的一种小型变速控制力矩陀螺，其特征在于所述高速电机转子部分121与轮体13一体化设计为高速转子组件17。3根据权利要求1或2所述的一种小型变速控制力矩陀螺，。
6、其特征在于所述连接支架2外形为半锥体，且在框架轴5的方向上设计有多根加强筋23，并有多处减重腔体22。4根据权利要求1或2所述的一种小型变速控制力矩陀螺，其特征在于所述高速组件1与连接支架2连接后的质心位于框架轴5上。5根据权利要求1或2所述的一种小型变速控制力矩陀螺，其特征在于所述低速轴承组件31的低速座套311、外隔圈312、内隔圈313以及低速主轴315均采用高体分铝基复合材料。6根据权利要求1或2所述的一种小型变速控制力矩陀螺，其特征在于所述框架电机32采用大中空结构的旋转行波型超声电机，电传输装置33采用导电环组件，测角装置34采用绝对零位式圆感应同步器组件。7根据权利要求1或2所述。
7、的一种小型变速控制力矩陀螺，其特征在于所述低速座套311与星体固定连接的方式有两种通过底面38与星体连接，或通过侧面设计的侧筋39与星体连接。权利要求书CN104075700A1/5页3一种小型变速控制力矩陀螺技术领域0001本发明涉及一种小型变速控制力矩陀螺，属于空间执行机构领域。背景技术0002航天器姿态控制系统中常用的惯性执行部件有飞轮和控制力矩陀螺。飞轮是一种转子转速可变的姿态控制执行机构，输出分辨率高但力矩量值较小，常用于航天器姿态的高精度稳定控制；控制力矩陀螺是转子转速恒定通过框架转动改变转子角动量方向来输出力矩的姿态控制执行机构，输出分辨率较低但力矩量值较大，并存在控制律奇异问题。
8、。变速控制力矩陀螺即转子转速可变的单框架控制力矩陀螺，变速控制力矩陀螺集合了控制力矩陀螺大的力矩输出和飞轮高的力矩输出精度的优点，因此，采用变速控制力矩陀螺可以较好的解决卫星快速、大角度机动与稳态附近的高姿态稳定度之间的矛盾。在快速机动时，主要由框架角变化提供很大的控制力矩，此时为控制力矩陀螺工作模式；在稳态附近通过转子转速变化提供高精度控制力矩，框架角不再发生变化，此时为飞轮工作模式。采用变速控制力矩陀螺除了上述优点外，可以进一步保证陀螺群在奇异状态下更好的可控性并减小框架构型接近奇异时输出力矩与期望力矩的误差以及以用变速控制力矩陀螺转子的高速旋转及变速特性还能同时完成能量的存储释放。000。
9、3由于飞轮和控制力矩陀螺不同的应用特点,在航天器实际应用中也采取了不同的配置方式，高稳定度平台常采用飞轮产品，快速机动平台采用控制力矩陀螺产品，既要快速机动又要高稳定度的平台同时采用飞轮和控制力矩陀螺产品。俄罗斯多颗遥感大平台卫星采用了飞轮和控制力矩陀螺产品混合配置的姿态控制系统，但对于敏捷小卫星来说，重量、功耗、体积的限制无法采用该混合配置方式，此时变速控制力矩陀螺系统是其姿态控制系统的最佳配置。0004变速控制力矩陀螺并非简单的将常规控制力矩陀螺实现转子转速可变速即可。由于控制力矩陀螺转子转速恒定，可通过精密动平衡实现工作转速的高精度的不平衡量校正，即便通过框架轴放大后力矩噪声也在可接受范。
10、围内。当转子具有转速可变功能时，即便进行多个转速点恒速时的不平衡量校正，其力矩噪声在宽转速范围如06000R/MIN内也较大；若此时再通过框架轴放大后力矩噪声将更大，对航天器姿态控制精度和稳定度带来不利影响。因此，变速控制力矩陀螺相对于常规控制力矩陀螺要实现更高精度的框架锁定。目前文献CONTROLMOMENTGYROFORATTITUDECONTROLOFASPACECRAFTPUBNOUS2005/0109135A1和一种悬臂式控制力矩陀螺ZL2010201543820公开的单框架控制力矩陀螺是典型的小型控制力矩陀螺，其框架锁定采用非接触式电磁电机，框架角锁定精度一般在40“左右。文献一种。
11、机电一体化变速控制力矩陀螺CN102901492也没有描述如何实现高精度的框架锁定这一关键技术。0005由于变速控制力矩陀螺或控制力矩陀螺系统较飞轮复杂，体积、重量和功耗等都大于飞轮，应用于敏捷小卫星时产品的轻小型化也是研制追求的目标。说明书CN104075700A2/5页4发明内容0006本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种小型变速控制力矩陀螺，具有较高的框架锁定精度，产品体积小、重量轻、散热好，可用于敏捷小卫星的高精度姿态控制和快速机动。0007本发明的技术解决方案是一种小型变速控制力矩陀螺，包括高速组件、连接支架和低速组件，高速组件和低速组件通过连接支架连接；0008高速组。
12、件包括壳体组件、高速电机组件、轮体以及高速轴承组件；高速电机组件包括高速电机转子部分和高速电机定子部分，高速电机定子部分安装在壳体组件上；高速电机转子部分与轮体共同构成高速转子组件；高速转子组件由高速轴承组件支承，用于提供角动量所需的转动惯量；高速轴承组件安装在壳体组件上；0009低速组件包括低速轴承组件、框架电机、电传输装置、测角装置、测角装置锁紧螺母、电传输装置限位板以及防尘板；低速轴承组件包括低速座套、外隔圈、内隔圈、一对面对面安装的角接触球轴承以及低速主轴；低速主轴为中空圆柱体，位于低速座套的内部，其一端与连接支架固定连接；低速座套与星体固定连接；一对面对面安装的角接触球轴承位于低速座。
13、套与低速主轴之间，并通过外隔圈和内隔圈间隔开；框架电机位于低速座套的内部，框架电机套在低速主轴外圆周上，驱动低速主轴绕框架轴旋转或锁定在某角度；测角装置位于低速座套的底部，并与框架轴同轴，测角装置包括测角装置转子部分和测角装置定子部分，测角装置转子部分通过测角装置锁紧螺母与低速主轴连接，测角装置定子部分通过螺钉与低速座套连接；电传输装置位于低速主轴的内部，与低速主轴同轴；电传输装置包括电传输装置转子部分和电传输装置定子部分，电传输装置转子部分通过螺钉与低速主轴连接，电传输装置定子部分通过电传输装置限位板与测角装置定子部分连接；防尘板安装在低速座套上。0010所述高速电机转子部分与轮体一体化设计。
14、为高速转子组件。0011所述连接支架外形为半锥体，且在框架轴的方向上设计有多根加强筋，并有多处减重腔体。0012所述高速组件与连接支架连接后的质心位于框架轴上。0013所述低速轴承组件的低速座套、外隔圈、内隔圈以及低速主轴均采用高体分铝基复合材料。0014所述框架电机采用大中空结构的旋转行波型超声电机，电传输装置采用导电环组件，测角装置采用绝对零位式圆感应同步器组件。0015所述低速座套与星体固定连接的方式有两种通过底面与星体连接，或通过侧面设计的侧筋与星体连接。0016本发明与现有技术相比的优点在于00171本发明中，高速电机组件转子与常用于提供转动惯量的轮体采用一体化设计，提高了转动部分的。
15、转动惯量/质量比，相同转动惯量实现了轻量化；一体化设计简化了原有高速电机组件转子与轮体之间螺钉连接，可靠性更高；并减小了原有螺钉连接在力学试验后高速电机组件转子与轮体之间相对位置发生变化导致的不平衡量增加，提高了飞轮模式下的性能；转动部分质心位于高速轴承组件的一对角接触轴承连线的中心位置；使得转子工作时的离心力大小相等的作用在一对轴承上，高速轴承组件运行性能更加稳定。说明书CN104075700A3/5页500182本发明中连接支架在框架轴方向设计有多根加强筋，且为锥面外形，并有多处减重腔体，实现了连接支架较高的弯曲的刚度，提高了整机一阶固有频率，同时减轻了连接支架的重量。00193本发明中，。
16、高速组件与连接支架的质心位于框架轴的轴线上，减少了框架电机驱动高速组件和连接支架绕框架轴转动时由于偏心导致的附加扰动力矩，提高了框架电机的力矩裕度，同时可实现更高精度的框架转速控制和转速稳定度控制。00204本发明中框架电机采用旋转行波型超声电机，可实现断电大力矩自锁定，较电磁电机非接触式加电锁定，锁定精度更高，且不消耗能源；大中空结构的电机结构与低速轴承组件的轴承串联位置安装，更大直径位置锁定刚度更高，电传输装置可穿过框架电机，低速组件的轴向尺寸更短，重量更轻。00215本发明中低速主轴、内隔圈、外隔圈、低速座套均采用与轴承钢线膨胀系数相近的高体分铝基复合材料。较文献CONTROLMOMEN。
17、TGYROFORATTITUDECONTROLOFASPACECRAFT所要求的钛合金材料密度降低约35、热导率提高约20倍、线膨胀系数更接近轴承钢，在高低温下低速轴承组件温度更均匀，散热更好，性能更加稳定，且大幅度实现了轻量化。00226本发明中低速组件提供2组与星体的安装接口，增强了变速控制力矩陀螺在整星应用的便利性，简化了产品在整星的安装支架；侧筋安装可提高产品的固有频率。附图说明0023图1为本发明一种小型变速控制力矩陀螺示意图，其中1A为本发明一种小型变速控制力矩陀螺的主视图；1B为本发明一种小型变速控制力矩陀螺的右视图；0024图2为本发明一种小型变速控制力矩陀螺高速组件的剖视图；。
18、0025图3为本发明一种小型变速控制力矩陀螺连接支架示意图，其中3A为本发明一种小型变速控制力矩陀螺连接支架的主视图；3B为本发明一种小型变速控制力矩陀螺连接支架的右视图；0026图4为小型变速控制力矩陀螺低速组件的剖视图。具体实施方式0027下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。0028如图1所示，本发明一种小型变速控制力矩陀螺包括高速组件1、连接支架2和低速组件3。其中1A为本发明一种小型变速控制力矩陀螺的主视图。1B为本发明一种小型变速控制力矩陀螺的右视图，高速组件1与连接支架2的质心位于框架轴的轴线5上。0029如图2所示，高速组件1主要由壳体组件11、高速电机组件、轮体13、高速。
19、轴承组件14等组成。H矢量轴方向为穿过高速电机组件、高速转子组件13、高速轴承组件14的回转轴方向。高速电机组件包括高速电机转子部分121和高速电机定子部分122，高速电机组件通过高速电机定子部分122安装在壳体组件11上；高速电机转子部分121包括内转子和外转子与轮体13一体化设计为高速转子组件17；高速转子组件17由高速轴承组件14支承，高速转子组件17用于提供角动量所需的转动惯量；高速转子组件17质心位于高速轴承组件14一对角接触轴承中心线16与H矢量轴4的相交位置。高速电机组件定子部说明书CN104075700A4/5页6分122与高速轴承组件14同轴安装至壳体组件11。壳体组件11通。
20、过6个螺纹孔与连接支架2的通孔21相连接。高速组件1在控制力矩陀螺模式下通过高速电机组件驱动高速转子组件17以额定转速绕H矢量轴4运转，提供恒定的角动量；在动量轮模式下，高速电机组件驱动高速转子组件17以变化的转速工作产生沿H矢量轴4的控制力矩。0030图3为本发明一种小型变速控制力矩陀螺连接支架示意图。如图3A所示，连接支架2通过6个通孔21与高速组件1连接，通过底面24与低速组件连接。在框架轴方向设计有多个减重腔体22和多根加强筋23。如图3B所示，连接支架2为锥面外形25。0031如图4所示，低速组件3包括低速轴承组件31、框架电机32、电传输装置33、测角装置34、测角装置锁紧螺母35。
21、、电传输装置限位板36和低速组件防尘板37。低速轴承组件31包括低速座套311、外隔圈312、内隔圈313、一对面对面安装的轻系列角接触球轴承314以及低速主轴315；低速主轴315为中空圆柱体，其一端与连接支架2固定连接，另一端插入低速座套311的内部；低速座套311与星体固定连接；一对面对面安装的角接触球轴承314位于低速座套311与低速主轴315之间，并通过外隔圈312和内隔圈313间隔开；低速座套311、外隔圈312、内隔圈313、低速主轴315均采用与轴承钢线膨胀系数相近的高体分铝基复合材料。框架电机32采用新型大中空结构的旋转行波型超声电机，与低速轴承组件31同轴且串联安装；框架电。
22、机32套在低速主轴315外圆周上，可驱动低速主轴315绕框架轴5旋转或锁定在某角度位置。电传输装置33采用导电环组件，位于低速主轴315的内部，与所述低速主轴315同轴，并与一对面对面安装的角接触球轴承314、框架电机32并联安装，电传输装置33包括电传输装置转子部分332和电传输装置定子部分331，电传输装置转子部分332通过螺钉与低速主轴315连接，电传输装置定子部分331通过电传输装置限位板36与测角装置34的测角装置定子部分342连接。测角装置34采用新型绝对零位式圆感应同步器组件，位于低速座套311的内部，与电传输装置33串联安装，包括测角装置转子部分341和测角装置定子部分342，。
23、测角装置转子部分341通过测角装置锁紧螺母35与低速主轴315连接，测角装置定子部分342通过螺钉与低速座套311连接。低速组件防尘板37安装在低速座套311上。0032低速组件3提供2组与星体的安装接口，可通过低速座套311底面38安装或侧筋39安装。0033本发明的工作原理为0034在控制力矩陀螺模式下，高速电机组件驱动高速转子组件17以额定转速绕H矢量轴4运转，提供恒定的角动量；在飞轮模式下，高速电机组件驱动高速转子组件17以变化的转速工作，产生沿H矢量轴4的控制力矩。连接支架2用于连接高速组件1和低速组件3，并保证角动量方向和框架轴方向的正交垂直。低速轴承组件31为高速组件1和连接支架。
24、2提供支承，并提供整星的安装接口；框架电机32驱动低速组件3旋转或锁定在任意角度位置；电传输装置33为高速组件1的高速电机组件12及高速转子组件17得以旋转传递电流及电信号；测角装置34提供高精度的角位置信息，用于低速组件3高精度的定角锁定及高精度的转速控制。低速组件3在控制力矩陀螺模式下驱动高速组件1绕框架轴5旋转，从而产生整星快速机动所需的同时正交于H矢量轴4和框架轴5方向的大力矩；在飞轮模式下低速组件3锁定于所需的角度位置，将高速组件1输出的精细力矩传递给整星用于姿态控制。说明书CN104075700A5/5页70035本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。说明书CN104075700A1/3页8图1图2说明书附图CN104075700A2/3页9图3说明书附图CN104075700A3/3页10图4说明书附图CN104075700A10。