一种中空超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺的制作方法

本发明涉及空间机动平台实现快速机动任务的航天执行机构，尤其涉及一种中空超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺。

背景技术

中小型卫星具有重量轻、体积小、可快速发射、在轨敏捷机动等特点。小型单框架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，以及单框架控制力矩陀螺以多组出现，要求单框架控制力矩陀螺体积小、重量轻，有满足卫星敏捷激动需求的力矩输出能力，现有的单框架控制力矩陀螺尚不能达到要求。

框架式控制力矩陀螺的优点是可以实现模块化设计，低速组件和高速组件均可单独设计并进行测试，而且高速组件可以借鉴现有的成熟的飞轮技术，结构紧凑，可靠度高。

超声电机是一种新型电机，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、无电磁干扰等优点。采用超声电机驱动的框架式控制力矩陀螺可以实现稳定的力矩输出，频带较宽且响应快，在航空航天领域有着广泛的应用前景。

但是，超声电机的输出性能受定转子之间预压力的影响较大，现有的控制力矩陀螺平台均未考虑输出力矩分量对电机输出性能的影响从而导致的整机输出力矩的影响。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种中空超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种中空超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺，包含框架、动量轮、定子、定子线圈、第一至第四轴承、底座、编码器和中空超声电机；

所述框架包含u型支架和轴部，其中，所述u形支架包含两个相互平行的侧板和连接两个侧板的底板；所述轴部的上端面和u形支架底板的中心处固连，所述轴部用于带动u型支架旋转；

所述动量轮为横截面呈工字型的飞轮，其转轴两端分别通过第一轴承、第二轴承和所述u形支架的两个侧板对应连接，使得所述动量轮能够在u形支架内转动；

所述定子呈圆环状，定子套在所述动量轮的转轴外、和u形支架的一个侧板固定相连，定子和动量轮同轴设置；

所述定子线圈缠绕在定子上；

所述动量轮轮辋的内壁上均匀设有若干磁钢；

所述底座上设有供所述框架轴部穿过的通孔；

所述框架轴部通过第三轴承、第四轴承和所述底座的通孔相连，其中，第三轴承、第四轴承的外圈和所述底座的通孔固连，第三轴承、第四轴承的内圈和所述框架的轴部固连；

所述编码器的转子部分和所述底座固连、定子部分和所述框架轴部固连，用于测量所述框架轴部的转速；

所述中空超声电机固定在所述底座上，其转子和所述框架轴部的下端面固连，用于驱动所述框架轴部转动。

作为本发明一种中空超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺进一步的优化方案，所述u型支架的两个侧板上分别设有第一轴承套、第二轴承套，分别用于对第一轴承、第二轴承的外圈进行轴向定位。

作为本发明一种中空超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺进一步的优化方案，所述磁钢的数量为14片。

作为本发明一种中空超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺进一步的优化方案，所述中空超声电机的转子通过柔性连接件和所述框架轴部的下端面连接，所述柔性连接件采用柔性材料制成，用于消除动量轮所产生的输出力矩分量对中空超声电机定转子间预压力的影响。

作为本发明一种中空超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺进一步的优化方案，所述柔性连接件呈圆环状，其上均匀设有四个扇形通孔，并设有四个用于和所述中空超声电机转子相连的螺栓通孔、四个用于和所述框架轴部下端面相连的螺栓通孔。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明将高速组件主壳体、低速框架、低速转轴一体化，结构简单可靠，一次装夹完成所有工序，便于提高零部件精度，同轴度高；

2.本发明将高速电机的转子与动量轮合二为一，减小了由于安装误差导致的振动与力矩输出的波动；

3.本发明的结构简化了整机的高度，降低了质量；柔性连接机构的出现解决了安装拆卸与结构振动的矛盾，并有效减少了输出力矩分量对超声电机性能的影响；且整机结构紧凑，安装简单，避免了由于过多零件与连接件所可能导致的问题。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的侧视图；

图3为本发明的内部剖视图；

图4为本发明的柔性连接件图；

图中，1-动量轮，2-定子，3-定子安装架，4-第一轴承套，5-第一深沟球轴承，6-第二轴承套，7-第二深沟球轴承，8-第三深沟球轴承，9-底座，10-第四深沟球轴承，11-编码器，12-中空超声电机，13-u型支架，14-轴部，15-柔性连接件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1、图2、图3所示，本发明公开了一种中空超声电机驱动的小型框架式控制力矩陀螺，包含框架、动量轮、定子、定子线圈、第一至第四轴承、底座、编码器和中空超声电机；

所述框架包含u型支架和轴部，其中，所述u形支架包含两个相互平行的侧板和连接两个侧板的底板；所述轴部的上端面和u形支架底板的中心处固连，所述轴部用于带动u型支架旋转；

所述动量轮为横截面呈工字型的飞轮，其转轴两端分别通过第一轴承、第二轴承和所述u形支架的两个侧板对应连接，使得所述动量轮能够在u形支架内转动；

所述定子呈圆环状，定子套在所述动量轮的转轴外、和u形支架的一个侧板固定相连，定子和动量轮同轴设置；

所述定子线圈缠绕在定子上；

所述动量轮轮辋的内壁上均匀设有若干磁钢；

所述底座上设有供所述框架轴部穿过的通孔；

所述框架轴部通过第三轴承、第四轴承和所述底座的通孔相连，其中，第三轴承、第四轴承的外圈和所述底座的通孔固连，第三轴承、第四轴承的内圈和所述框架的轴部固连；

所述编码器的转子部分和所述底座固连、定子部分和所述框架轴部固连，用于测量所述框架轴部的转速；

所述中空超声电机固定在所述底座上，其转子和所述框架轴部的下端面固连，用于驱动所述框架轴部转动。

所述u型支架的两个侧板上分别设有第一轴承套、第二轴承套，分别用于对第一轴承、第二轴承的外圈进行轴向定位。

所述磁钢的数量优先设置为14片。

所述中空超声电机的转子还可以进一步通过柔性连接件和所述框架轴部的下端面连接，所述柔性连接件采用柔性材料制成，用于消除动量轮所产生的输出力矩分量对中空超声电机定转子间预压力的影响。

如图4所示，所述柔性连接件呈圆环状，其上均匀设有四个扇形通孔，并设有四个用于和所述中空超声电机转子相连的螺栓通孔、四个用于和所述框架轴部下端面相连的螺栓通孔。

中空超声电机的转子通过柔性连接机构与u型框架的轴部进行连接，并带动框架旋转。由于柔性结构在切向方向上存在较大的刚度，可以有效减小便于拆卸安装所带来的结构振动的问题。由于中空超声电机的性能受定转子间的预压力影响较大，动量轮的输出力矩在中空超声电机法向方向上的分量会对中空超声电机的预压力产生影响，从而导致中空超声电机性能发生变化。柔性连接件在法向刚度上的柔性有助于消除动量轮所产生的输出力矩分量对中空超声电机定转子间预压力的影响，有助于提高控制力矩陀螺中使用的中空超声电机的性能，提高控制离力矩陀螺的输出精度。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。