一種角動量自平衡裝置及方法制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種角動量自平衡裝置及方法，包括外殼和分別固定于外殼內的主軸、行星齒輪機構、增速齒輪機構、電機和平衡輪；所述電機的轉子與主軸固定連接，電機的定子連接外殼，所述行星齒輪機構的一端連接在外殼上，另一端設置于主軸內，所述主軸和行星齒輪機構嚙合并帶動行星齒輪機構的輸出方向與主軸旋轉方向相反，所述行星齒輪機構驅動增速齒輪機構運動，所述增速齒輪機構的輸出軸連接平衡輪。本發明專利技術可以有效的內部自平衡掉整個裝置對外作用時的反作用力所產生的角動量；遵循理論力學和角動量守恒的基本理論，通過計算可以知道調整平衡輪的角動量或調節增速齒輪機構的增速比，可以實現整個裝置的角動量自平衡。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種用于衛星執行機構平衡角動量的裝置，尤其涉及的是一種角動量自平衡裝置及方法。
技術介紹
傳統的衛星載荷通常是一顆衛星載荷一個執行機構，執行機構的姿態調整是通過調整衛星姿態來實現。現代衛星技術的快速發展，對一顆衛星載荷多個執行機構提出了需求。一顆衛星載荷多個執行機構的情況下，其中一個執行機構在進行角速度調整時的反作用角動量會對衛星姿態產生影響，進而會影響到其他執行機構，而且衛星系統是在失重的環境下工作，微小的反作用角動量會產生極大的影響。因此，期望設計一種角動量自平衡機構，在某一執行機構調整角速度時，能夠內部自平衡掉反作用產生的角動量，不至于對其他執行機構產生影響。國內外關于角動量自平衡或者角動量自消除的研究已經取得了一些進展，針對分布式小衛星系統對姿控單元小型化的要求，提出基于軸向磁通電動機的反作用飛輪系統設計方案。參考內模原理擴維方程，設計了最優控制方法進行慣性系的角動量管理。針對傳統平衡角動量方案只能消除轉動體在勻速運行狀態時系統角動量的缺點，在現有技術中介紹了一種利用轉動慣量小、轉速快的轉盤，其瞬時速度對應于轉動體瞬時速度的方法來平衡角動量。控制力矩產生的角動量也可以采用偏置動量輪控和磁控的三軸穩定控制方案消除，也有研制了空間光電跟蹤系統的角動量和其自補償平衡輪，用來降低系統運動對衛星平臺姿態的影響，可以使角動量的輸出減小96％。雖然從不同的方面給出了角動量自平衡的方法及應用，但是，這些方法都是理論上方法，沒有給出具體的設計準則、沒有針對實際機構給出理論力學及角動量守恒上的嚴格理論仿真驗證，也沒有學者給出平衡輪等角動量自平衡系統的具體設計參數。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有技術的不足，提供了一種角動量自平衡裝置及方法，能夠使整個機構的角動量達到自平衡狀態。本專利技術是通過以下技術方案實現的，本專利技術包括外殼和分別設置于外殼內的主軸、行星齒輪機構、增速齒輪機構、電機和平衡輪；所述電機的轉子與主軸固定連接，電機的定子連接外殼，所述行星齒輪機構的一端連接在外殼上，另一端設置于主軸內，所述主軸和行星齒輪機構嚙合并帶動行星齒輪機構的輸出方向與主軸旋轉方向相反，所述行星齒輪機構驅動增 速齒輪機構運動，所述增速齒輪機構的輸出軸連接平衡輪。所述行星齒輪機構包括多個第一行星輪和第一太陽輪，所述主軸的內部設有內齒圈，所述多個第一行星輪依次環繞設置在第一太陽輪的四周，所述多個第一行星輪依次與主軸上的內齒圈相嚙合，所述第一太陽輪連接增速齒輪機構。作為本專利技術的優選方式之一，所述主軸的首端的內部設置內齒圈，所述主軸的末端驅動負載。作為本專利技術的優選方式之一，所述多個第一行星輪和第一太陽輪分別通過傳動軸連接在外殼上。作為本專利技術的優選方式之一，所述第一行星輪有三個，均勻嚙合在第一太陽輪的四周。作為本專利技術的優選方式之一，所述主軸、第一行星輪、第一太陽輪和平衡輪的齒輪半徑分別為R1,R2,R3,R4，其傳動的角速度分別為ω1,ω2,ω3,ω4，自身及其連接部件的總轉動慣量分別為J1,J2,J3,J4，增速齒輪機構的增速比為n， R 1 = 2 R 2 + R 3 ω 1 R 1 = ω 2 R 2 ω 2 R 2 = ω 3 R 3 ω 4 = nω 3 . ]]>所述增速齒輪機構包括第二太陽輪、多個第二行星輪、多個第三行星輪和第三太陽輪；所述行星齒輪機構的輸出軸連接第二太陽輪，所述第二太陽輪通過齒輪嚙合驅動第二行星輪，所述第二行星輪通過傳動軸帶動對應的第三行星輪轉動，所述第三行星輪通過齒輪嚙合驅動第三太陽輪轉動，所述第三太陽輪帶動平衡輪旋轉。一種角動量自平衡方法，包括以下步驟：(1)電機轉子驅動主軸傳動，電子定子連接外殼；(2)主軸的末端帶動負載，首端通過內齒輪帶動行星齒輪機構，實現主軸與行星齒輪機構反向轉動；(3)行星齒輪機構通過增速齒輪機構帶動平衡輪轉動；(4)通過調節平衡輪的質量或調節增速齒輪機構的增速比，實現外殼角速度為零，達到角動量自平衡。在t時刻，電機受到驅動電壓，驅動主軸沿著逆時針方向轉動，電機對外殼的反向轉矩為md(t)，行星齒輪機構的第一行星輪對外殼產生一個反向扭矩為ms(t)，電機驅動主軸一個逆時針方向的作用力F1，該作用同時為反作用力施加在第一行星輪上，第一行星輪又給第一太陽輪一個作用力F2，md(t)與ms(t)方向相反且滿足以下關系： F 1 R 1 = ( m d ( t ) - J 1 dω 1 ( 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種角動量自平衡裝置，其特征在于，包括外殼和分別設置于外殼內的主軸、行星齒輪機構、增速齒輪機構、電機和平衡輪；所述電機的轉子與主軸固定連接，電機的定子連接外殼，所述行星齒輪機構的一端連接在外殼上，另一端設置于主軸內，所述主軸和行星齒輪機構嚙合并帶動行星齒輪機構的輸出方向與主軸旋轉方向相反，所述行星齒輪機構驅動增速齒輪機構運動，所述增速齒輪機構的輸出軸連接平衡輪。

【技術特征摘要】
1.一種角動量自平衡裝置，其特征在于，包括外殼和分別設置于外殼內的主軸、行星齒輪機構、增速齒輪機構、電機和平衡輪；所述電機的轉子與主軸固定連接，電機的定子連接外殼，所述行星齒輪機構的一端連接在外殼上，另一端設置于主軸內，所述主軸和行星齒輪機構嚙合并帶動行星齒輪機構的輸出方向與主軸旋轉方向相反，所述行星齒輪機構驅動增速齒輪機構運動，所述增速齒輪機構的輸出軸連接平衡輪。2.根據權利要求1所述的一種角動量自平衡裝置，其特征在于，所述行星齒輪機構包括多個第一行星輪和第一太陽輪，所述主軸的內部設有內齒圈，所述多個第一行星輪依次環繞設置在第一太陽輪的四周，所述多個第一行星輪依次與主軸上的內齒圈相嚙合，所述第一太陽輪連接增速齒輪機構。3.根據權利要求2所述的一種角動量自平衡裝置，其特征在于，所述主軸的首端的內部設置內齒圈，所述主軸的末端驅動負載。4.根據權利要求2所述的一種角動量自平衡裝置，其特征在于，所述多個第一行星輪和第一太陽輪分別通過傳動軸連接在外殼上。5.根據權利要求2所述的一種角動量自平衡裝置，其特征在于，所述第一行星輪有三個，均勻嚙合在第一太陽輪的四周。6.根據權利要求5所述的一種角動量自平衡裝置，其特征在于，所述主軸、第一行星輪、第一太陽輪和平衡輪的齒輪半徑分別為R1,R2,R3,R4，其傳動的角速度分別為ω1,ω2,ω3,ω4，自身及其連接部件的總轉動慣量分別為J1,J2,J3,J4，增速齒輪機構的增速比為nR1＝2R2+R3ω1R1＝ω2R2ω2R2＝ω3R3。ω4＝nω37.根據權利要求1所述的一種角動量自平衡裝置，其特征在于，所述增速齒輪機構包括第二太陽輪、多個第二行星輪、多個第三行星輪和第三太陽輪；所述行星齒輪機構的輸出軸連接第二太陽輪，所述第二太陽輪通過齒輪嚙合驅動第二行星輪，所述第二行星輪通過傳動軸帶動對應的第三行星輪轉動，所述第三行星輪通過齒輪嚙合驅動第三太陽輪轉動，所述第三太陽輪帶動平衡輪旋轉。8.一種如權利要求1～7任一項所述的一種角動量自平衡方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)電機轉子驅動主軸傳動，電子定子連接外殼；(2)主軸的末端帶動負載，首端通過內齒輪帶動行星齒輪機構，實現主軸與行星齒輪機構反向轉動；(3)行星齒輪機構通過增速齒輪機構帶動平衡輪轉動；(4)通過調節平衡輪的質量或調節增速齒輪機構的增速比，實現外殼角速度為零，達到角動量自平衡。9.根據權利要求8所述的一種角動量自平衡方法，其特征在于，在t時刻，電機受到驅動電壓，驅動主軸沿著逆時針方向轉動，電機對外殼的反向轉矩為md(t)，行星齒輪機構的第一行星輪對外殼產生一個反向扭矩為ms(t)，電機驅動主軸一個逆時針方向的作用力F1，該作用同時為反作用力施加在第一行星輪上，第一行星輪又給第一太陽輪一個作用力F2，md(t)與ms(t)方向相反且滿足以下關系： F 1 R 1 = ( m d ( t ) - J 1 dω 1 ( t ) d t ) ]]> F 2 R 3 = J 3 dω 3 ( t ) d t + J 4 dω 4 ( t ) d t ]]> ( F 1 - F 2 ) R 2 = J 2 dω 2 ( t ) d t ]]>ms(t)＝(F1+F2)(R2+R3)聯立上式可得： m d ( t ) = R 1 R 3 ( J 3 dω 3 ( t ) d t + J 4 dω 4 ( t ) d t ) + R 1 R 2 J 2 dω 2 ...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉丙友，竺長安，楊會成，趙麗，金一，
申請(專利權)人：中國科學技術大學，
類型：發明
國別省市：安徽;34