一种用于皮纳卫星太阳能帆板的双自由度对日定向驱动装置

技术领域

本发明涉及航空航天领域，具体涉及超声电机的优化设计、结构的合理设计以及在皮纳卫星太阳能帆板上的应用。

背景技术

太阳能帆板驱动装置（SADA，Solar Array Drive Assembly），由太阳能帆板驱动机构和太阳能帆板驱动路线组成。其主要功能为：支撑太阳能帆板、驱动太阳能帆板对日定向及在太阳能帆板和飞行器本体之间传递电功率和信号。目前太阳能帆板驱动装置存在的问题有

1）现在大部分的太阳能帆板的驱动装置体积较大、质量较重，因此不能用在皮纳卫星中。

2）目前的太阳能帆板驱动装置的精度偏低，无法满足皮纳卫星对驱动装置的稳定度和精度的需求。

超声电机是一种全新概念的微特电机。它的工作原理是利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频段内微幅振动，并通过定子与转子之间的摩擦作用将其转换成转子(动子)的旋转(直线)运动。超声电机以其体积小、重量轻、环境适应能力强、电磁兼容性好等特点，受到了航空航天从业者的青睐，它可以轻松地胜任昼夜温差大、太阳磁暴、太空辐射等环境，因此是飞行器的理想驱动部件。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种用于皮纳卫星太阳能帆板的双自由度对日定向驱动装置，其目的在于提高针对皮纳卫星的太阳能帆板发电效率，通过在两个正交的平面内安装超声电机实现帆板的两自由度转动，以此跟踪太阳，使得发电效率提高。

本发明的技术方案为：所述双自由度对日定向驱动装置包括用于连接皮纳卫星的底座1、用于连接太阳能帆板的太阳帆板支承结构6以及连接在二者之间的俯仰轴基座3，所述俯仰轴基座3可旋转的连接在底座1上，所述太阳帆板支承结构6可旋转的连接在俯仰轴基座3上；

所述双自由度对日定向驱动装置还包括两个超声电机，两个超声电机分别为偏航轴电机2以及俯仰轴电机4，所述偏航轴电机2的定子连接在底座1上，并且所述偏航轴电机2的转子连接所述俯仰轴基座3；所述俯仰轴电机4的定子连接在俯仰轴基座3上，并且所述俯仰轴电机4的转子连接所述太阳帆板支承结构6。

所述超声电机包括电机定子7以及电机转子8；所述电机定子7包括电机机体10、陶瓷柱11以及一对支承座；

所述电机定子7中的电机机体10采用压电材料-碳纤维复合材料制成；

所述支承座包括L字形的固定座、导向螺栓以及弹簧，所述固定座固定连接在底座1或是俯仰轴基座3上，所述导向螺栓与所述固定座螺纹连接，所述弹簧套接在所述导向螺栓上；

所述电机机体10设在一对支承座之间，并且电机机体10的两侧分别固定连接有导向滑块9，所述导向滑块9空套在导向螺栓上，并且所述弹簧处在导向滑块9和固定座之间，通过导向螺栓以及弹簧为电机机体10提供约束力和预紧力；

所述电机转子8固定连接俯仰轴基座3或是太阳帆板支承结构6；

所述电机机体10朝向电机转子8的一侧表面上开设有一平行于电机转子8轴向的凹槽，所述陶瓷柱11安装在所述凹槽中，并且与电机转子8相接触，通过电机定子7中陶瓷柱11与电机转子8的接触和相互作用力使电机转子8旋转。

所述双自由度对日定向驱动装置还包括两个用于测量超声电机的转子的旋转角度的角位移传感器5。

两个超声电机的转子的轴心正交。

所述底座1、俯仰轴基座3、太阳帆板支承结构6都采用尼龙材料制成，同时，所述底座1和俯仰轴基座3进行镂空处理。

所述底座1上设有第一凸台，所述俯仰轴基座3通过轴承与第一凸台可旋转的相连接，并且俯仰轴基座3和底座1之间留有间隙；

同样的，俯仰轴基座3上设有第二凸台，所述太阳帆板支承结构6通过轴承与第二凸台可旋转的相连接，并且俯仰轴基座3和太阳帆板支承结构6之间也留有间隙。

本发明旨在提高针对皮纳卫星的太阳能帆板发电效率，是一个双自由度对日定向驱动装置，可以实现二维360度转动，该装置通过在两个正交平面内安装超声电机，用轴承将帆板和电机连接来实现帆板的两自由度转动，以此跟踪太阳，使得发电效率提高，在同等能源需求下可大幅减轻太阳能帆板装置重量并且简化皮纳卫星的系统结构。

附图说明

图1是本案的结构示意图，

图2是本案中俯仰轴电机的结构示意图，

图3是本案中偏航轴电机的结构示意图，

图4是本案中超声电机的俯视图，

图5是本案中超声电机的立体图，

图6是本案的实施方式示意图，

图7是本案中电机定子的结构示意图。

图中：1、底座，2、偏航轴电机，3、俯仰轴基座，4、俯仰轴电机，5、角位移传感器，6、太阳帆板支承结构，7、电机定子，8、电机转子，9、导向滑块，10、电机机体，11、陶瓷柱，12、压电陶瓷层，13、碳纤维复合材料层。

具体实施方式

为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。

本发明如图1-7所示，所述双自由度对日定向驱动装置包括用于连接皮纳卫星的底座1、用于连接太阳能帆板的太阳帆板支承结构6以及连接在二者之间的俯仰轴基座3，所述俯仰轴基座3可旋转的连接在底座1上，所述太阳帆板支承结构6可旋转的连接在俯仰轴基座3上，并且上述两个可旋转运动的旋转轴相垂直；

所述双自由度对日定向驱动装置还包括两个超声电机，两个超声电机分别为偏航轴电机2以及俯仰轴电机4，所述偏航轴电机2的定子连接在底座1上，并且所述偏航轴电机2的转子连接所述俯仰轴基座3；所述俯仰轴电机4的定子连接在俯仰轴基座3上，并且所述俯仰轴电机4的转子连接所述太阳帆板支承结构6。这样，即可通过两个超声电机分别驱动俯仰轴基座3及太阳帆板支承结构6旋转，从而实现对太阳能帆板的双自由度旋转驱动。

所述超声电机包括电机定子7以及电机转子8；所述电机定子7包括电机机体10、陶瓷柱11以及一对支承座；

所述电机定子7中的电机机体10采用压电材料-碳纤维复合材料制成，其包括交替堆叠的压电陶瓷层12以及碳纤维复合材料13，以此实现轻量化，降低机构整体的重量；

所述支承座包括L字形的固定座、导向螺栓以及弹簧，所述固定座固定连接在底座1或是俯仰轴基座3上，所述导向螺栓与所述固定座螺纹连接，所述弹簧套接在所述导向螺栓上；

所述电机机体10设在一对支承座之间，并且电机机体10的两侧分别固定连接有导向滑块9，所述导向滑块9空套在导向螺栓上，并且所述弹簧处在导向滑块9和固定座之间，通过导向螺栓以及弹簧为电机机体10提供合适的约束力和预紧力；

所述电机转子8固定连接俯仰轴基座3或是太阳帆板支承结构6；

所述电机机体10朝向电机转子8的一侧表面上开设有一平行于电机转子8轴向的凹槽，所述陶瓷柱11安装在所述凹槽中，并且与电机转子8相接触，通过电机定子7中陶瓷柱11与电机转子8的接触和相互作用力使电机转子8旋转。

具体来说：所述电机机体10外形主要由一个大长方体和两个小长方体组成，大长方体主要决定电机的振动模态，小长方体即为导向滑块，其上钻有光孔，其主要用于支承方式固定电机，电机机体10短边一侧开有圆形凹槽，用于安装陶瓷柱11。陶瓷柱11为圆柱体，胶接到电机机体10的凹槽中。

所述偏航轴电机2和俯仰轴电机4通过螺栓和弹簧固定在电机支承结构上，然后通过螺栓和螺母分别将其固定在底座1或是俯仰轴基座3上，并通过螺栓和弹簧为电机提供合适的约束力和预紧力，通过电机定子的陶瓷柱11与电机转子8的接触和相互作用力使电机正常工作；偏航轴电机2控制底座1和俯仰轴基座3相对旋转即偏航，俯仰轴电机4控制俯仰轴基座3和太阳帆板支承结构6相对旋转即俯仰。

所述双自由度对日定向驱动装置还包括两个用于测量超声电机的转子的旋转角度的角位移传感器5。两个角位移传感器用于测量偏航轴和俯仰轴的角位移，为控制系统提供反馈数据；角位移传感器的针状触头为黄铜镀金材料，两条截面为圆形的电阻丝并联布置，触头在其中滑动，施加在触点上的预压力来自触头上方悬臂梁结构的变形。

太阳能帆板支承结构6通过螺栓与整个装置连接，并通过螺栓与螺母的配合将太阳能帆板固连在双自由度对日定向驱动装置上，传递两自由度的运动。太阳帆板支撑结构由太阳帆板夹持件与太阳帆板支撑件组成。对太阳帆板夹持件，其外形由两部分组成，下半部分主要形状为长方体，设有四个通孔，上半部分为由多个圆形组成的复杂几何体，设有三个通孔，用于夹持太阳帆板。对太阳帆板支撑件，其主要形状为薄壳圆台，设置六个等腰梯形减重孔，上侧设有四个通孔，可穿过普通螺栓与太阳帆板夹持件连接，下侧环形凸台1内侧与轴承外圈外侧胶接，下侧环形凸台2与轴承外圈上侧胶接，起轴向定位作用。

两个超声电机的转子的轴心正交。从而分别提供偏航转动和俯仰转动，所述的俯仰轴基座直接安装在偏航轴电机的转子上的方法避免了额外传动部件的加入，最大程度的使驱动装置更为紧凑化、体积更小。

所述底座1、俯仰轴基座3、太阳帆板支承结构6都采用适合快速成型加工的尼龙材料制成，同时，所述底座1和俯仰轴基座3将不必要的部分进行镂空处理，从而可以最大化的减轻驱动装置的整体质量。

底座1的外形特征为：主要形状为八边形板，钻有四个通孔用于连接到星体内部，所述底座1上设有第一凸台，所述俯仰轴基座3通过轴承与第一凸台可旋转的相连接，并且俯仰轴基座3和底座1之间留有间隙；从而防止摩擦。

同样的俯仰轴基座3上设有第二凸台，所述太阳帆板支承结构6通过轴承与第二凸台可旋转的相连接，并且俯仰轴基座3和太阳帆板支承结构6之间也留有间隙；从而防止摩擦。

具体来说：俯仰轴基座3的外形特征为：主要由一块圆柱体和一块带圆角长方体组成，圆柱体部分用于与偏航轴轴承连接，长方体部分用于与俯仰轴轴承连接。

本发明应用可在航空航天领域中，应用压电陶瓷-碳纤维复合材料的超声电机去驱动皮纳卫星太阳能帆板，充分发挥超声电机长时间低速运转以及碳纤维复合材料质量轻等优势。

本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。