ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ-МАХОВИК СИЛОВОГО МОМЕНТНОГО ГИРОСКОПА С УВЕЛИЧЕННЫМ РЕСУРСОМ РАБОТЫ

Полезная модель относится к электродвигателям-маховикам силовых моментных гироскопов, служащих исполнительными органами систем управления космическими аппаратами.
Известен электродвигатель-маховик силового моментного гироскопа [Patent US 6,305,647 B1 B64G 1/28 «Method and apparatus for steering the attitude of a satellite»], содержащий жестко связанные между собой два маховика с возможностью вращения от электродвигателя вращения маховика, причем маховики установлены с разных сторон подшипникового узла, выполненного на одинарных шарикоподшипниках.
Недостатком такого электродвигателя-маховика является низкая нагрузочная способность подшипникового узла.
Известен электродвигатель-маховик силового моментного гироскопа [Patent US 7,997,157 В2 G01С 19/30 «Control moment gyroscope»], выбранный в качестве прототипа, содержащий вакуумируемую термокамеру, внутри которой в сдвоенных шарикоподшипниках установлен маховик с возможностью вращения от электродвигателя вращения маховика.
-1
h
ВК
НК
ВК
НК
НК
ВК
НК
ВК
ВК
НК
Недостатком такого электродвигателя-маховика является малый ресурс работы, вызванный необходимостью постоянного, стабилизированного вращения маховика с высокой ((2000 - 2400) с) частотой [Patent US 2010/0320330 B64G 1/28 «Control moment gyroscope based momentum control systems in small satellites»]. Соответственно подшипниковые опоры, в которых установлен маховик, должны в течение длительного времени обеспечить поддержание высокой частоты вращения маховика. Долговечность шарикоподшипника, согласно [Бальмонт Б.В., Матвеев В.А. Опоры качения приборов. - М.: Машиностроение, 1984. - с. 37] определяется какгде L - долговечность шарикоподшипника в часах; С - динамическая грузоподъемность шарикоподшипника; Р - динамическая нагрузка на шарикоподшипник; n - частота вращения шарикоподшипника, которая определяется как n=n-n при n>n, или n=n-n при n>n, где n - частота вращения внутреннего кольца шарикоподшипника; n - частота вращения наружного кольца шарикоподшипника.
h
Таким образом, увеличение частоты вращения n при равной динамической нагрузке Р приводит к снижению долговечности шарикоподшипников L. Другим фактором, не позволяющим обеспечить значительную долговечность шарикоподшипников при больших частотах вращения является то, что скоростные шарикоподшипники, обеспечивающие большие допустимые частоты вращения n, обладают гораздо меньшей допустимой динамической грузоподъемностью С, чем низкоскоростные шарикоподшипники, которые обладают большой допустимой динамической грузоподъемностью С, но меньшей допустимой частотой вращения n.
Достигаемым техническим результатом предполагаемой полезной модели является увеличение ресурса работы электродвигателя-маховика при одновременном обеспечении большой нагрузочной способности шарикоподшипниковых опор маховика.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом электродвигателе-маховике опоры маховика содержат четыре одинарных шарикоподшипника, расположенных попарно внутри и снаружи промежуточной втулки, имеющей возможность вращения от электродвигателя вращения промежуточной втулки.
ПВ
М
Предлагаемая полезная модель электродвигателя-маховика силового моментного гироскопа позволяет, по сравнению с прототипом, увеличить ресурс работы за счет уменьшения скорости вращения шарикоподшипников с одновременным увеличением их допустимой динамической грузоподъемности, что достигается расположением двух шарикоподшипников внутри, а двух других снаружи промежуточной втулки, причем внутренние кольца шарикоподшипников, установленных внутри промежуточной втулки, находятся на неподвижной оси, жестко связанной с корпусом термокамеры электродвигателя-маховика, а внешние кольца шарикоподшипников, установленных снаружи промежуточной втулки расположены непосредственно в маховике, а также за счет обеспечения вращения промежуточной втулки от электродвигателя вращения промежуточной втулки с частотой, равной половине частоты вращения маховика n=0,5n- Поскольку направление вращения маховика и промежуточной втулки совпадают, то частота вращения любого отдельно взятого шарикоподшипника не превышает половины частоты вращения маховика, что в свою очередь позволяет обеспечить большую частоту вращения маховика, но применять в опорах маховика низкоскоростные, рассчитанные на половину частоты вращения маховика, шарикоподшипники с большой допустимой динамической грузоподъемностью.
На фиг. изображено меридиональное сечение электродвигателя-маховика силового моментного гироскопа с увеличенным ресурсом работы.
Электродвигатель-маховик состоит из маховика 1, установленного через фланцы 2 в шарикоподшипники 3. Внутренние кольца шарикоподшипников 3, через фланцы 4, 5 жестко связаны с промежуточной втулкой 6. Промежуточная втулка 6 установлена на шарикоподшипники 7, внутренние кольца которых установлены на оси 8. Ось 8 жестко закреплена в щитах 9, 10. Щиты 9, 10 и основание 11 образуют корпус блока электродвигателя-маховика. Таким образом, маховик 1 и промежуточная втулка 6 имеют возможность вращаться относительно неподвижной оси 8, ось симметрии которой совпадает с осью OZ. Статор электродвигателя вращения маховика 12 жестко связан со щитом 10, а его ротор с маховиком 1. Статор электродвигателя промежуточной втулки 13 жестко связан со щитом 9, а его ротор со стаканом 14, который жестко закреплен на промежуточной втулке 6 через фланец 4. Основание 11 соединено вакуумплотными сварными швами с кожухами 15, 16 таким образом, чтобы образовать вакуумируемую термокамеру, внутри которой находятся все детали и узлы электродвигателя-маховика. Откачивание воздуха из термокамеры и ее последующая герметизация производится через штуцер 17. Электропитание и сигналы управления на электродвигатели 12, 13 внутрь термокамеры подаются через герметичные соединители 18, 19. На основании 11 гермокамеры жестко установлены полуоси 20, с помощью которых электродвигатель-маховик устанавливается в подшипники подвеса силового моментного гироскопа и имеет возможность реверсивно вращаться на неограниченный угол вокруг оси ОХ.
М
ПВ
ПВ
М
3
М
ПВ
М
М
М
7
ПВ
М
ПР
У
=
=
Устройство работает следующим образом. Сигналы питания и управления через соединители 18, 19 поступают на электродвигатель вращения маховика 12 и электродвигатель вращения промежуточной втулки 13. Маховик 1 начинает вращаться, разгоняясь до угловой скорости n. Одновременно промежуточная втулка также начинает вращаться в том же направлении, что и маховик, разгоняясь до угловой скорости n. Характеристики электродвигателей 13 и 12 подобраны так, что скорости промежуточной втулки и маховика соотносятся как n 0,5n, поэтому шарикоподшипники 3 вращаются с частотой n=n-n=0,5n, поскольку их наружные кольца вращаются с частотой n, а внутренние с частотой n. Частота вращения шарикоподшипников 7 равна частоте вращения промежуточной втулки n=n 0,5n - Таким образом, частота вращения маховика 1 в два раза больше частоты вращения шарикоподшипников 3, 7. Маховик 1 разгоняется до фиксированной стабильной частоты, при этом вокруг оси OZ создается постоянный по величине и направлению кинетический момент Н. Электродвигатель-маховик имеет возможность реверсивного вращения с угловой скоростью  ω от внешнего привода относительно оси ОХ на неограниченный угол, что приводит к формированию гироскопического управляющего момента M относительно оси OY в соответствии с выражением
У
Управляющий момент M через полуоси 20 передается на корпус силового моментного гироскопа, а через его посадочную плоскость воздействует на космический аппарат.