[LT] Šiuo aprašymu pateikiamas techninis sprendimas skirtas mažų kosminių erdvėlaivių orientavimui, pasukimui, nukreipimui erdvėje. Pateikiamas įrenginys, kurio veikimas pagrįstas pjezoelektriniu efektu. Įrenginį sudaro mechaninė dalis ir elektrinė dalis. Įrenginio veikimo principo esmę sudaro nustatytų elektros signalų veikiamų pjezoelementų kuriami virpesiai, kurie generuoja ir perduoda judesį rutulio formos magnetui (rotoriui), turinčiam vieną porą (šiaurės ir pietų) polių. Parinkta pjezoelektrinių keitiklių forma ir padėtis rotoriaus atžvilgiu leidžia reikiama kryptimi pasukti rotorių apie jo centrą. Įrenginys pasižymi itin didele precizinio pozicionavimo skyra ir greitaveika, efektyviai vartojama elektros energija, nesudėtinga konstrukcija, nėra guolinių mazgų (dėl ko padidėja veikimo patikimumas). Įrenginys užima nedaug vietos, todėl nesudėtingai pritaikomas mažų ir nano- erdvėlaivių nukreipimui. Įrenginio laikančios, korpuso konstrukcijos paprastai integruojamos į erdvėlaivio konstrukciją. Įrenginys negeneruoja elektromagnetinio triukšmo.
[EN] This description provides a technical solution for orienting, turning and positioning in the space of small spacecrafts. A device is provided, which operation is based on the piezoelectric effect. The device comprises a mechanical part and an electrical part. The principle of the device's operation consists of vibrations created by preset electrical signals, affecting piezoelectric elements. The vibrations generate and transmit the motion to a spherically shaped magnet (rotor) having one pair of poles (north and south). The shape and the position of the piezoelectric transducers relative to the rotor allow the rotor to be rotated around its center to the required direction. The device is characterized by extremely high precision positioning resolution and speed, efficient electric energy consumption, uncomplicated construction, no bearing junctions are present (which increases the reliability of operation). The device occupies a small space, making it easy to apply for positioning of small and nano-spacecrafts. The device’s holding, case structures are easilly integrated into the spacecraft structure. The device does not generate an electromagnetic noise.
[0001] TECHNIKOS SRITIS
[0002] Išradimas priskiriamas pjezoelektrinių pavarų sričiai, o konkrečiai, pjezoelektrinio elemento panaudojimas magnetinio rotoriaus pasukimui. Aprašomas įrenginys gali būti naudojamas mažų objektų orientavimui erdvėje, mažų, nano-tipo palydovų orientavimo ir pozicionavimo sistemose, kai palydovas yra kosmose ir panašiai.
[0003] TECHNIKOS LYGIS
[0004] Yra žinomas įrenginys, kuriame nuolatinis magnetas yra sumontuotas šarnyrinėje sistemoje su elektromechanine pavara, leidžiančioje keisti magneto kampinę padėtį erdvėje. Norint pakeisti nanopalydovo orientaciją ar pozicionuoti jį erdvėje, sukami elektros varikliai, kurie atitinkamai pasuka nuolatinį magnetą. Tokiu būdu, palydovas veikiamas Žemės magnetinio lauko ir tinkamos nuolatinio magneto orientacijos, yra pakreipiamas norima kryptimi (Rex A. Bair. Gimbaled Permanent Magnet-Based Attitude Control for Pico/Nano Satellites, The University of Arkansas, USA, 2011). Tokia sistema užima daug vietos. Lyginant su nuolatiniu magnetu, elektros varikliai, ašys, pasukimo mechanizmai, jutikliai ir korpusas užima didžiausią dalį viso įrenginio tūrio. Atitinkamai, didėjant įrenginio gabaritams, didėja ir jo masė, o tai blogina tokios palydovų orientavimo ir pozicionavimo sistemos efektyvumą.
[0005] Dokumente US5476018 (publikuotas 1995 gruodžio mėn. 19d.) pateikiamas įrenginys su elektromagnetine pavara, kuriame varomąjį judesį atlieka magnetiniai laukai, sukantys sferinį rotorių. Sistemos veikimas pagristas tuo, kad sferinis rotorius yra įtaisytas į rėmą, o aplink jį išstatyti elektromagnetai. Kuriamas valdomas magnetinis laukas suka rotorių norima kryptimi. Taip kuriamas mechaninis, giroskopo principu veikiantis, momentas. Nurodytame įrenginyje rotorius yra išstatomas naudojant sferinius hidrostatinius guolius. Veikiant tokiam įrenginiui, reikia daug energijos bei kyla nemažai elektromagnetinio triukšmo. Tokias pavaras yra sudėtinga integruoti mažuose tūriuose, todėl jas dėl vietos ir energetinių resursų komplikuota naudoti mažuosiuose palydovuose.
[0006] Apibendrinus aukščiau pateiktus technikos lygio dokumentus, galima išskirti tokius trūkumus:
[0007] - įrenginiui veikti naudojama daug elektros energijos, įrenginys nėra energiškai efektyvus,
[0008] - įrenginys generuoja daug elektromagnetinio triukšmo,
[0009] - įrenginį sudėtinga, beveik neįmanoma pritaikyti mažuose įrenginiuose, pvz., nanopalydovuose,
[0010] - sudėtinga, iš daugelio komponentų sudaryta sistema, dėl ko mažėja efektyvumas, patikimumas.
[0011] Šiame aprašyme pateikiamas techninis sprendimas neturi aukščiau išvardintų trūkumų.
[0012] IŠRADIMO ESMĖ
[0013] Šiuo aprašymu pateikiamas techninis sprendimas skirtas mažų kosminių erdvėlaivių orientavimui, pasukimui, nukreipimui erdvėje. Pateikiamas įrenginys, kurio veikimas pagrįstas pjezoelektriniu efektu. Įrenginį sudaro mechaninė dalis ir elektrinė dalis. Įrenginio veikimo principo esmę sudaro nustatytų elektros signalų veikiamų pjezoelementų kuriami virpesiai, kurie generuoja ir perduoda judesį rutulio formos magnetui (rotoriui), turinčiam vieną porą (šiaurės ir pietų) polių. Parinkta pjezoelektrinių keitiklių forma ir padėtis rotoriaus atžvilgiu leidžia reikiama kryptimi pasukti rotorių apie jo centrą.
[0014] Įrenginys pasižymi itin didele precizinio pozicionavimo skyra ir greitaveika, efektyviai vartojama elektros energija, nesudėtinga konstrukcija, nėra guolinių mazgų (dėl ko padidėja veikimo patikimumas). Įrenginys užima nedaug vietos, todėl nesudėtingai pritaikomas mažų ir nano-erdvėlaivių nukreipimui. Įrenginio laikančios, korpuso konstrukcijos nesudėtingai integruojamos į erdvėlaivio konstrukciją. Įrenginys negeneruoja elektromagnetinio triukšmo.
[0015] TRUMPAS BRĖŽINIŲ APRAŠYMAS
[0016] 1 pav. vaizduoja pjezolektrinio įrenginio principinę sandaros schemą.
[0017] 2 pav. vaizduoja pjezokeitiklį su elastiniais tarpikliais ir atraminiais elementais bei jo valdymo schemą.
[0018] Skaičiais paveiksluose pažymėta:
[0019] 1 - elastinis tarpiklis; 2 - pjezoelektrinis keitiklis (pjezokeitiklis); 3 - rotorius; 4 - atraminis elementas; 5 - jungė; 6 - pjezokeitiklio nepadalintas elektrodas; 7 - pjezokeitiklio į 3 lygius segmentus kas 120° padalintas elektrodas; 8 – varžtas, 9 - elektrodo padalinimo vietos; 10 - signalų generatorius; 11 - valdymo blokas.
[0020] TINKAMIAUSI ĮGYVENDINIMO VARIANTAI
[0021] Išradimo tikslas - sukurti nuolatinio magneto sukimo erdvėje pavarą, kurios pagalba būtų galima pozicionuoti ir orientuoti nano-tipo palydovą kosmose. Taip pat ši sistema turi neskleisti elektromagnetinio triukšmo. Tokios pavaros privalumai: aukšta skyra ir greitaveika, paprasta konstrukcija.
[0022] Išradimo tikslas pasiekiamas tuo, kad pjezoelektriniame įrenginyje, susidedančiame iš mechaninės ir elektrinės dalies, rutulio formos nuolatinio magneto rotorius yra patalpintas tarp dviejų pjezoelektrinių žiedų, suteikiančių rotoriui sukamąjį judesį ir leidžiančių keisti jo kampinę padėtį erdvėje.
[0023] Mechaninę įrenginio dalį sudaro:
[0024] - rotorius (3) - magnetinis rutulys turintis vieną porą (šiaurės ir pietų) polių,
[0025] - statorius, kurį sudaro du žiedo formos pjezoelektriniai keitikliai (2), tarp kurių talpinamas rotorius (3), keitikliai (2) išdėstyti priešingose rotoriaus (3) pusėse,
[0026] - korpusas, kurį sudaro jungė (5) ir varžtai (8),
[0027] ir kitos sudedamosios dalys.
[0028] Kaip minėta, statorių sudaro du pjezoelektriniai keitikliai (2), savo forma primenantys žiedą.
[0029] Pjezoelektrinis keitiklis (2) turi du priešingose jo pusėse išdėstytus elektrodus (6) ir (7), iš kurių vienas yra ištisinis (6), o kitas (7), kas 120°, padalintas į 3 lygius segmentus. Kiekvieno iš trijų minėtų segmentų viduryje yra pritvirtintas atraminis elementas (4). Atraminis elementas (4) gaminamas iš trinčiai atsparios medžiagos. Šiais atraminiais elementais (4) pjezoelektrinis keitiklis remiasi į rotorių (3). Kiekvieno atraminio elemento (4) kitoje nei rotorius (3) pusėje yra pritvirtintas elastinis tarpiklis (1). Visi elastiniai tarpikliai (1) ant pjezoelektrinio keitiklio (2) išdėstyti kas 120°, elektrodo (7) padalinimo vietose (9).
[0030] Įrenginio korpusą sudaro dvi jungės (5), prie kurių per elastinius tarpiklius (1) tvirtinami pjezoelektriniai keitikliai (2). Jungės (5) su pritvirtintais pjezokeitikliais (2) ir tarp jų patalpintu rotoriumi (3) yra sujungti varžtais (8), kurie užtikrina tinkamą įvaržą ir abiejų pjezokeitiklių (2) atraminių elementų (4) kontaktą su rotoriumi (3). Pjezokeitikliai (2) vienas kito atžvilgiu yra išdėstyti priešingose rotoriaus (3) pusėse ir pozicionuojami koncentriškai, o jų atraminių elementų (4) kontakto su rotoriaus (3) paviršiumi taškai yra tiesėje, einančioje per rotoriaus (3) centrą, t.y. prieš kiekvieną vieno pjezokeitiklio (2) atraminį elementą (4) priešingoje rotoriaus (3) pusėje yra kito pjezokeitiklio (2) vienas iš atraminių elementų (4). Pjezokeitiklių (2) valdymo elektrodai yra sujungti taip: nesudalinti pjezokeitiklių elektrodai (6) sujungiami tarpusavyje ir prijungiami prie valdymo bloko (11) nulinio kanalo 0, o diametraliai priešingose, rotoriaus (3) atžvilgiu, pusėse esantys pjezokeitiklių padalinti elektrodai (7) sujungiami tarpusavyje ir kiekviena pora padalintų elektrodų (7) prijungiama prie valdymo bloko (11) trijų fazinių kanalų A, B ir C (2 pav.).
[0031] Elektrinę prietaiso dalį sudaro harmoninio signalo generatorius (10) ir valdymo blokas (11), kurie yra elektriškai sujungti su pjezokeitiklių elektrodais (6) ir (7).
[0032] Įrenginio rotorius (3) - nuolatinis rutulio formą primenantis magnetas, turintis vieną porą (šiaurės ir pietų) polių - įtvirtintas tarp dviejų žiedo formos pjezoelektrinių keitiklių (2), kurie išdėstyti priešingose rotoriaus pusėse ir kontaktuoja su rotoriumi (3) per atraminius elementus (4). Kiekvienas pjezoelektrinis keitiklis (2) turi du priešingose jo pusėse išdėstytus elektrodus, iš kurių vienas yra ištisinis (6), o kitas (7) - kas 120°, padalintas į 3 lygius segmentus (padalinimo vietos (9)). Kiekvieno iš minėtų trijų segmentų viduryje yra pritvirtintas atraminis elementas (4) (pagamintas iš trinčiai atsparios medžiagos). Pjezoelektrinio keitiklio (2) kitoje nei rotorius (3) pusėje, kurioje yra nepadalintas elektrodas (6), yra pritvirtinti 3 elastiniai tarpikliai (1), kurie išdėstyti kas 120°, elektrodo (7) padalinimo vietose (9).
[0033] Tam tikros amplitudės ir dažnio elektrinis signalas yra paduodamas iš harmoninio signalo generatoriaus (10) į valdymo bloką (11), kuris šį signalą perduoda vienam iš trijų padalintų elektrodų (7), taip sužadinant pjezokeitikliuose (2) aukšto dažnio erdvinius trimačius virpesius. Šie virpesiai priverčia du priešingose rotoriaus (3) pusėse esančius atraminius elementus (4) judėti elipsinėmis trajektorijomis. Judantys atraminiai elementai (4) dėl trinties perduoda ir generuoja rotoriaus (3) sukamąjį judesį aplink savo centrą. Atraminiai elementai (4) su rotoriumi (3) sudaro kinematinę porą, kurioje atraminių elementų (4) generuojami elipsiniai judesiai yra transformuojami į kryptingą rotoriaus (3) sukimosi judesį. Į valdymo bloką (11) padavus elektrinį signalą kitai padalintų pjezokeitiklių elektrodų (7) porai, sužadinami kitų atraminių elementų (4) virpesiai ir rotorius (3) keičia sukimosi kryptį. Jei valdymo bloko (11) faziniuose kanaluose (A, B ir C) vienu metu paduodamas tam tikro dažnio trifazis elektros signalas (Usin(ωt), Usin(ωt+120°) ir Ucos(ωt+240°), pjezokeitikliuose bus sužadinami bėgančios bangos virpesiai, kurie sugeneruos rotoriaus (3) kryptingą sukimąsi apie vertikalią ašį. Norint pakeisti rotoriaus (3) sukimosi kryptį (pjezoelektriniame keitiklyje (2) bėgančios bangos sklidimo kryptį), į du pjezoelektrinio keitiklio (2) elektrodus patenkantys skirtingų fazių elektriniai signalai sukeičiami vietomis, pvz., į Usin(ωt) fazės įtampai numatytą elektrodą tiekiama Usin(ωt+120°) fazės įtampa ir atvirkščiai - į Usin(ωt+120°) fazės įtampai numatytą elektrodą tiekiama Usin(ωt) fazės įtampa.
[0034] Siekiant iliustruoti ir aprašyti šį išradimą, aukščiau pateiktas tinkamiausių įgyvendinimo variantų aprašymas. Tai nėra išsamus arba ribojantis aprašymas, siekiantis nustatyti tikslią formą arba įgyvendinimo variantą. Į aukščiau pateiktą aprašymą reikia žiūrėti daugiau kaip į iliustraciją, o ne kaip į apribojimą. Akivaizdu, kad tos srities specialistams gali būti akivaizdžios daugybė modifikacijų ir variacijų. Įgyvendinimo variantas yra parinktas ir aprašytas tam, kad tos srities specialistai geriausiai išaiškintų šio išradimo principus ir jų geriausią praktinį pritaikymą, skirtą skirtingiems įgyvendinimo variantams su skirtingomis modifikacijomis, tinkančiomis konkrečiam panaudojimui arba įgyvendinimo pritaikymui. Numatyta, kad išradimo apimtis apibrėžiama prie jo pridėta apibrėžtimi ir jos ekvivalentais, kuriuose visi minėti terminai turi prasmę plačiausiose ribose, nebent nurodyta kitaip.
[0035] Įgyvendinimo variantuose, aprašytuose tos srities specialistų, gali būti sukurti pakeitimai, nenukrypstantys nuo šio išradimo apimties, kaip tai nurodyta toliau pateiktoje apibrėžtyje.
1. Magneto pjezopavaros įrenginys, kurį sudaro magnetinis rotorius ir statorius, prijungtas prie daugiafazio harmoninių signalų generatoriaus (10), b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad magnetinis rotorius (3), turintis vieną porą (šiaurės ir pietų) polių, įtvirtintas tarp dviejų žiedo formos pjezoelektrinių keitiklių (2), kurie išdėstyti priešingose rotoriaus (3) pusėse ir kontaktuoja su rotoriumi (3) per atraminius elementus (4).
2. Magneto pjezopavaros įrenginys pagal 1 punktą b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad atraminiai elementai (4) su rotoriumi (3) sudaro kinematinę porą, kurioje atraminių elementų (4) generuojami elipsiniai judesiai yra transformuojami į kryptingą rotoriaus (3) sukimosi judesį.
3. Magneto pjezopavaros įrenginys pagal 1 punktą b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad įrenginyje rotoriaus (3) pozicionavimui nenaudojamos guolinės atramos, kas ženkliai supaprastina visos sistemos konstrukciją ir eliminuoja galimas pozicionavimo tikslumo paklaidas.
4. Magneto pjezopavaros įrenginys pagal 1 punktą b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad įrenginio statorių sudaro du žiedo formos pjezokeitikliai (2), kiekvienas turintys pritvirtintus po 3 atraminius elementus (4) ir vienas kito atžvilgiu yra išdėstyti priešingose rotoriaus 3 pusėse koncentriškai, o jų atraminių elementų (4) kontakto su rotoriaus (3) paviršiumi taškai yra tiesėje, einančioje per rotoriaus (3) centrą, t.y. prieš kiekvieną vieno pjezokeitiklio atraminį elementą (4) priešingoje rotoriaus pusėje yra kito pjezokeitiklio vienas iš atraminių elementų (4).
5. Magneto pjezopavaros įrenginys pagal ankstesnius punktus naudojamas mažų, nano-tipo erdvėlaivių orientavimui, pasukimui, nukreipimui erdvėje.