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MARC
논문명/저자명
고기동 초소형 위성용 마이크로 반작용 휠 설계 기법 적용 연구 = Application of micro-reaction wheel design techniques for an agile NanoSAT / 윤진혁 인기도
발행사항
고양 : 한국항공대학교 대학원, 2017.2
청구기호
TM 629.47 -17-28
형태사항
xiii, 85 p. ; 26 cm
자료실
전자자료
제어번호
KDMT1201711554
주기사항
학위논문(석사) -- 한국항공대학교 대학원, 항공우주및기계공학과, 2017.2. 지도교수: 오화석
원문

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표제지

요약

목차

기호목록 12

제1장 서론 14

제2장 마이크로 반작용 휠 요구조건 도출 18

2.1. Top-level 요구조건 분석 18

2.2. 구동기 설계 요구조건 도출 20

제3장 마이크로 반작용 휠 설계 및 제작 24

3.1. 반작용 휠 구성 24

3.2. 반작용 휠 모델링 26

3.2.1. 적용 모터 종류 선정 26

3.2.2. BLDC 모터의 구동원리 28

3.2.3. BLDC 모터의 수학적 모델링 31

3.3. 마이크로 반작용 휠 설계 34

3.3.1. 휠 형상 설계 35

3.3.2. 자기 설계 39

3.3.3. 전기 설계 44

3.3.4. 센서부 설계 50

3.3.5. 설계 총합 53

3.4. 마이크로 반작용 휠 제작 57

3.4.1. 가공 및 조립 57

3.4.2. 휠 밸런싱 60

제4장 마이크로 반작용 휠 검증 65

4.1. 반작용 휠 성능 검증 65

4.2. 우주 환경시험 검증 70

4.2.1. 진동 시험 71

4.2.2. 열 주기 시험 81

4.2.3. 열 진공 시험 87

제5장 결론 92

참고문헌 94

SUMMARY 97

Table 1. Parameters for Reaction Wheel Design 20

Table 2. Requirements for Micro Reaction Wheel Design 23

Table 3. Design Parameters of Reaction Wheel 38

Table 4. Wheel Specifications 38

Table 5. Neodymium Magnet Grades 40

Table 6. Magnet Specification 41

Table 7. Specification of Enamel Wire 45

Table 8. Motor Performance Comparison Conditions by Coil Diameter 46

Table 9. Motor Performance Comparison Conditions by Coil Turns 48

Table 10. Design Parameters of B LDC Motor 49

Table 11. Hall sensor [US2881USE] Specifications 51

Table 12. Reaction Wheel Natural Frequency Measurement 54

Table 13. Designed Micro Reaction Wheel Specification 55

Table 14. Micro Reaction Wheel Parts List 58

Table 15. Disturbance Measurement Table Specification 62

Table 16. Reaction Wheel Balancing Results 63

Table 17. Micro Reaction Wheel Specification 69

Table 18. Low-level Random Vibration Signal Specification 73

Table 19. Sinusoidal Vibration Test Specification 75

Table 20. Random Vibration Test Specification 75

Table 21. Shaker Specification 77

Table 22. Main Random Vibration Before/After Natural Frequency Change 80

Table 23. Thermal Cycle Test Conditions 81

Table 24. Thermal Cycle Chamber Specification 82

Table 25. Thermal Vacuum Test Conditions 87

Table 26. Thermal Cycle Chamber Specification 88

Fig. 1. Nano/Microsatellite Launch History and Projection 14

Fig. 2. Reaction Wheel Drive Block Diagram 16

Fig. 3. Micro-Reaction Wheel Design Stage 16

Fig. 4. Satellite's Mission and the Required Torque 19

Fig. 5. 3-Axis Type Reaction Wheel Cluster 21

Fig. 6. Reaction Wheel's Required Torque and Angular Momentum 22

Fig. 7. Example of Reaction Wheel Configuration 25

Fig. 8. Classification of Motor 26

Fig. 9. Operation Principle of Brushed and Brushless DC Motor 29

Fig. 10. 2Poles-3Phase Motor's Conceptual Diagram 30

Fig. 11. Brushless Motor Equivalent Circuit 31

Fig. 12. Flowchart of BLDC Motor Design 34

Fig. 13. Radial Flux Motor(Left), Axial Flux Motor 35

Fig. 14. Derivation of Wheel RPM and MOI 36

Fig. 15. Wheel MOI Comparison 37

Fig. 16. Sectional View of Rotor Wheel 37

Fig. 17. 4-Pole 3-Phase Motor Concept 39

Fig. 18. Neodymium Magnet 41

Fig. 19. Flux Density according to Air Gap 42

Fig. 20. Flux Density at 1㎜ Air Gap 43

Fig. 21. Flux Density at 2㎜ Air Gap and 24㎜ Diameter 43

Fig. 22. Dimension of Coil Section 44

Fig. 23. Motor Performance Comparison by Coil Diameter 47

Fig. 24. Motor Performance Comparison by Coil Turns 48

Fig. 25. Hall sensor US2881USE 50

Fig. 26. Hall Sensor Arrangement 51

Fig. 27. Position Detecting Flow when Hall Sensor 30deg Placed 52

Fig. 28. Pulses in 1 Rotation of 1 Hall Sensor 52

Fig. 29. Exploded View of Micro Reaction Wheel Components 53

Fig. 30. Reaction Wheel Displacement of First Mode 54

Fig. 31. Micro Reaction Wheel Performance Simulation 56

Fig. 32. Micro Reaction Wheel Sectional View 57

Fig. 33. Micro Reaction Wheel Making Process 59

Fig. 34. Wheel Imbalance Modeling 61

Fig. 35. Static Imbalance Reduction(a) and Dynamic Imbalance Reduction(b) 61

Fig. 36. Disturbance Measurement Table 62

Fig. 37. Wheel Balancing 63

Fig. 38. Force Measurement of x-Axis Before Balancing(Left) and After(Right) 64

Fig. 39. Force Measurement of y-Axis Before Balancing(Left) and After(Right) 64

Fig. 40. Torque Measurement of x-Axis Before Balancing(Left) and After(Right) 64

Fig. 41. Torque Measurement of y-Axis Before Balancing(Left) and After(Right) 64

Fig. 42. Micro Reaction Wheel Pull-up Test Result 66

Fig. 43. Micro Reaction Wheel Run-down Test Result 66

Fig. 44. Micro Reaction Wheel Characteristic Curve 66

Fig. 45. Reaction Wheel Control Block Diagram 67

Fig. 46. Micro Reaction Wheel Function Test Result 68

Fig. 47. Vibration Test Sequence 72

Fig. 48. Sinusoidal Frequency 74

Fig. 49. Sinusoidal Vibration Test Profile 76

Fig. 50. Random Vibration Test Profile 76

Fig. 51. Axial(Left), Radial(Right) Mounting 77

Fig. 52. Axial Vibration Test Result 78

Fig. 53. Radial Vibration Test Result 79

Fig. 54. Thermal Cycle Test Limit Component 81

Fig. 55. Thermal Cycle Test Equipment Configuration 82

Fig. 56. Thermal Cycle Test Environment Composition 83

Fig. 57. Thermal Cycle Test Procedure 83

Fig. 58. Thermal Cycle Test Profile 84

Fig. 59. Micro Reaction Wheel Function Test Results in Thermal Cycle Test 85

Fig. 60. Micro Reaction Wheel Performance Comparison in Thermal Cycle Test 86

Fig. 61. Thermal Vacuum Test Equipment Configuration 88

Fig. 62. Thermal Cycle Test Environment Composition 88

Fig. 63. Thermal Vacuum Test Profile 89

Fig. 64. Micro Reaction Wheel Function Test Results in Thermal Vacuum Test 90

Fig. 65. Micro Reaction Wheel Performance Comparison in Thermal Vacuum Test 91

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