CN102710181B - 一种电磁驱动式磁悬浮旋转平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁驱动式磁悬浮旋转平台，包括位于外圈的电磁悬浮结构和位于内圈的电磁驱动结构，在电磁悬浮结构和电磁驱动结构的外部设置有旋转平台外壳，电磁悬浮结构包括：环形电磁悬浮铁芯，在环形电磁悬浮铁芯上沿圆周对称的设置有若干个齿，每个齿上分别缠绕电磁悬浮绕组；在齿间间隙处设置有高精度气隙传感器；环形电磁悬浮铁芯的正上方设置有环形悬浮导体板；电磁驱动结构包括：环形电磁驱动铁芯，在环形电磁驱动铁芯外侧沿圆周对称设置有三组齿，在每组齿上连续缠绕电磁驱动绕组，每组电磁驱动绕组为链式结构；在环形电磁驱动铁芯的外部设置有环形永磁体转子；在旋转平台外壳的回转轴上设置光电编码器，降低装配难度，改善了工艺性。

Description

一种电磁驱动式磁悬浮旋转平台

技术领域

本发明属于大尺寸测量领域，特别涉及一种电磁驱动式磁悬浮旋转平台。

背景技术

工作空间测量定位系统（wMPS：WorkspaceMeasurementPositioningSystem，也称为indoorGPS，即室内GPS系统）是一种针对工业现场全局测量及控制的需求而发展起来的一种大尺度网络式测量系统，其优势在于可以实现大尺度空间坐标的网络化高精度自动测量。该系统通过多个旋转激光发射装置(发射站)组成测量网络，采用基于光电扫描的空间角度交会自动测量方法对单个接收器进行定位，发射站在工作时向外发射带有角度信息的光信号，为测量空间内的光电接收器提供定位服务。发射站工作时，旋转平台绕固定轴匀速旋转并向外发射两束随转台一同旋转的平面激光，同时每当旋转平台转至一个预定位置时基座上的激光器发出全向光脉冲作为单周旋转起点的同步标记。接收器接收到同步标记光信号及扫描平面光信号并通过内部计时器记录此时时间值，进而解算出发射站转过的角度。在己知发射站方位信息后，只需要得到两个以上基站的角度测量值，便可以使用角度交会方法计算出接收器此时的精确坐标。这种发射站网络单向广播的坐标测量方式使wMPS系统可同时对多个接收器进行跟踪定位并为现场的自动化组装设备(例如：机械手和自动引导小车等)提供导航信息，非常适于工业应用。

由测量原理可知，发射站旋转平台的转动平稳性直接影响着旋转扫描激光的扫描均匀性，这一点对于wMPS系统的测量精度起到了至关重要的影响，因此，为了保证wMPS测量系统工作时角度测量的精确度，发射站旋转平台的转动平稳性必须达到极高的要求，实现恒速和高平稳性旋转是保证测量精度的首要因素。现有的wMPS系统发射站轴系结构如图1所示，旋转平台主轴D采用滚动轴承C支撑，且其与驱动电机A间通过联轴器B连接。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

wMPS系统在长时间工作后滚动轴承C的磨损以及联轴器B的承载变形等都会降低发射站旋转平台的转动平稳性，进而导致wMPS系统测量精度的降低；另外，这种结构为了保证驱动电机A的主轴与旋转平台主轴D间很高的同轴度精度，使得装配难度较大，工艺性差。

发明内容

本发明提供了一种电磁驱动式磁悬浮旋转平台，本发明提高了wMPS系统的测量精度，降低了装配难度，改善了工艺性，详见下文描述：

一种电磁驱动式磁悬浮旋转平台，所述旋转平台包括：位于外圈的电磁悬浮结构和位于内圈的电磁驱动结构，在所述电磁悬浮结构和所述电磁驱动结构的外部设置有旋转平台外壳，

所述电磁悬浮结构包括：环形电磁悬浮铁芯，在所述环形电磁悬浮铁芯上沿圆周对称的设置有若干个齿，每个齿上分别缠绕电磁悬浮绕组；在齿间间隙处设置有高精度气隙传感器；所述环形电磁悬浮铁芯的正上方设置有环形悬浮导体板；

所述电磁驱动结构包括：环形电磁驱动铁芯，在所述环形电磁驱动铁芯外侧沿圆周对称设置有三组齿，在每组齿上连续缠绕电磁驱动绕组，每组电磁驱动绕组为链式结构；在所述环形电磁驱动铁芯的外部设置有环形永磁体转子；在所述旋转平台外壳的回转轴上设置有光电编码器。

所述环形电磁悬浮铁芯和所述环形电磁驱动铁芯采用硅钢材料。

所述电磁悬浮绕组和所述电磁驱动绕组采用铜芯绕组。

所述环形悬浮导体板采用铝制导体板，所述环形永磁体转子为径向充磁的钕铁硼磁环。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明解决了现有的发射站旋转平台轴系中滚动轴承磨损及联轴器长时间承载变形等问题，降低装配难度，延长wMPS系统发射站旋转平台的工作寿命，并保证wMPS系统在长时间使用的情况下都能保持较高的精度；本发明采用电动式斥力磁悬浮方式，抵消了作用在滚动轴承上的轴向载荷，滚动轴承不再起到支承作用，降低了磨损量，极大地延长了寿命；本发明重新设计了旋转平台的驱动方式，使其与驱动电机间不存在联轴器连接，降低了装配难度，同时也避免了联轴器长时间承载变形所导致的驱动电机主轴与旋转平台主轴间相对位置变化的问题；本发明提出的电磁悬浮结构，电磁悬浮力随电磁悬浮绕组中输入电流的增大和电磁悬浮绕组与环形悬浮导体板间气隙的减小而增大，且通过分别对各个电磁悬浮绕组中电流的调整可以保证旋转平台不存在水平方向上的偏转，结构稳定简单，实际应用中不需要复杂的控制系统即可维持悬浮状态；能够通过改变电磁驱动绕组中三相电流的幅值和频率调整旋转平台的转速，控制方法简单容易实现。

附图说明

图1为现有技术提供的wMPS系统发射站轴系的结构示意图；

图2为本发明提出的应用于wMPS系统发射站的电磁驱动式磁悬浮旋转平台结构中电磁悬浮结构与电磁驱动结构的俯视图；

图3为本发明提出的应用于wMPS系统发射站的电磁驱动式磁悬浮旋转平台结构正面剖视图；

图4为本发明提出的电磁驱动式磁悬浮旋转平台中电磁悬浮结构俯视图（未表示出环形悬浮导体板）；

图5为本发明提出的电磁驱动式磁悬浮旋转平台中电磁悬浮结构正视图；

图6为本发明提出的电磁驱动式磁悬浮旋转平台中电磁驱动部分结构俯视图。

附图中各标号所代表的部件列表如下：

A：驱动电机；B：联轴器；

C：滚动轴承；D：旋转平台主轴；

1：电磁悬浮结构；2：电磁驱动结构；

3：旋转平台外壳；11：环形电磁悬浮铁芯；

12：电磁悬浮绕组；13：高精度气隙传感器；

14：环形悬浮导体板；21：环形电磁驱动铁芯；

22：电磁驱动绕组；23：环形永磁体转子；

24：光电编码器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了提高wMPS系统的测量精度，降低装配难度和改善工艺性，本发明实施例提供了一种电磁驱动式磁悬浮旋转平台，参见图1、图2、图3、图4、图5和图6，详见下文描述：

一种电磁驱动式磁悬浮旋转平台，包括：位于外圈的电磁悬浮结构1和位于内圈的电磁驱动结构2，在电磁悬浮结构1和电磁驱动结构2的外部设置有旋转平台外壳3；其中，

电磁悬浮结构1包括：环形电磁悬浮铁芯11，在环形电磁悬浮铁芯11上沿圆周对称的设置有若干个齿，每个齿上分别缠绕电磁悬浮绕组12；在齿间间隙处设置有高精度气隙传感器13；环形电磁悬浮铁芯11的正上方设置有环形悬浮导体板14；

电磁驱动结构2包括：环形电磁驱动铁芯21，在环形电磁驱动铁芯21外侧沿圆周对称设置有三组齿，在每组齿上连续缠绕电磁驱动绕组22，每组电磁驱动绕组为链式结构；在环形电磁驱动铁芯21的外部设置有环形永磁体转子23；在旋转平台外壳3的回转轴上设置有光电编码器24。

根据楞次定律在电磁悬浮绕组12中通入交变电流时，会产生交变磁场，从而在环形悬浮导体板14中将感生出与其相反的磁场，当两者间的斥力与旋转平台的重力相等时，即可实现旋转平台的电磁悬浮。

根据电磁感应定律，分别在3组电磁驱动绕组22中通入相位相差120度的三相电流，通过分别调整三相电流的幅值可以实现空间内磁场方向的匀速旋转，从而驱动环形永磁体转子23的匀速转动。

其中，本发明实施例对电磁悬浮结构1中的齿的数目不做限制，在每个齿上分别缠绕电磁悬浮绕组12时，缠绕方向保持一致；电磁驱动结构2的三组齿中每组齿数保持一致。参见图2和图6，本发明实施例电磁悬浮结构1中的齿的数目以12个为例进行说明；三组齿中每组齿以4个为例进行说明，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

进一步地，为了提高悬浮和驱动的效果，本发明实施例中的环形电磁悬浮铁芯11和环形电磁驱动铁芯21采用硅钢材料。

进一步地，为了提高悬浮和驱动的效果，电磁悬浮绕组12和电磁驱动绕组22采用铜芯绕组。

进一步地，为了提高悬浮和驱动的效果，环形悬浮导体板14采用铝制导体板，环形永磁体转子23为径向充磁的钕铁硼磁环。

其中，本发明实施例通过电磁磁悬浮方式消除滚动轴承C的径向载荷，减少滚动轴承C磨损；通过电磁驱动结构2取代联轴器B，避免联轴器B长时间承载变形所导致的驱动电机A的主轴与旋转平台主轴间相对位置变化的问题，同时极大改善工艺性。

具体实现时，环形电磁悬浮铁芯11、电磁悬浮绕组12及高精度气隙传感器13组成一体化结构，并安装在固定基座上；环形悬浮导体板14与旋转平台外壳3固定为一体化结构，并保证旋转平台整体装配后环形悬浮导体板14位于环形电磁悬浮铁芯11的正上方。

具体实现时，环形电磁驱动铁芯21与电磁驱动绕组22组成一体化结构，并安装在固定基座上；环形永磁体转子23与旋转平台外壳3固定为一体化结构，并保证旋转平台整体装配后环形永磁体转子23位于环形电磁驱动铁芯21的外部；光电编码器24安装在旋转平台外壳3的回转轴上，并保证旋转平台工作时光电编码器24的回转轴与旋转平台外壳3的回转轴保持一致。

实际应用中，旋转平台启动时需先启动电磁悬浮结构1，待旋转平台稳定的悬浮于参考位置后再启动电磁驱动结构2。假设旋转平台位于垂直方向的参考位置时，受到一个垂直方向的扰动或水平方向发生偏转，就会偏离其参考位置，此时12个高精度气隙传感器13分别检测出转子偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测到的12组位置偏移量进行运算处理并转换成控制信号，再通过功率放大器分别调节相应的电磁悬浮绕组12中控制电流的幅值，从而调节环形悬浮导体板14在磁场中所受到的磁场力大小与方向，驱动旋转平台返回初始平衡位置并始终保持水平状态。因此，不论受到垂直方向的扰动，或者水平方向发生偏转，旋转平台始终能够处于一种稳定的平衡状态。通过调整电磁驱动绕组22中三相电流的幅值和频率，即可改变空间内匀速圆周运动磁场的强度及其做圆周运动的速度，从而可以对环形永磁体转子23的转动速度进行调节，即调整了旋转平台的转速。在旋转平台工作过程中，通过光电编码器24对旋转平台的转速进行实时监控，再采用PID或锁相环等控制策略通过改变三相电流对转速进行实时调整，可以保证较高的转动平稳性。

综上所述，本发明实施例提供了一种电磁驱动式磁悬浮旋转平台，本发明实施例解决了现有的发射站旋转平台轴系中滚动轴承磨损及联轴器长时间承载变形等问题，降低装配难度，延长wMPS系统发射站旋转平台的工作寿命，并保证wMPS系统在长时间使用的情况下都能保持较高的精度；本发明实施例采用电动式斥力磁悬浮方式，抵消了作用在滚动轴承上的轴向载荷，滚动轴承不再起到支承作用，降低了磨损量，极大地延长了寿命；本发明实施例重新设计了旋转平台的驱动方式，使其与驱动电机间不存在联轴器连接，降低了装配难度，同时也避免了联轴器长时间承载变形所导致的驱动电机主轴与旋转平台主轴间相对位置变化的问题；本发明实施例提出的电磁悬浮结构，电磁悬浮力随电磁悬浮绕组中输入电流的增大和电磁悬浮绕组与环形悬浮导体板间气隙的减小而增大，且通过分别对各个电磁悬浮绕组中电流的调整可以保证旋转平台不存在水平方向上的偏转，结构稳定简单，实际应用中不需要复杂的控制系统即可维持悬浮状态；能够通过改变电磁驱动绕组中三相电流的幅值和频率调整旋转平台的转速，控制方法简单容易实现。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于旋转激光发射装置的电磁驱动式磁悬浮旋转平台，其特征在于，所述旋转平台包括：位于外圈的电磁悬浮结构和位于内圈的电磁驱动结构，在所述电磁悬浮结构和所述电磁驱动结构的外部设置有旋转平台外壳，

所述电磁悬浮结构包括：环形电磁悬浮铁芯，在所述环形电磁悬浮铁芯上沿圆周径向对称的设置有若干个齿，每个齿上分别缠绕电磁悬浮绕组；在齿间间隙处设置有高精度气隙传感器；所述环形电磁悬浮铁芯的正上方设置有环形悬浮导体板；所述电磁驱动结构包括：环形电磁驱动铁芯，在所述环形电磁驱动铁芯外侧沿圆周径向对称设置有三组齿，在每组齿上连续缠绕电磁驱动绕组，每组电磁驱动绕组为链式结构；在所述环形电磁驱动铁芯的外部设置有环形永磁体转子；

分别在三组电磁驱动绕组中通入相位相差120度的三相电流，通过分别调整三相电流的幅值实现空间内磁场方向的匀速旋转，从而驱动环形永磁体转子的匀速转动；

在所述旋转平台外壳的回转轴上设置有光电编码器；所述环形电磁悬浮铁芯和所述环形电磁驱动铁芯采用硅钢材料；

所述电磁悬浮绕组和所述电磁驱动绕组采用铜芯绕组；

所述环形悬浮导体板采用铝制导体板，所述环形永磁体转子为径向充磁的钕铁硼磁环；

所述环形电磁悬浮铁芯、所述电磁悬浮绕组及所述高精度气隙传感器组成一体化结构，并安装在固定基座上；

所述环形悬浮导体板与所述旋转平台外壳固定为一体化结构，并保证旋转平台整体装配后所述环形悬浮导体板位于所述环形电磁悬浮铁芯的正上方；

所述环形电磁驱动铁芯与所述电磁驱动绕组组成一体化结构，并安装在固定基座上；

所述环形永磁体转子与所述旋转平台外壳固定为一体化结构，并保证旋转平台整体装配后所述环形永磁体转子位于所述环形电磁驱动铁芯的外部；

所述光电编码器安装在所述旋转平台外壳的回转轴上，并保证旋转平台工作时所述光电编码器的回转轴与所述旋转平台外壳的回转轴保持一致。