CN107733288B - 用于三维加速度计的磁悬浮体、磁悬浮结构及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于三维磁悬浮加速度计的磁悬浮体、磁悬浮结构及制造方法,所述磁悬浮体采用六面体结构，其包括软磁材料的内层以及与内层固连的六面永磁层组成的外层，每个面上的永磁层通过充磁使其具有剩磁磁场且相对两个面的永磁层相向磁极极性相反；所述内层用于更好地导通六面永磁层的磁场和减少永磁层的退磁场。本发明磁悬浮体采用六面体结构，在软磁内层固连设置六面永磁层的方式实现六面带磁的悬浮体，能够实现六自由度悬浮，从而彻底克服了现有技术永磁悬浮体只能形成两面具有剩磁磁场的技术缺陷，使本发明的磁悬浮体能够在三维磁悬浮加速度计能够广泛应用。

Description

用于三维加速度计的磁悬浮体、磁悬浮结构及制造方法

技术领域

本发明涉及磁悬浮体技术领域，尤其涉及一种用于三维加速度计的磁悬浮体、磁悬浮结构及制造方法。

背景技术

现有技术中，根据磁力的不同可以将现有磁悬浮体分为超导态和常态两种类型，利用悬浮体的超导态来实现稳定磁悬浮需要用液氮或其他方式来对悬浮体进行冷却使其达到超导态，整个系统的积十分庞大，能量消耗也十分巨大，不适合应用于小型化高精度磁悬浮式加速度计中；近年来国内外正在逐渐兴起对抗磁性悬浮方式的研究，抗磁性悬浮为一种特殊的超导态，能够在常温下实现小体积悬浮，虽然自然界中大部分物质都具有抗磁性，但是这些物质在外磁场中能够产生的抗磁力很小，限制了这种悬浮方式在加速度计上的应用。

常态磁悬浮体有三种：永磁体、电磁铁和金属导体。使用金属导体作为磁悬浮体时需要一个变化率很高的激励磁场才能使金属导体克服自身重力买现稳定悬浮，磁悬浮体会由于涡流作用而大量发热，并且很快达到磁力上限，作为磁悬浮体将极大增加系统的复杂程度。若使用电磁铁(线圈)作为磁悬浮体则需要物理连接实现能量供给，因此不能实现完全的六自由度悬浮。

使用永磁体作为磁悬浮系统的悬浮体的优点是产生的磁力较大，而且结构简单，容易实现，便于小型化，永磁体在磁场中的受力理论也有了成熟的研究成果，可以用现有的理论来计算工程应用中的一些实际问题。但是，现有技术中的永磁体及其采用的充磁方法只能形成两面磁场，从而仅能实现单轴加速度检测。

故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。

发明内容

现有的几种磁悬浮体均具有或多或少的缺陷，有鉴于此，确有必要提供一种适合应用于小型化的用于三维加速度计的磁悬浮体、磁悬浮结构及制造方法，从而能够方便地实现三轴悬浮。

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的技术方案如下：

本用于三维磁悬浮加速度计的磁悬浮体，所述磁悬浮体采用六面体结构，其包括软磁材料的内层以及与内层固连的六面永磁层组成的外层，每个面上的永磁层通过充磁使其具有剩磁磁场且相对两个面的永磁层相向磁极极性相反；所述内层用于导通六面永磁层的磁场和减少永磁层退磁场。

在上述的用于三维磁悬浮加速度计的磁悬浮体中，所述磁悬浮体六面剩磁磁场均匀。

在上述的用于三维磁悬浮加速度计的磁悬浮体中，所述外层的永磁材料与内层的软磁材料固连后再对其充磁。

在上述的用于三维磁悬浮加速度计的磁悬浮体中，所述永磁层先充磁后再固连在内层上。

本六自由度磁悬浮结构，包括内部形成六面体空间的磁性腔体以及悬浮于该磁性腔体内六面都具有剩磁磁场的磁悬浮体，所述磁性腔体六面内壁均具有磁场，且任一面的磁场与其相对的磁悬浮体一面磁极相同从而在磁悬浮体的六面同时产生相斥磁力使所述磁悬浮体能够达到六面磁力平衡状态并悬浮在该磁性腔体中。

在上述的六自由度磁悬浮结构中，所述磁性腔体由六块磁板拼接形成六面体空间，所述磁板从外到内至少依次设置固定板和第二永磁层。

在上述的六自由度磁悬浮结构中，所述磁性腔体任一个面的永磁层与其相邻面的永磁层之间留有间隙。

本用于三维磁悬浮加速度计磁悬浮体的制备方法，包括以下步骤：

(1)形成软磁材料的内层；

(2)在内层外表面固连的六面永磁层形成六面体结构；

(3)通过充磁使每个面上的永磁层具有剩磁磁场且使相对两个面的永磁层磁极极性相反；

(4)形成六面都具有剩磁磁场的磁悬浮体，在六面永磁层磁场的作用下所述磁悬浮体的内层磁化并在其内形成完整的磁通路。

在上述的用于三维磁悬浮加速度计磁悬浮体的制备方法中，在所述步骤(3)中，

永磁材料与软磁材料固连后再充磁。

在上述的用于三维磁悬浮加速度计磁悬浮体的制备方法中，在所述步骤(3)中，

永磁材料充磁后再与软磁内层固连。

充磁采用如下的充磁装置，该充磁装置包括竖直设置的下充磁头和位于下充磁头正上方的上充磁头，本装置还包括四个圆周分布且水平设置的侧向面充磁头，所述的侧向面充磁头位于下充磁头和上充磁头之间，在下充磁头的上端设有第一充磁接触平面，在上充磁头的下端设有与所述的第一充磁接触平面平行的第二充磁接触平面，在每个侧向面充磁头的内端分别设有竖直设置的第三充磁接触平面。

设计的上充磁头、下充磁头和四个侧向面充磁头，其可以实现一次六个面的充磁；上充磁头、下充磁头和四个侧向面充磁头，相对的两个磁头和被充磁的悬浮体形成闭合磁路，提高了充磁磁场强度，而且还提高了充磁效率，生产效率非常高。

其次，通过上述结构的设计，避免了在充磁的过程中六面磁悬浮体的位移，同时，由于磁头采用软磁材料，还大幅度减少了漏磁的现象。

充磁接触平面的面积与六面磁悬浮体的各个面的面积和形状相同。

在上述的六面磁悬浮体的充磁装置中，所述的下充磁头结构、上充磁头结构和侧向面充磁头的结构相同，包括锥形段和与锥形段大头端连接的平直段，在平直段和/或锥形段外侧分别套设有通电线圈。

锥形段的设计，其可以实现避让，同时，还可以进一步提高充磁效率。

在上述的充磁装置中，所述的下充磁头固定在机架上；或者在机架上设有驱动所述的下充磁头在竖直方向升降的第一升降驱动机构。

第一升降驱动机构包括气缸、油缸和直线电机中的任意一种。

在下充磁头和机架之间设有第一竖直导向结构。

这里的第一竖直导向结构包括导柱结合导套的结构。

在上述的充磁装置中，所述的机架上设有驱动所述的上充磁头在竖直方向升降的第二升降驱动机构。

第二升降驱动机构包括气缸、油缸和直线电机中的任意一种。

在上述的充磁装置中，每个侧向面充磁头分别与水平驱动机构连接，且所述的水平驱动机构分别连接在机架上。

水平驱动机构包括气缸、油缸和直线电机中的任意一种。

通过上述的驱动机构的设计，其可以实现自动化的生产动作，无形中提高了生产效率。

在上述的充磁装置中，所述的机架上设有套设在下充磁头外侧的筒状支撑，在筒状支撑的上端连接有四根圆周分布的悬臂梁，在每根悬臂梁的悬空端分别连接有倾斜向内朝上设置的倾斜支撑且所述的倾斜支撑上端汇聚至环形套周向，四个侧向面充磁头一一设置在所述的悬臂梁上，上充磁头设置在环形套内。

通过设计筒状支撑、悬臂梁、倾斜支撑和环形套，其构成一个固定支撑架，充磁头集于一个固定支撑架上，不仅便于装置的拆装，而且还进一步降低了装置的维修难度。

在上述的充磁装置中，在下充磁头的上端套设有固定框，以及位于固定框上方的定位框，在固定框和定位框之间设有轴向弹性结构且定位框套在第一充磁接触平面外围，在机架或固定框上设有驱动所述的定位框在竖直方向升降的升降驱动机构。

定位框的内壁上沿口设有倒角。

升降驱动机构包括若干圆周分布的气缸或者油缸。

通过上述结构的设计，其可以实现六面磁悬浮体定位的准确性，避免了位置的偏离导致后续需要重新矫正，无形中提高了生产效率。

在上述的充磁装置中，所述的固定框外侧设有若干下定位缺口，在定位框的外侧设有若干与所述的下定位缺口一一对应的上定位缺口，在定位框和固定框之间设有导向框，在导向框的周向设有若干与所述的下定位缺口一一对应的导向凸条且所述的导向凸条竖直设置，导向凸条的上端卡于所述的上定位缺口内并与上定位缺口固定连接，导向凸条的下端卡于所述的下定位缺口内并与下定位缺口滑动连接。

通过上述结构的设计，其可以实现在竖直方向上升降的平顺性，同时，还可以进一步提高整体的结构强度。

在上述的六面磁悬浮体的充磁装置中，所述的轴向弹性结构包括设置在导向框下端和固定框上端之间的若干弹簧。

与现有技术相比较，本发明磁悬浮体采用六面体结构，在软磁内层固连设置六面永磁层的方式实现六面带磁的悬浮体，能够实现六自由度悬浮三轴加速度变化使悬浮体与磁性腔体发生相对位移从而导致两者之间的磁力变化，从而彻底克服了现有技术永磁悬浮体只能形成两面磁场的技术缺陷，使本发明的磁悬浮体能够在三维磁悬浮加速度计能够广泛应用。

附图说明

图1为本发明提供的磁性腔体内内置有磁悬浮体的结状态示意图。

图2为本发明提供的磁性腔体内内置有磁悬浮体的剖视图。

图3为本发明提供的磁性腔体剖视图。

图4为本发明提供的磁悬浮体立体结构图。

图5为本发明提供的磁悬浮体的剖视图。

图6是本发明提供的充磁装置的简化结构示意图。

图7是本发明提供的充磁头结构示意图。

图8是本发明提供的充磁装置的结构示意图。

图9是图8中的A处放大结构示意图。

图10是本发明提供的固定框结构示意图。

图11是本发明提供的筒状支撑内置有竖直杆的结构示意图。

图12是本发明提供的六面磁悬浮体放置在定位框内的状态示意图。

图中，磁性腔体2、压电感应层21、固定板22、第二永磁层23、磁悬浮体3、软磁内层31、第一永磁层32、下充磁头A1、第一充磁接触平面A11、上充磁头A2、第二充磁接触平面A21、侧向面充磁头A3、第三充磁接触平面A31、机架A4、筒状支撑A5、悬臂梁A51、倾斜支撑A52、环形套A53、固定框A6、定位框A61、下定位缺口A62、上定位缺口A63、导向框A64、导向凸条A65、弹簧A66、锥形段a、平直段b、通电线圈c。

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明提供的技术方案作进一步说明。

参见图4-5，所示为本发明用于三维磁悬浮加速度计的磁悬浮体的结构图，磁悬浮体采用六面体结构，包括软磁材料的内层31以及与内层31固连的六面永磁层23组成的外层32，磁悬浮体每个面上的永磁层23通过充磁使其具有剩磁磁场且相对两个面的永磁层23磁极极性相反；其中，永磁层23为永磁体，由硬磁材料制成，其特点是具有高矫顽力、剩磁大、磁化后不易退磁；软磁内层31为软磁体，由软磁材料制成，其特点是矫顽力低、剩磁低、易磁化、易去磁。

软磁内层31用于更好地导通六面永磁层的磁场并与外界一起形成闭合磁路。软磁内层31本身不带磁性，但在相对两面的相向磁极极性相反的永磁层23的作用下，与永磁层23紧密设置的软磁内层31被磁化，使软磁内层31也呈现磁极性，从而能够起到磁传导的作用，并导通六面永磁层23的磁场。由此，在软磁内层31内部形成由N极到S极磁通路，这样永磁层23之间形成了完整的磁通路，从而能形成六面具有剩磁磁场的磁悬浮体。同时，由于采用软磁内层31，减少了永磁层23的退磁场，使磁悬浮体六面剩余磁场稳定。

永磁层23固连设置在正六面体软磁内层31的面上，这是因为永磁体与软磁体之间的气隙的导磁率远小于软磁材料的磁导率。

采用上述技术方案，通过软磁和永磁相结合的方式，巧妙地使软磁内层31成为了传递永磁层23固有磁能量媒介，从而形成六面带磁的悬浮体。同于，软磁和永磁都极易加工，可以方便地将悬浮体小型化，从能够应用于小型化的三轴磁悬浮式加速度计。

由于本发明设计的磁悬浮体在其六面均形成磁场，从而彻底克服了现有技术永磁悬浮体只能形成两面磁场的技术缺陷，当在其六面同时施加相斥的外磁场时，磁悬浮体在一定六面相斥磁力的作用下，便能够达到六面磁力平衡状态，也即实现六自由度悬浮，从而能够感应三轴加速度变化。在惯性系统中，悬浮体能够一直处于平衡状态，而一旦产生加速度，悬浮体将在加速系统中达到新的六面磁力平衡状态，悬浮体新的平衡位置是由加速度值决定的，并由此导致六面相斥磁力发生变化，通过检测磁力变化就能检测出加速度值。

参见图1，所示为本发明磁悬浮体形成六自由度磁悬浮结构的原理框图，包括内部形成六面体空间的磁性腔体2以及悬浮于该磁性腔体2内六面都具有剩磁磁场的磁悬浮体，磁性腔体六面内壁均具有磁场，且任一面的磁场与其相对的磁悬浮体一面磁极相同从而在磁悬浮体的六面同时产生相斥磁力使所述磁悬浮体能够达到六面磁力平衡状态并悬浮在该磁性腔体中。

在一种优选的应用中，参见图1-3，所示为本发明磁悬浮体在三维磁悬浮加速度计中应用的结构框图，其中，外磁场由一磁性腔体2产生，磁性腔体2为密闭磁性腔体2，该密闭磁性腔体2由六块正方形磁板封闭形成正六面体空间，该磁板从外到内依次设置固定板22、压电感应层21以及永磁层23，每个磁板的固定板22与其相邻磁板的固定板22具有固定结构，进而能够紧密固定并形成密封腔体。压电感应层21和永磁层23之间形成磁力感应结构，其中，压电感应层21紧密设置在固定板22和永磁层23之间，用于感应磁板所受相斥磁力的变化；其实现原理是，当永磁层23受到一定相斥磁力时，该相斥磁力传导至压电感应层21，由于压电感应层21由压电材料制备而成，在受力后压电材料的微观结构发生变化会产生与受力强度相对应的感应电流，因此只需检测感应电流就能够检测永磁层23的磁力变化。当将所述磁悬浮体置于该密闭磁性腔体2中，并使磁悬浮体任一面的磁极与其对应的磁板永磁层23的磁极极性相同从而在磁悬浮体的六面同时产生相斥磁力，这样磁悬浮体在六面相斥磁力的作用下能够达到六面磁力平衡状态，从而悬浮在该密封磁性腔体2中。在惯性系统中，悬浮体能够一直处于平衡状态，而一旦密封磁性腔体2产生加速度，密封磁性腔体2与悬浮体之间的平衡位置将改变，进而密封磁性腔体2的六个磁板产生的磁力发生变化而引起相应压电感应层21的感应电流变化，通过检测六个磁板中压电感应层21的感应电流便能检测加速度值。

在一种优选实施方式中，固定板22采用软磁材料，比如硅钢片、坡莫合金、纯铁等，由于采用软磁材料形成密闭腔体，从而能够防止密闭磁性腔体2漏磁，不会干扰外部设备的工作，同时，外部磁场也不会影响磁性腔体2内部磁场，从而提高加速度检测精度。

在一种优选实施方式中，压电感应层21和永磁层23的尺寸略小于固定板22，从而在形成密闭腔体后，相邻磁板的磁力感应结构之间形成间隙，从而每个磁板中压电感应层21能够完全感应每个磁板所受的磁力而不会传递相邻的压电感应层21。同时，由于存在间隙，即便温度变化引起热胀冷缩，也不会破坏腔体的密闭结构。

在一种优选实施方式中，磁悬浮体的六面形成强度均等的磁场，这样，如果密闭磁性腔体2六面内壁也形成均匀强度均等的磁场，磁悬浮体将悬浮在密闭磁性腔体2的中心位置，从而使磁悬浮体六向的自由行程均等，提高了加速度测量的量程和精度。

在一种优选实施方式中，永磁层23采用充磁装置进行均匀充磁，充磁之后，再设置在正六面体软磁内层31的六个面，从而能够以一种简单的工艺制备磁悬浮体。

在一种优选实施方式中，所述的磁性腔体外壁包裹有软磁密封层4，所述的软磁密封层4由六块与所述的固定板一一对应的软磁密封块，且所述的软磁密封块周向之间通过密封胶或者热压方式连接，所述的软磁密封层4内部具有封闭的空腔，避免了漏磁等等事故。

然而，采用现有技术充磁方法虽然可以获得磁场强度相同的多片永磁层23，但其设置在正六面体软磁内层31后，由于工艺原因，磁悬浮体的六面磁场会出现强度偏差。为了克服该技术问题，本发明提出一种用于三维磁悬浮加速度计的磁悬浮体的充磁方法，在正六面体软磁内层31的六个面均设置永磁层23后再对磁悬浮体进行整体充磁，通过充磁强度控制从而确保磁悬浮体六面的磁场强度均等。如图6-12所示，具体的充磁装置包括竖直设置的下充磁头A1和位于下充磁头A1正上方的上充磁头A2，本装置还包括四个圆周分布且水平设置的侧向面充磁头A3，

上述的下充磁头A1、上充磁头A2和侧向面充磁头A3分别设置在机架上。

进一步地，下充磁头A1固定在机架A4上。

在机架A4上设有驱动所述的上充磁头A2在竖直方向升降的第二升降驱动机构。

每个侧向面充磁头A3分别与水平驱动机构连接，且所述的水平驱动机构分别连接在机架A4上。

侧向面充磁头A3两两一组且相向运动或者相反运动。

所述的侧向面充磁头A3位于下充磁头A1和上充磁头A2之间。

在下充磁头A1的上端设有第一充磁接触平面A11，在上充磁头A2的下端设有与所述的第一充磁接触平面A11平行的第二充磁接触平面A21，在每个侧向面充磁头A3的内端分别设有竖直设置的第三充磁接触平面A31。下

具体地，本实施例的下充磁头A1结构、上充磁头A2结构和侧向面充磁头A3的结构相同，包括锥形段a和与锥形段a大头端连接的平直段b，在平直段b和锥形段a外侧分别套设有通电线圈c。

锥形段a的设计，其扩大了磁场。

在机架A4上设有套设在下充磁头A1外侧的筒状支撑A5，在筒状支撑A5的内壁设有若干圆周分布的竖直杆，在每根竖直杆上分别包覆有铝箔反射层，竖直杆合围成一圈且下充磁头A1位于围成一圈的竖直杆内，其次，在筒状支撑A5下端设有若干圆周分布的通孔，在每个通孔内分别设有轴流风扇，在筒状支撑A5的上端连接有四根圆周分布的悬臂梁A51，在每根悬臂梁A51的悬空端分别连接有倾斜向内朝上设置的倾斜支撑A52且所述的倾斜支撑A52上端汇聚至环形套A53周向，即，倾斜支撑A52上端与环形套A53周向连接，四个侧向面充磁头A3一一设置在所述的悬臂梁A51上，上充磁头A2设置在环形套A53内。

在下充磁头A1的上端套设有固定框A6，以及位于固定框A6上方的定位框A61，在固定框A6和定位框A61之间设有轴向弹性结构且定位框A61套在第一充磁接触平面A11外围，在机架A4或固定框A6上设有驱动所述的定位框A61在竖直方向升降的升降驱动机构。

其次，在固定框A6外侧设有若干下定位缺口A62，在定位框A61的外侧设有若干与所述的下定位缺口A62一一对应的上定位缺口A63，在定位框A61和固定框A6之间设有导向框A64，在导向框A64的周向设有若干与所述的下定位缺口A62一一对应的导向凸条A65且所述的导向凸条A65竖直设置，导向凸条A65的上端卡于所述的上定位缺口A63内并与上定位缺口A63固定连接，导向凸条A65的下端卡于所述的下定位缺口A62内并与下定位缺口A62滑动连接。

下定位缺口的敞口处口径小于下定位缺口的内径。

上定位缺口的敞口处口径小于上定位缺口的内径。

导向凸条A65的外径大于下定位缺口的敞口处口径，导向凸条A65的外径大于上定位缺口的敞口处口径。

进一步地，轴向弹性结构包括设置在导向框A64下端和固定框A6上端之间的若干弹簧A66。

当六面磁悬浮体放置到位后，此时的升降驱动机构驱动定位框A61向下移动，避免干扰侧向面充磁头靠近六面磁悬浮体。

本六面磁悬浮体的充磁方法包括如下步骤：

A、定位，将六面磁悬浮体放置在下充磁头A1的第一充磁接触平面A11上，上充磁头A2向下移动并迫使第二充磁接触平面A21与六面磁悬浮体的上表面接触，然后四个侧向面充磁头A3中的两两相向对置的侧向面充磁头A3分别相向向内移动并迫使第三充磁接触平面A31一一压迫在六面磁悬浮体的四个周向平面上；

B、充磁，下充磁头A1、上充磁头A2和侧向面充磁头A3通电，即，实现充磁。

本用于三维磁悬浮加速度计磁悬浮体的制备方法包括以下步骤：

(1)形成软磁材料的内层；

(2)在内层外表面固连的六面永磁层形成六面体结构；

(3)通过充磁使每个面上的永磁层具有剩磁磁场且使相对两个面的永磁层磁极极性相反；

(4)形成六面都具有剩磁磁场的磁悬浮体，在六面永磁层磁场的作用下所述磁悬浮体的内层磁化并在其内形成完整的磁通路。

在所述步骤(3)中，

永磁材料与软磁材料固连后再充磁。

在所述步骤(3)中，

永磁材料充磁后再与软磁内层固连。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种用于三维磁悬浮加速度计的磁悬浮体，其特征在于，所述磁悬浮体采用六面体结构，其包括软磁材料的内层以及与内层固连的六面永磁层组成的外层，每个面上的永磁层通过充磁使其具有剩磁磁场且相对两个面的永磁层相向磁极极性相反；所述内层用于导通六面永磁层的磁场和减少永磁层退磁场；

软磁内层用于导通六面永磁层的磁场并与外界一起形成闭合磁路；

所述外层的永磁材料与内层的软磁材料固连后再对其充磁。

2.根据权利要求1所述的用于三维磁悬浮加速度计的磁悬浮体，其特征在于，所述磁悬浮体六面剩磁磁场均匀。

3.一种六自由度磁悬浮结构，其特征在于，包括内部形成六面体空间的磁性腔体以及悬浮于该磁性腔体内六面都具有剩磁磁场的磁悬浮体，所述磁性腔体六面内壁均具有磁场，且任一面的磁场与其相对的磁悬浮体一面磁极相同从而在磁悬浮体的六面同时产生相斥磁力使所述磁悬浮体能够达到六面磁力平衡状态并悬浮在该磁性腔体中；

所述磁性腔体由六块磁板拼接形成六面体空间，所述磁板从外到内依次设置固定板、压电感应层以及永磁层，其中，所述压电感应层紧密设置在固定板和永磁层之间，用于感应磁板所受相斥磁力的变化。

4.根据权利要求3所述的六自由度磁悬浮结构，其特征在于，所述磁性腔体任一个面的永磁层与其相邻面的永磁层之间留有间隙。