CN108263640B - 一种模块组合式磁悬浮动量球 - Google Patents

Abstract

一种模块组合式磁悬浮动量球，包括：悬浮检控模块、球形转子、驱动磁路和壳体；多个悬浮检控模块均固定在壳体内壁上，多个驱动磁路固定在悬浮检控模块上，多个驱动磁路形成的球形笼将球形转子包裹其中，悬浮检控模块产生的磁场令球形转子保持悬浮，驱动磁路产生的旋转磁场驱动球形转子旋转。本发明根据安装空间情况灵活设计布置磁路，使得动量球壳体可以呈现出多面体的结构，因而应用到微小卫星更多变的内部空间中，有利于提高微小卫星集成度。并且有限的体积内，本发明的驱动磁路占用更少的体积，球形转子可以做的更大，有利于实现更大输出力矩。

Description

一种模块组合式磁悬浮动量球

技术领域

本发明涉及一种模块组合式磁悬浮动量球，属于航天器姿态控制技术领域。

背景技术

随着微纳卫星技术的发展，产生了适合应用在微纳卫星上的新型姿控装置的需求，既保证控制精度的同时又有利于小型化。目前航天器的主要使用反作用飞轮或动量轮控制，然而一个卫星需要装备至少三套才能实现航天器三轴姿态控制，不利于小型化。此外由于存在轴承，无法实现干净的力矩输出，且不利于提高控制精度。

目前公开号为CN201610160426.2，名称为《一种感应式反作用动量球系统》的专利公开了一种三轴驱动的磁悬浮动量球，其使用6个正交分布的普通磁极，通过感应电机的原理驱动球形转子，实现三轴力矩输出；公开号为CN102975868A，名称为《磁悬浮万向动量球装置》的专利公开了一种三轴驱动的磁悬浮动量球，其使用6个U型磁极驱动球形转子；公开号为 CN104753273A，名称为《一种磁悬浮动量球》的专利公开了一种三轴驱动的磁悬浮动量球，其使用6个盘式磁极驱动球形转子。以上方案都不是模块化的设计思路，将使得系统外壳必须是正四面体结构，因而在微小卫星内部有限的空间里，不利于实现高集成度的微小卫星设计。且以上方案驱动机构占用较多体积，不利于实现磁悬浮动量球的小型化。而且上述方案磁路效率较低，难以达到高转速，力矩小，难以替代现有动量轮产品。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种模块化组合式的磁悬浮动量球，能够实现多面体结构的磁悬浮动量球设计，在有限的空间里边可以更灵活的应用，具有更高的系统集成度，能够实现更高转速和更大力矩。

本发明的技术解决方案是：

一种模块组合式磁悬浮动量球，包括：悬浮检控模块、球形转子、驱动磁路和壳体；

多个悬浮检控模块均固定在壳体内壁上，多个驱动磁路固定在悬浮检控模块上，多个驱动磁路形成的球形笼将球形转子包裹其中，悬浮检控模块产生的磁场令球形转子保持悬浮，驱动磁路产生的旋转磁场驱动球形转子旋转。

悬浮检控模块的数量不小于4个，将所有悬浮检控模块产生的电磁力分解到球形转子的三个正交轴上，每个轴上的电磁力的和为零。

悬浮检控模块与球形转子之间、驱动磁路与球形转子之间均留有 1mm～2mm气隙。

驱动磁路包括弧形磁轭和三相线圈，三相线圈绕制在弧形磁轭上的凹槽中。

弧形磁轭上的凹槽数量为6*N个，N取正整数。

悬浮检控模块包括涡电流传感器和本体；本体上设置有通孔以及侧壁螺纹孔，涡电流传感器固定在所述通孔内，驱动磁路的弧形磁轭通过所述侧壁螺纹孔固定在本体上，所述通孔的轴线指向球形转子的球心。

本体采用导磁材料制作。

涡电流传感器包括传感线圈、悬浮线圈、橡胶圈和传感器基体；

传感器基体为圆柱体结构，中心挖有通孔用来放置传感线圈，通孔底部安装有橡胶圈，传感线圈设置在橡胶圈上方，传感线圈的控制线从通孔另一侧引出；传感器基体通孔外围同轴挖有圆柱形凹槽用于放置悬浮线圈，悬浮线圈通过电流产生电磁场，进而产生电磁力控制球形转子悬浮，圆柱形凹槽上方设置有圆孔以便悬浮线圈的控制线引出。

传感线圈正对球形转子表面，通过检测感应电流无接触的测得传感线圈与球形转子之间的距离。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用模块化的设计思路，实现根据安装空间情况灵活设计布置磁路，使得动量球壳体可以呈现出多面体的结构，因而应用到微小卫星更多变的内部空间中，有利于提高微小卫星集成度。

(2)有限的体积内，本发明的驱动磁路占用更少的体积，球形转子可以做的更大，有利于实现更大输出力矩。同时提高了系统集成度，在达到一定输出力矩的情况下，更有利于实现磁悬浮动量球的小型化。

(3)本发明采用三相线圈驱动球形转子旋转，能够达到更高转速，实现更大输出力矩，并且可以借鉴三相电机控制方法进行控制。

(4)本发明“悬浮检控模块”实现了悬浮组件和驱动组件共轴作用，让磁悬浮动量球悬浮系统和旋转系统共用同一个坐标系进行描述。

附图说明

图1本发明整体结构示意图；

图2悬浮检控模块组成结构示意图；

图3悬浮检控模块连接使用示意图；

图4悬浮检控模块使用案例示意图，其中图4中的(a)为6个悬浮检控模块；图4中的(b)为8个悬浮检控模块；图4中的(c)为4个悬浮检控模块；

图5涡电流传感器外型结构示意图；

图6涡电流传感器内部剖面示意图；

图7悬浮及旋转驱动原理示意图。

具体实施案例

下面对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述：

如图1、7所示，本发明提出了一种模块组合式磁悬浮动量球，包括：悬浮检控模块1、球形转子2、驱动磁路3和壳体4；

多个悬浮检控模块1均固定在壳体4内壁上，多个驱动磁路3固定在悬浮检控模块1上，多个驱动磁路3形成的球形笼将球形转子2包裹其中，悬浮检控模块1产生的磁场令球形转子2保持悬浮，驱动磁路3产生的旋转磁场驱动球形转子2旋转。

悬浮检控模块1的数量不小于4个，如图4中的(a)、(b)、(c)所示，悬浮检控模块1的数量可以设置为4个、6个或者8个甚至其他数量。将所有悬浮检控模块1产生的电磁力分解到球形转子2的三个正交轴上，每个轴上的电磁力的和为零。

悬浮检控模块1与球形转子2之间、驱动磁路3与球形转子2之间均留有1mm～2mm气隙。

如图3所示，驱动磁路3包括弧形磁轭和三相线圈，三相线圈绕制在弧形磁轭上的凹槽中。弧形磁轭上的凹槽数量为6*N个，N取正整数。比如， N＝1或2。

如图2所示，悬浮检控模块1包括涡电流传感器5和本体8；本体8上设置有通孔以及侧壁螺纹孔9，涡电流传感器5固定在所述通孔内，驱动磁路3的弧形磁轭通过所述侧壁螺纹孔9固定在本体8上，所述通孔的轴线指向球形转子2的球心。本体8采用导磁材料制作。

涡电流传感器5包括传感线圈6、悬浮线圈7、橡胶圈10和传感器基体 11；

如图5、6所示，传感器基体11为圆柱体结构，中心挖有通孔用来放置传感线圈6，通孔底部安装有橡胶圈10，传感线圈6设置在橡胶圈10上方，传感线圈6的控制线从通孔另一侧引出；传感器基体11通孔外围同轴挖有圆柱形凹槽用于放置悬浮线圈7，悬浮线圈7通过电流产生电磁场，进而产生电磁力控制球形转子2悬浮，圆柱形凹槽上方设置有圆孔以便悬浮线圈7 的控制线引出。传感线圈6正对球形转子2表面，通过检测感应电流无接触的测得传感线圈6与球形转子2之间的距离。

以6个悬浮检控模块为例，本发明整体结构如图1所示。6个悬浮检控模块1呈正交分布，位于球形转子2三轴正交坐标系的坐标轴上，与球形转子2表面有1mm气隙，利用其余空间布置驱动磁路3。

驱动磁路3由弧形磁轭上绕三相线圈而成，这样既可以提高驱动效率，又可以借鉴三相电机的控制方法进行控制。驱动磁路3相互拼接成为一个球形笼，将球形转子2包裹其中，并与其表面有1mm气隙。悬浮检控模块1 同时安装在壳体4上，以固定位置，同时可以将控制电路集成在壳体4上，提高系统集成度。

悬浮检控模块1组成结构如图2所示，由四面体结构件嵌套涡电流传感器5而成，其中心打有通孔，作为涡电流传感器安装位，上下表面圆孔的圆心与上下表面的中心点重合，以保证涡电流传感器与驱动磁路3共轴作用。涡电流传感器的传感线圈6和悬浮线圈7通过下表面圆孔，共同控制球形转子2悬浮。其控制电路板可以安装在壳体4上提高系统集成度。悬浮检控模块1使用导磁材料8制作，其四周表面设有螺纹孔9，安装驱动磁路3。悬浮检控模块1固定在壳体4上，呈正交分布。悬浮检控模块1连接使用情况如图3所示。

悬浮检控模块1让涡电流传感器5和驱动磁路3实现共轴作用，即悬浮系统和旋转系统共用一个坐标系进行描述和计算，因而大大降低了控制难度。悬浮检控模块1能够实现模块化的悬浮及旋转一体化系统，且可以灵活组装，使系统外型以多种不同的多面体结构呈现，并且实现磁悬浮轴承支持及万向旋转，因而能够更灵活应用在各种飞行器内部空间上。

因球形转子2受到的悬浮力和旋转力可以分解到3个正交自由度的坐标轴上，只要悬浮检控模块1的布局能够使分解到三轴正交坐标系3个坐标轴上的各自悬浮力合为0，并提供足够大的悬浮力及驱动力，即能够实现悬浮力矩的平衡，实现球形转子2的磁悬浮轴承支撑。利用其余空间布置驱动磁路3，即可实现万向旋转。为了达到悬浮力矩的平衡，至少需要4个悬浮检控模块1，如图4所示，本发明选择图4中的(a)所示6个悬浮检控模块1呈正交分布的方案实现磁悬浮支撑及万向旋转。

悬浮检控模块1内嵌的涡电流传感器5也是本发明核心组件之一，其外型结构如图5所示，为圆柱体结构，中心挖有通孔用来放置传感线圈6，其控制线从上方圆孔穿出。传感线圈6需正对球形转子2表面，可以通过检测感应电流无接触的测得与球形转子2的表面的距离。通孔外围又嵌套挖有圆柱形凹槽用于放置悬浮线圈7，悬浮线圈7通过电流产生电磁场，进而产生电磁力控制球形转子2悬浮。凹槽上方有小圆孔以便悬浮线圈7控制线穿出。通孔最下方装有胶垫10，以防传感线圈6因球形转子2受力不平衡时被吸附到一边而被砸坏。涡电流传感器5的内部结构如图6所示。

本发明悬浮及驱动原理如图7所示，6个悬浮检控模块1呈正交分布，分成3对，通过其内嵌套的涡电流传感器5同时提供球形转子沿3个平动自由度的悬浮力，为方便表达，仅以1个正交自由度进行说明，其他两个正交自由度完全相同。

对称的1对涡电流传感器5共同作用于球形转子2，同时负责球形转子 2在1个正交自由度上的悬浮。通过传感线圈6无接触的检测球形转子在该正交自由度上的位置信息，然后经控制电路进行处理并实现控制算法，最后输出给悬浮线圈7产生平动力，控制球形转子在该正交自由度平动。当球形转子球体受到任何方向的扰动偏离平衡点时，控制电路将根据位移误差调整其悬浮线圈7的电磁场，进而产生相应的力，使球形转子回到平衡点。其中平衡点可以通过控制电路设置。

沿三个球形转子2表面布置驱动磁路3，1个自由度上对称的4个驱动磁路3为1组，1组驱动磁路3共同作用于球形转子2，同时负责球形转子2在1个正交自由度上的旋转。在球形转子2保持悬浮状态时，驱动磁路 3通入电流即可驱动球形转子2旋转。通过控制驱动磁路3上的三相电流进而产生旋转磁场，使得球形转子2表面产生感应涡电流，建立磁极并追随旋转磁场旋转。

在本实施例中，有6个涡电流传感器5，3对悬浮线圈7及3组驱动磁路3作为执行机构，为了提高磁悬浮的性能，将对每个执行机构单独进行解耦控制。当球形转子2发生某一个方向的位移时，传感线圈6会探测3个不同的信号，分别反映球形转子2在3个平动自由度的位置信息。经过控制电路进行处理，相应的3对涡电流传感器悬浮线圈上产生3个平动自动度的悬浮力，使球形转子重新回到平衡点，实现磁悬浮的控制。在球形转子2保持悬浮状态时，控制每个驱动磁路3中的三相电流即可驱动球形转子2沿任意方向旋转。涡电流传感器1调理电路与驱动磁路3的控制器和驱动电路可以集成在壳体4上，提高系统集成度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种模块组合式磁悬浮动量球，其特征在于包括：悬浮检控模块(1)、球形转子(2)、驱动磁路(3)和壳体(4)；

多个悬浮检控模块(1)均固定在壳体(4)内壁上，多个驱动磁路(3)固定在悬浮检控模块(1)上，多个驱动磁路(3)形成的球形笼将球形转子(2)包裹其中，悬浮检控模块(1)产生的磁场令球形转子(2)保持悬浮，驱动磁路(3)产生的旋转磁场驱动球形转子(2)旋转；

悬浮检控模块(1)包括涡电流传感器(5)和本体(8)；本体(8)上设置有通孔以及侧壁螺纹孔(9)，涡电流传感器(5)固定在所述通孔内，驱动磁路(3)的弧形磁轭通过所述侧壁螺纹孔(9)固定在本体(8)上，所述通孔的轴线指向球形转子(2)的球心；

涡电流传感器(5)包括传感线圈(6)、悬浮线圈(7)、橡胶圈(10)和传感器基体(11)；

传感器基体(11)为圆柱体结构，中心挖有通孔用来放置传感线圈(6)，通孔底部安装有橡胶圈(10)，传感线圈(6)设置在橡胶圈(10)上方，传感线圈(6)的控制线从通孔另一侧引出；传感器基体(11)通孔外围同轴挖有圆柱形凹槽用于放置悬浮线圈(7)，悬浮线圈(7)通过电流产生电磁场，进而产生电磁力控制球形转子(2)悬浮，圆柱形凹槽上方设置有圆孔以便悬浮线圈(7)的控制线引出。

2.根据权利要求1所述的一种模块组合式磁悬浮动量球，其特征在于：驱动磁路(3)包括弧形磁轭和三相线圈，三相线圈绕制在弧形磁轭上的凹槽中。

3.根据权利要求2所述的一种模块组合式磁悬浮动量球，其特征在于：弧形磁轭上的凹槽数量为6*N个，N取正整数。

4.根据权利要求1所述的一种模块组合式磁悬浮动量球，其特征在于：传感线圈(6)正对球形转子(2)表面，通过检测感应电流无接触的测得传感线圈(6)与球形转子(2)之间的距离。

5.根据权利要求1所述的一种模块组合式磁悬浮动量球，其特征在于：本体(8)采用导磁材料制作。

6.根据权利要求1所述的一种模块组合式磁悬浮动量球，其特征在于：悬浮检控模块(1)的数量不小于4个，将所有悬浮检控模块(1)产生的电磁力分解到球形转子(2)的三个正交轴上，每个轴上的电磁力的和为零。

7.根据权利要求1所述的一种模块组合式磁悬浮动量球，其特征在于：悬浮检控模块(1)与球形转子(2)之间、驱动磁路(3)与球形转子(2)之间均留有1mm～2mm气隙。

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