CN109870261A - 一种用于微型推进器推力测量的低阻力磁悬浮平台 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于微型推进器推力测量的低阻力磁悬浮平台，包括滑动平台、导轨、泡沫挡板和高频响位移传感器；滑动平台上安装有长方形电磁铁，导轨上安装有铁氧体永磁铁，两者采用V型承力结构设计，利用磁铁间同极相斥的原理实现滑动平台的稳定悬浮，结合电涡流位移传感器实时调整滑动平台的滑动轨迹；微型推进器和高频响位移传感器固定于滑动平台上，当微型推进器工作产生推力时，带动滑动平台作近乎零阻力的一维直线滑动，同时高频响位移传感器实时记录滑动平台的位移，由此反算出微型推进器的推力。本发明可克服传统推力测量方法阻力过大或者系统灵敏性不足的问题，极大提高微推力的测量精度，可应用于推力精准测量领域。

Description

一种用于微型推进器推力测量的低阻力磁悬浮平台

技术领域

本发明涉及一种用于微型推进器推力测量的低阻力磁悬浮直线运动平台，属于磁悬浮领域。

背景技术

微型推进器是近年来研究热度较高的一种动力装置，它同时具备系统小型化及能量密度高的优势，故在军事、航空航天等领域有着巨大的应用价值。对于大多数的微型推进器，推力是设计人员必须关注的指标之一。在相同的条件下，推进器产生的推力越大，可说明其做功能力更强，性能更优。因此，推力测量是大多数微型推进器投入实用前的必经阶段。

就目前而言，用于微型推进器推力测量的方法主要有直接法、天平结构法、悬摆法等。直接法是在台架上直接用位移传感器测量推进器的位移，进而通过公式转化为推力；但由于存在摩擦阻力，使测量出来的推力与实际推力存在偏差。天平结构法是预先平衡推进器及其附件的重量，再通过测量元件产生平衡力确定推进器产生的推力；但该法动态响应较慢，且平衡不稳定，使测量结果与实际产生偏差。悬摆法是用细绳或钢丝将推进器悬挂于固定架上，通过推进器工作时摆动的位移，结合能量守恒方程计算出推力；但由于引线存在牵引阻力，从而使计算结果产生偏差。

可以看到，上述几种常用的推力测量方法或是存在阻力，或是测量系统存在固有缺陷：灵敏度不足。然而，微型推进器产生的推力极为有限，一般介于μN～N量级之间，使用这些传统的推力测量方法，会给测试结果造成巨大影响，甚至会测量不到推力。因此，寻求一种近乎零阻力且能敏感响应微小推力的测量方法显得尤为重要。

磁悬浮技术的出现给这一问题的解决提供了可行思路，借助于磁铁间的吸力或斥力，可使微型推进器悬浮于空气中，脱离与其他器件的接触，极大程度地减少接触摩擦阻力。但目前国内外主要将磁悬浮技术应用于交通运输、精密运动平台、轴承传动等领域，仍未见有将磁悬浮技术与微推力测量相结合的报道。因此，设计出一款结构简单，且适用于微型推进器推力测量的磁悬浮平台具有巨大的现实意义。

发明内容

在微型推进器推力测量领域，阻力的存在或者测量系统的固有缺陷(如灵敏度不足)会对测量结果造成巨大影响，甚至会完全“淹没”推力。为了解决现有微型推进器推力测量方法阻力过大，灵敏度不足的问题，本发明结合电磁-永磁技术，设计了一种具有自稳定结构、性能可靠的低阻力磁悬浮推力测量平台。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于微型推进器推力测量的低阻力磁悬浮平台，包括滑动平台、导轨、泡沫挡板和高频响位移传感器，其特征在于：滑动平台上固定有微型推进器和高频响位移传感器，通过磁铁间产生的斥力以1mm的悬浮间隙悬浮于导轨上方，充分发挥磁铁间隙越小，排斥力对间隙变化越敏感的负反馈调节效应，当微型推进器工作产生推力时，可带动滑动平台作近乎零阻力的一维直线滑动，同时高频响位移传感器实时记录滑动平台的滑动位置，由此可反算出微型推进器产生的推力。

所述的滑动平台包括倒V型斜板①、倒V型斜板②、凹腔、支撑板和电涡流位移传感器；倒V型斜板①和倒V型斜板②的V型斜面夹角均为150°，每块倒V型斜板均有两列用于放置长方形电磁铁的第一凹槽阵列结构，每列两个，整个滑动平台共可放置8块长方形电磁铁，通过每个凹槽内的四个螺栓孔将长方形电磁铁固定于倒V型斜板上，为滑动平台提供足够的铅锤排斥力及水平斥力，保证稳定悬浮于导轨上方的同时，约束滑动平台在水平方向的偏移，使滑动平台严格按照一维直线方向在导轨上滑动，引入自稳定功能。

所述的凹腔包括凹腔侧板①、凹腔侧板②和凹腔底板，每个部件分别铣有三个洞槽，在保证结构强度的前提下充分减轻滑动平台的重量；凹腔侧板①和凹腔侧板②通过螺栓与凹腔底板垂直固连，组成一个用于放置微型推进器的腔体；凹腔侧板①和凹腔侧板②分别通过螺栓与倒V型斜板①和倒V型斜板②定位、固连，方便滑动平台的安装与拆卸，同时减少整个滑动平台的加工成本及难度。

所述的支撑板为长方形薄板，数量为2块，长度恰为滑动平台凹腔侧板①和凹腔侧板②之间的距离，两侧分别通过螺栓与凹腔侧板①和凹腔侧板②固连，增强整个凹腔的结构强度，防止滑动平台由于承受太大重量而产生变形。

所述的电涡流位移传感器为2个，安装在所述倒V型斜板①的长方形电磁铁边缘附近，用于检测滑动平台在滑动过程中的位置偏移，并通过控制算法(如PID控制、神经网络控制)及时将滑动平台回调至预设位置，保证滑动轨迹严格限定在一维直线方向。

所述的导轨采用多段模块化设计，每段导轨包括V型体①、V型体②和底板；V型体①和V型体②的上表面均为V型斜面，夹角为150°，每个V型体上表面均有两列用于放置铁氧体永磁铁的第二凹槽阵列结构，每列四个，单段导轨共可放置16块铁氧体永磁铁；单个凹槽内有四个用于放置钕铁硼永磁铁的圆柱形小凹槽，钕铁硼永磁铁通过强力胶水紧粘于圆柱形小凹槽内，当安放铁氧体永磁铁后，可利用强吸力将其紧紧吸住，防止铁氧体永磁铁掉落出来；相邻两块铁氧体永磁铁的间距为15mm，在列向可近似产生匀强磁场，保证滑动平台受力均匀，平稳滑动；V型体①和V型体②分别与底板通过两排螺栓实现定位、固连，在方便拆装的同时，减少加工难度及成本；V型体①和V型体②的外侧表面各有四个定位销钉孔，用于多段导轨的精密定位与相连，在实验过程中可根据滑动平台的滑动时间灵活调节导轨的总长度，一般滑动时间增加3s则多需连接一段导轨。

所述的泡沫挡板安装到导轨末端，在滑动平台不受到磨损的情况下使其在导轨末端的位置强制停下，避免滑动平台滑出导轨。

所述的高频响位移传感器安装于滑动平台的前端面处，通过螺栓与滑动平台的凹腔底板固连，以导轨末端的泡沫挡板为基准，位移传感器实时记录滑动平台的运动位置。

有益效果：采用本发明提供的磁悬浮推力测量平台，可使安装有微型推进器的滑动平台悬浮于导轨之上，脱离与其他部件的接触，避免产生摩擦阻力，有效地降低测量过程中的各种阻力；另外，高频响位移传感器的引入，可使测量系统的灵敏度极大提高，使测量结果尽可能与实际推力相一致，有效解决现有微型推进器推力测量过程阻力过大或者系统灵敏度不足的问题。

附图说明

图1为用于微型推进器推力测量的低阻力磁悬浮平台的整体结构示意图。

图2为滑动平台结构示意图。

图3为长方形电磁铁分布示意图。

图4为单段导轨结构示意图。

图5为铁氧体永磁铁分布示意图。

其中，1为滑动平台，2为导轨，3为泡沫挡板，4为高频响位移传感器，1-1为倒V型斜板①，1-2为倒V型斜板②，1-3为第一凹槽阵列，1-4为凹槽螺栓孔，1-5为凹腔侧板①，1-6为凹腔侧板②，1-7为凹腔底板，1-8为支撑板①，1-9为支撑板②，1-11为长方形电磁铁①，1-12为长方形电磁铁②，1-13为长方形电磁铁③，1-14为长方形电磁铁④，1-21为长方形电磁铁⑤，1-22为长方形电磁铁⑥，1-23为长方形电磁铁⑦，1-24为长方形电磁铁⑧，1-01为电涡流位移传感器①，1-02为电涡流位移传感器②，2-1为V型体①，2-2为V型体②，2-3为底板，2-4为第二凹槽阵列，2-5为圆柱形小凹槽，2-6为定位销钉孔，2-11为铁氧体永磁铁①，2-12为铁氧体永磁铁②，2-13为铁氧体永磁铁③，2-14为铁氧体永磁铁④，2-15为铁氧体永磁铁⑤，2-16为铁氧体永磁铁⑥，2-17为铁氧体永磁铁⑦，2-18为铁氧体永磁铁⑧，2-21为铁氧体永磁铁⑨，2-22为铁氧体永磁铁⑩，2-23为铁氧体永磁铁2-24为铁氧体永磁铁2-25为铁氧体永磁铁2-26为铁氧体永磁铁2-27为铁氧体永磁铁2-28为铁氧体永磁铁

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施过程对本发明作进一步说明。

参见图1，滑动平台1和导轨2的承力处均采用V型设计，采用150°的V型夹角设计原因为保证铅锤方向具有足够大的排斥力，平稳支撑起整个滑动平台1，假设每个V型斜面的排斥力为F，由受力分析易知滑动平台1受到铅锤方向的力为F*sin75°，水平方向的力为F*cos75°，由此可见极大部分的排斥力均用于提供滑动平台1的悬浮。当滑动平台1处于设计的平衡位置时，水平方向的合力恰好为零，仅受到铅垂方向的支撑力，而当滑动平台1在滑动过程中沿水平方向发生向左或向右偏移时，会在水平方向产生一个与偏移方向相反的合力，使滑动平台1矫正回预设的平衡位置。另外，滑动平台1绕x、y和z轴转动的三个旋转自由度也由于V型承力设计的引入而被限制，仅剩下沿导轨2直线滑动方向的唯一自由度，故本发明的低阻力磁悬浮推力测量平台具有自稳定结构。

参见图2、图3、图4和图5，在进行推力测量前，先预估滑动平台1所需的滑动时间范围，由此确定导轨2所需的段数，一般一段导轨可让滑动平台1的滑动时间为3s左右，若微型推进器的工作时间在5s以内，则需要两段导轨即可，若工作时间更长，则需要的导轨段数增多。接着通过螺栓将倒V型斜板①(1-1)、倒V型斜板②(1-2)、凹腔侧板①(1-5)、凹腔侧板②(1-6)、凹腔底板1-7、支撑板①(1-8)和支撑板②(1-9)进行连接。图3为8块长方形电磁铁的分布示意图，将长方形电磁铁①(1-11)、长方形电磁铁②(1-12)、长方形电磁铁③(1-13)、长方形电磁铁④(1-14)、长方形电磁铁⑤(1-21)、长方形电磁铁⑥(1-22)、长方形电磁铁⑦(1-23)和长方形电磁铁⑧(1-24)通过凹槽螺栓孔1-4安装于倒V型斜板①(1-1)和倒V型斜板②(1-2)的第一凹槽阵列1-3内，组装成滑动平台1(如图2所示)。通过螺栓将V型体①(2-1)、V型体②(2-2)和底板2-3连接起来，在V型体①(2-1)和V型体②(2-2)第二凹槽阵列2-4内的每个第二凹槽的四个圆柱形小凹槽2-5内放置钕铁硼永磁铁，并用强力胶水粘紧。图5为16块铁氧体永磁铁的分布示意图，将铁氧体永磁铁①(2-11)、铁氧体永磁铁②(2-12)、铁氧体永磁铁③(2-13)、铁氧体永磁铁④(2-14)、铁氧体永磁铁⑤(2-15)、铁氧体永磁铁⑥(2-16)、铁氧体永磁铁⑦(2-17)、铁氧体永磁铁⑧(2-18)、铁氧体永磁铁⑨(2-21)、铁氧体永磁铁⑩(2-22)、铁氧体永磁铁(2-23)、铁氧体永磁铁(2-24)、铁氧体永磁铁(2-25)、铁氧体永磁铁(2-26)、铁氧体永磁铁(2-27)和铁氧体永磁铁(2-28)放置于V型体①(2-1)和V型体②(2-2)的第二凹槽阵列2-4内，利用钕铁硼永磁铁的强吸力将16块铁氧体永磁铁紧固于V型体中，由此组装成单段导轨(如图4所示)，最后将定位销钉插入到定位销钉孔2-6中，实现多段导轨的定位与连接，组成长度满足实验需求的导轨2。导轨2末端固定有材质柔软但韧性较强的泡沫挡板3，滑动平台1作一维直线滑动的过程中，在不受到磨损的情况下可在导轨2的末端位置强制停下，以防冲出导轨2掉落地面后对各部件造成损坏。微型推进器放置于由凹腔侧板①(1-5)、凹腔侧板②(1-6)和凹腔底板1-7组成的凹腔内，可通过螺栓、绑带、焊接等多种固连方式将微型推进器与凹腔连接牢固，在微型推进器工作产生推力时，可带动滑动平台1一起滑动。高频响位移传感器4通过螺栓固定于凹腔底板1-7的前边缘处，以泡沫挡板3为基准，在滑动平台1作一维直线滑动的过程中，实时记录滑动平台1的位置，用于后期的推力计算。

实验前先调节长方形电磁铁①(1-11)、长方形电磁铁②(1-12)、长方形电磁铁③(1-13)、长方形电磁铁④(1-14)、长方形电磁铁⑤(1-21)、长方形电磁铁⑥(1-22)、长方形电磁铁⑦(1-23)和长方形电磁铁⑧(1-24)电磁线圈中的电流以改变电磁力大小，使滑动平台1以1mm的间隙悬浮于导轨2上方。采用此悬浮间隙设计的原因为增强负反馈调节效应，当磁铁间的间隙越小时，排斥力受间隙改变的变化越灵敏，当间隙发生细微变化时，磁铁间的排斥力变化也较大，故滑动平台1在滑动过程中发生偏移时，可产生更强的矫正力使其偏移回平衡位置，相当于引入更强的负反馈效应。

参见图3，长方形电磁铁①(1-11)和长方形电磁铁②(1-12)边缘附近有两个电涡流位移传感器，即电涡流位移传感器①(1-01)和电涡流位移传感器②(1-02)，实验过程中安装在图2所示的倒V型斜板①(1-1)中，分别用于实时反馈长方形电磁铁①(1-11)和长方形电磁铁②(1-12)与相应导轨面之间的间隙，从传感器采集到的位移信号可转变成电压信号，结合相应的控制算法(如PID控制、神经网络控制等)，及时调整控制参数并产生输出电压，通过功率放大器实时控制励磁线圈中的通电电流，从而改变电磁悬浮力的大小，使滑动平台1始终稳定悬浮于导轨2上方。其中，长方形电磁铁①(1-11)、长方形电磁铁③(1-13)、长方形电磁铁⑤(1-21)和长方形电磁铁⑦(1-23)的励磁线圈电流由电涡流位移传感器①(1-01)反馈的间隙大小进行调整，长方形电磁铁②(1-12)、长方形电磁铁④(1-14)、长方形电磁铁⑥(1-22)和长方形电磁铁⑧(1-24)的励磁线圈电流由电涡流位移传感器②(1-02)反馈的间隙大小进行调整。

以上结合附图和具体实施过程对本发明的具体实施方式作了详细描述，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的技术人员不脱离本发明原理的前提下，可以对上述方法做出各种改变与优化。

Claims (8)

1.一种用于微型推进器推力测量的低阻力磁悬浮平台，包括滑动平台、导轨、泡沫挡板和高频响位移传感器，其特征在于：滑动平台上固定有微型推进器和高频响位移传感器，通过磁铁间产生的斥力以1mm的悬浮间隙悬浮于导轨上方，充分发挥磁铁间隙越小，排斥力对间隙变化越敏感的负反馈调节效应，当微型推进器工作产生推力时，可带动滑动平台作近乎零阻力的一维直线滑动，同时高频响位移传感器实时记录滑动平台的滑动位置，由此反算出微型推进器产生的推力。

2.根据权利要求1所述的一种用于微型推进器推力测量的低阻力磁悬浮平台，其特征在于：所述的滑动平台包括倒V型斜板①、倒V型斜板②、凹腔、支撑板和电涡流位移传感器；倒V型斜板①和倒V型斜板②的V型斜面夹角均为150°，每块倒V型斜板均有两列用于放置长方形电磁铁的第一凹槽阵列结构，每列两个，整个滑动平台共可放置8块长方形电磁铁，通过每个凹槽内的四个螺栓孔将长方形电磁铁固定于倒V型斜板上，为滑动平台提供足够的铅锤排斥力及水平斥力，保证稳定悬浮于导轨上方的同时，约束滑动平台在水平方向的偏移，使滑动平台严格按照一维直线方向在导轨上滑动，引入自稳定功能。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于微型推进器推力测量的低阻力磁悬浮平台，其特征在于：所述的凹腔包括凹腔侧板①、凹腔侧板②和凹腔底板，每个部件分别铣有三个洞槽，在保证结构强度的前提下充分减轻滑动平台的重量；凹腔侧板①和凹腔侧板②通过螺栓与凹腔底板垂直固连，组成一个用于放置微型推进器的腔体；凹腔侧板①和凹腔侧板②分别通过螺栓与倒V型斜板①和倒V型斜板②定位、固连，方便滑动平台的安装及拆卸。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于微型推进器推力测量的低阻力磁悬浮平台，其特征在于：所述的支撑板为长方形薄板，数量为2块，长度恰为滑动平台凹腔侧板①和凹腔侧板②之间的距离，两侧分别通过螺栓与凹腔侧板①和凹腔侧板②固连，增强整个凹腔的结构强度，防止滑动平台由于承受太大重量而产生变形。

5.根据权利要求1或2所述的一种用于微型推进器推力测量的低阻力磁悬浮平台，其特征在于：所述的电涡流位移传感器为2个，安装在所述倒V型斜板①的长方形电磁铁边缘附近，用于检测滑动平台在滑动过程中的位置偏移，并通过控制算法(如PID控制、神经网络控制)及时将滑动平台回调至预设位置，保证滑动轨迹严格限定在一维直线方向。

6.根据权利要求1所述的一种用于微型推进器推力测量的低阻力磁悬浮平台，其特征在于：所述的导轨采用多段模块化设计，每段导轨包括V型体①、V型体②和底板；V型体①和V型体②的上表面均为V型斜面，夹角为150°，每个V型体上表面均有两列用于放置铁氧体永磁铁的第二凹槽阵列结构，每列四个，单段导轨共可放置16块铁氧体永磁铁；单个凹槽内有四个用于放置钕铁硼永磁铁的圆柱形小凹槽，钕铁硼永磁铁通过强力胶水紧粘于圆柱形小凹槽内，当安放铁氧体永磁铁后，利用强吸力将其紧紧吸住，防止铁氧体永磁铁掉落出来；相邻两块铁氧体永磁铁的间距为15mm，在列向可近似产生匀强磁场，保证滑动平台受力均匀，平稳滑动；V型体①和V型体②分别与底板通过两排螺栓实现定位、固连，在方便拆装的同时，减少加工难度及成本；V型体①和V型体②的外侧表面各有四个定位销钉孔，用于多段导轨的精密定位与相连，在实验过程中可根据滑动平台的滑动时间灵活调节导轨的总长度，一般滑动时间增加3s则多需连接一段导轨。

7.根据权利要求1所述的一种用于微型推进器推力测量的低阻力磁悬浮平台，其特征在于：所述的泡沫挡板安装到导轨末端，在滑动平台不受到磨损的情况下使其在导轨末端的位置强制停下，避免滑动平台滑出导轨。

8.根据权利要求1所述的一种用于微型推进器推力测量的低阻力磁悬浮平台，其特征在于：所述的高频响位移传感器安装于滑动平台的前端面处，通过螺栓与滑动平台的凹腔底板固连，以导轨末端的泡沫挡板为基准，位移传感器实时记录滑动平台的运动位置。