CN110657907B - 一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置，包括制冷机、冷屏、样本架、超导阵列、转接法兰、安装平台、支架、真空罩、永磁浮台、转速传感器、阻尼器和电磁轴承；真空罩为制冷机提供必要的真空工作条件，两级GM制冷机对超导阵列进行冷却，使其温度远低于临界温度，大大提高其超导性能从而提高悬浮稳定性；采用电磁轴承进行卸载，超导轴承提供水平约束力，维持悬浮稳定；测量时，整个被测推力系统处于悬浮支撑状态，彻底消除了推力器自重、推进剂及电力供应过程中的内力干扰，实现了微小力的精确测量。

Description

一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置

技术领域

本发明涉及微小力测量和高温超导磁悬浮领域，具体是一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置。

背景技术

近年来，微小卫星技术发展迅速，使其在不同领域不断实现各类技术验证和创新应用，微推力器作为保障微小卫星高精度控制的主要部件也在不断发展。微推力器的地面推力测量是其研发过程中最为关键的一环，微小力的精确测量可以为其设计改进、参数选择和性能评估提供必要的参考数据。然而，微推力器的地面推力测量技术比较复杂，微推力器的气路、电路连接方式、电磁扰动容易对推力测量造成干扰。此外，微推力器自重远远大于其推力，因此测量过程中需要平衡重力进而提高系统灵敏度。

目前，微推力测量系统所采用的基本动力学构型主要包括单摆型、垂摆型和扭摆型。单摆型的结构最为简单而且最为稳定，但其灵敏度一般低于其他类型，要想提高其灵敏度只有通过延长力臂的方法，而这一点对于较小的测量空间(如真空舱)来说很难实现。与单摆式推力台架不同，垂摆式推力架可以利用推力器的重量来放大推力造成的位移，由此可以提高灵敏度，但其稳定性也随之变差，因此这种推力架通常用于空间有限但对灵敏度要求很高的测量环境。扭摆式推力测量台架的最大优势在于其恢复力完全独立于推力器的重力，因此很少受到重力干扰。

高温超导体在超导态时具有抗磁性和磁通钉扎特性，可与永磁体之间产生稳定的悬浮力，利用这种特性可以制造一种非接触、低摩擦、无源自稳定的新型高性能磁轴承，在飞轮、动量轮等旋转机械领域具有广阔的应用前景。将高温超导磁悬浮技术应用于微小力测量，设计一种基于超导和电磁混合轴承的微小推力测量系统，采用电磁轴承卸载、超导轴承提供稳定，在满足稳定悬浮的同时提高悬浮力，大大减少了超导材料的使用从而节约成本。使微推力器处于悬浮支撑状态，实现一种既可测量稳态推力又可评估微推力器冲量作用的微小力测量方法，彻底消除了微推力器自重、推进剂及电力供应过程中产生的内力干扰，大大提高微推力器推力的地面测试水平。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置，其损耗低，摩擦系数低于10^-5；承载能力强，可满足20kg有效载荷；无源自稳定悬浮，无需任何悬浮控制系统；可以实现0～100mN的推力精确测量。

所述的测量装置包括制冷机、冷屏、样本架、超导阵列、转接法兰、安装平台、支架、真空罩、永磁浮台、转速传感器、阻尼器和电磁轴承。

制冷机位于测量装置下部，包括上下两级冷头，其边缘处各自均匀设有一圈螺纹通孔，用于安装冷屏及样本架；一级冷头的制冷温度为45K，用于冷屏的持续冷却；二级冷头的制冷温度为4.2K，用于样本架及超导阵列的持续冷却；制冷机底部设有圆形法兰盘，可通过螺钉与转接法兰固定连接。

冷屏为柱状圆筒，通过螺钉固定在一级冷头上，用于屏蔽热辐射；样本架外形为圆柱体，包括上下两部分，上半部有方形槽，用于放置超导阵列；下半部设有沉孔，可通过螺钉与二级冷头固定连接。

超导阵列采用六方YBCO高温超导块材，水平放置于样本架方形槽内，通过氧化铝盖板压紧，避免其上下振动。

转接法兰为柱状圆盘，通过螺钉与制冷机法兰盘、真空罩及安装平台固定连接。

真空罩为柱状圆筒，内外层之间设有真空夹层，可大幅度提高保温能力；底部为法兰圆盘，通过螺钉与转接法兰固定连接，真空罩、转接法兰、制冷机冷头、超导阵列均保持同轴。

安装平台包括上下两层平板，中心位置设有圆形通孔，上层板设有螺纹孔阵列，制冷机下半部穿过中心通孔，平放于安装平台上，通过转接法兰与其固定连接；

支架固定于安装平台上，位于装置外围，用于固定电磁铁、阻尼器等结构；

永磁浮台位于真空罩上方，包括聚磁铁环、永磁环、磁屏蔽铁板、铝背板和负载平台。铝背板为柱状圆筒，中间设有圆槽，顶部设有螺纹孔；两个永磁环同轴固定于铝背板圆槽内；永磁环之间及内外两侧各有一个聚磁铁环，可大幅度提升周向磁场均匀性，同时提高轴向磁场强度；磁屏蔽铁板同轴固定在铝背板外部平面，可有效避免永磁体磁场对测量装置的磁干扰；负载平台固定连接于磁屏蔽铁板上，用于放置被测微推力器。

阻尼器位于永磁浮台上方，包括阻尼线圈和减速铜板，减速铜板通过竖直连杆同轴固定于永磁浮台上方，阻尼线圈位于减速铜板上方边缘处，通过水平连杆固定在支架上；

转速传感器位于减速铜板的下方边缘处，通过水平连杆固定在支架上；

电磁轴承位于阻尼器上方，包括电磁铁和悬浮铁板，悬浮铁板通过竖直连杆同轴固定于减速铜板上方，电磁铁位于悬浮铁板正上方，通过水平连杆固定在支架上。

本发明的优点如下：

1)、一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置，采用制冷机对超导阵列进行传导冷却，可以将超导块温度降至4.2K左右，远低于超导块的临界温度(93K)，大大提升了超导块的悬浮性能，减小损耗，提高悬浮稳定性。

2)、一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置，原理简单，实验时只需要精确测量转速，即可根据角动量定理推导出被测推力。

3)、一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置，控制简便，利用高温超导磁悬浮磁通钉扎效应，永磁浮台可自稳定悬浮于超导块上方，无需任何悬浮控制系统。

4)、一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置，承载能力大，旋转损耗低，可在20kg载荷的条件下精确测量微牛级微小推力。

5)、一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置，采用了强聚磁、低漏磁永磁结构设计，在满足轴向大磁场梯度的同时，减小径向漏磁从而减小旋转损耗。

本发明的有益效果是：将高温超导自稳定磁悬浮技术应用于微小推力测量，与电磁轴承混合使用，在满足大承载、低损耗的同时实现自稳定悬浮，使整个微推力器处于悬浮支撑状态，实现一种微小推力精确测量方法。有望彻底消除微推力器自重、推进剂及电力供应过程产生的内力干扰，大大提高微推力器微小推力的地面测试水平。

附图说明

图1是本发明一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置的示意图；

图2是本发明制冷机的结构示意图；

图3是本发明永磁浮台的结构示意图；

1-安装平台，2-制冷机，3-转接法兰，4-真空罩，5-冷屏，6-样本架，7-超导阵列，8-永磁浮台，9-负载平台，10-转速传感器，11-减速铜板，12-阻尼线圈，13-悬浮铁板，14-电磁铁，15-支架，16-水平连杆，17-竖直连杆，201-一级冷头，202-二级冷头，203-法兰盘，801-内聚磁铁环，802-内永磁环，803-中聚磁铁环，804-外永磁环，805-外聚磁铁环，806-铝背板，807-磁屏蔽铁板。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置，利用超导-电磁混合轴承实现大承载、低损耗、自稳定悬浮，依据角动量定理对微小推力进行测量。该装置原理简单、控制简便，可在20kg载荷的条件下实现微牛级推力的精确测量。

所述的测量装置如图1所示，包括安装平台1，制冷机2，转接法兰3，真空罩4，冷屏5，样本架6，超导阵列7，永磁浮台8，负载平台9，转速传感器10，减速铜板11，阻尼线圈12，悬浮铁板13，电磁铁14，支架15，水平连杆16，竖直连杆17。

安装平台1为600mm×600mm的方形双层304不锈钢板，中心为直径270mm的圆形通孔，上层钢板分布着间距为25mm的M5螺纹孔阵列，用于安装固定其他结构。

如图2所示，制冷机2采用GM制冷机，为多级圆柱体结构，一级冷头201为直径125mm的柱状圆盘，位于制冷机中部，二级冷头202为直径68mm的柱状圆盘，位于制冷机中部，法兰盘203直径180mm，位于制冷机下部。两个冷头边缘各自有6个均匀分布的M5螺纹孔，分别用于安装冷屏5和样本架6；法兰盘203直径170mm处有8个均匀分布的M5螺纹孔，通过螺钉固定于转接法兰3下方。

冷屏5为柱状圆筒，底部为直径90mm的圆形通孔，底部直径110mm处有6个均匀分布的直径5mm的圆形通孔，通过螺钉固定连接于一级冷头201上方，用于减少真空罩内壁对二级冷头202及超导阵列7的热辐射；

样本架6为圆柱体结构，中心有80mm×78mm的方形槽，用于放置超导阵列7；方形槽底部有均匀分布的圆形通孔及沉孔，通过螺钉将其固定在二级冷头202上方。

转接法兰3为柱状圆环结构，内径为142mm，外径325mm，其直径170mm处有8个均匀分布的直径5mm的圆形通孔，用于和制冷机连接；直径155mm处为宽5mm、深3mm的圆形槽，用于安装O型密封环，提高转接法兰3和法兰盘203之间的接触密封性能；直径250mm处为8个均匀分布的M5螺纹孔，用于连接真空罩4；直径228mm处为宽7.4mm、深4.2mm的圆形槽，用于安装O型密封圈，提高转接法兰3和真空罩之间的接触密封性能；直径295mm处为8个均匀分布的直径5mm的圆形通孔，通过螺钉将其固定在安装平台上。

真空罩4为柱状圆筒结构，内径为213mm，外径为225mm，内外壁之间为真空夹层，可有效提高保温能力，真空罩底部为圆形法兰盘，其直径295mm处为8个均匀分布的直径5mm的圆形通孔，通过螺钉螺母与转接法兰固定连接；真空罩侧壁有排气孔，用于连接抽真空设备。

如图3所示，永磁浮台为多层圆柱结构，铝背板806为柱状圆筒，底部设有螺纹孔，用于固定连接磁屏蔽铁板807、负载平台9及竖直连杆17。铝背板806下部有一个内径10mm、外径88mm、深17mm的环形圆槽；聚磁铁环和永磁环通过金属胶水粘贴于铝背板806的圆槽内，自内而外分别是内聚磁铁环801、内永磁铁环802、中聚磁铁环803、外永磁环804和外聚磁铁环805，其中聚磁铁环的壁厚均为5mm，永磁环的壁厚均为12mm。

减速铜板11为圆盘结构，通过竖直连杆17固定于永磁浮台正上方，可以跟随永磁浮台8进行转动；阻尼线圈12为圆柱结构，对称分布于减速铜板11上方，通过水平连杆16固定在支架上；转速传感器10位于减速铜板11的下方，通过水平连杆16固定于支架上。

悬浮铁板13为圆盘结构，通过竖直连杆17同轴固定于减速铁板的正上方；电磁铁14为圆柱结构，位于悬浮铁板13的正上方，通过水平连杆16固定在支架上，电磁铁14与水平连杆16的连接处有三个螺纹调节装置，用于调节电磁铁的水平度。

工作前，制冷机2和超导阵列7均处于室温，超导阵列7处于正常态，对永磁浮台8没有稳定悬浮力。对电磁铁14输入大电流，悬浮铁板13在电磁吸引力作用下紧贴于电磁铁14下表面，带动永磁浮台8静止悬挂于超导阵列正上方。阻尼线圈12处于关闭状态。

工作时，首先将真空罩4侧壁排气口连接抽真空设备，使真空罩内部处于真空状态；随后启动制冷机2，对超导阵列7进行冷却，直至其温度保持为10K左右，远低于其临界温度。此时，缓慢降低电磁铁14的工作电流，减少其对悬浮铁板13的吸引力，永磁浮台8在自重作用下缓慢下降，在超导阵列7表面产生感应电流，与永磁浮台8相互作用产生竖直悬浮力，抵消其重力，同时在超导阵列7的磁通钉扎力作用下产生水平约束力，保持永磁浮台8的径向稳定。继续降低电磁铁14的工作电流，直到永磁浮台8稳定悬浮于合适的高度。

随后启动微推力器，永磁浮台8和减速铜板11在切向推力的作用下旋转，通过转速传感器10测量永磁浮台8的角速度及角加速度等参数。依据角动量定理，永磁浮台8的角加速度仅与其转动惯量以及所受力矩有关，根据测量得到的角加速度即可计算出永磁浮台8所受的实时力矩。

实验结束后，关闭微推力器。启动阻尼线圈12，在旋转的减速铜板11上产生感应电流，与阻尼线圈12的磁场相互作用产生阻力，使永磁浮台8逐渐减速直至静止。随后增加电磁铁14的工作电流，增大其对悬浮铁板13的吸引力，带动永磁浮台8向上运动直至悬浮铁板13紧紧吸附于电磁铁14的下表面。关闭制冷机2，超导阵列7逐渐恢复温度至室温，不再对永磁浮台8产生作用力。最后缓慢降低电磁铁14的工作电流，同时将永磁浮台8取下即可。

Claims (3)

1.一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置，其特征在于，包括制冷机、冷屏、样本架、超导阵列、转接法兰、安装平台、支架、真空罩、永磁浮台、转速传感器、阻尼器和电磁轴承；

制冷机位于装置下部，对冷屏及样本架进行持续冷却；样本架包括上下两部分，上半部设有方形槽，用于放置超导阵列；下半部设有沉孔，通过螺钉与二级冷头固定连接，超导阵列采用六方YBCO高温超导块材，水平放置于样本架方形槽内；

转接法兰为柱状圆盘，通过螺钉与制冷机、真空罩及安装平台固定连接；

真空罩为柱状圆筒，底部为法兰圆盘，通过螺钉与转接法兰固定连接，真空罩、转接法兰、制冷机冷头、超导阵列均保持同轴；

安装平台包括上下两层平板，中心位置设有圆形通孔，上层板设有螺纹孔阵列，制冷机下半部穿过中心通孔，平放于安装平台上，通过转接法兰与其固定连接；

支架固定于安装平台上，位于装置外围，用于固定电磁铁、阻尼器；

永磁浮台位于真空罩上方，为圆柱体结构，包括聚磁铁环、永磁环、磁屏蔽铁板、铝背板和负载平台，铝背板为柱状圆筒，中间设有圆槽，顶部设有螺纹孔；两个永磁环同轴固定于铝背板圆槽内；永磁环之间及内外两侧各有一个聚磁铁环；磁屏蔽铁板同轴固定在铝背板外部平面；负载平台固定连接于磁屏蔽铁板上，用于固定被测推力器；

阻尼器位于永磁浮台上方，包括阻尼线圈和减速铜板，减速铜板通过竖直连杆同轴固定于永磁浮台上方，阻尼线圈位于减速铜板上方边缘处，通过水平连杆固定在支架上；

转速传感器位于减速铜板的下方边缘处，通过水平连杆固定在支架上；

电磁轴承位于阻尼器上方，包括电磁铁和悬浮铁板，悬浮铁板通过竖直连杆同轴固定于减速铜板上方，电磁铁位于悬浮铁板正上方，通过水平连杆固定在支架上。

2.如权利要求1所述的一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置，其特征在于：测量原理为角动量定理，永磁浮台在微推力器的切向力作用下自由转动，通过测量永磁浮台的角速度及角加速度即可计算微推力器推力，既可测量稳态推力又可评估微推力器冲量作用；测量过程中微推力器处于悬浮支撑状态，可以彻底消除微推力器自重、推进剂及电力供应过程产生的内力干扰，大大提高微推力器推力的地面测试水平。

3.如权利要求1所述的一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置，其特征在于：工作前，超导阵列处于正常态，对永磁浮台没有作用力，采用电磁铁吸附固定永磁浮台同时采用制冷机对超导阵列进行持续冷却；待超导阵列冷却完毕进入超导态后，缓慢减小电磁铁的吸引力，永磁浮台在重力作用下缓缓下降，下降过程中，超导阵列表面产生感应电流对永磁浮台产生悬浮力，同时其内部磁通与永磁浮台磁场作用产生水平约束力，最终永磁浮台在电磁铁吸引力、超导阵列悬浮力和水平约束力作用下实现稳定悬浮，测量结束后，启动阻尼线圈，在减速铜板上产生感应电流，与阻尼线圈磁场作用产生阻力，使永磁浮台迅速减速直到停止转动。

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