CN110683080A - 一种磁悬浮球碗轴承装置 - Google Patents

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王海涌
徐源
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Beihang University
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Beijing University of Aeronautics and Astronautics
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    • B64G7/00—Simulating cosmonautic conditions, e.g. for conditioning crews

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Abstract

本发明提供一种磁悬浮球碗轴承装置。该装置包括上下放置的球形结构和碗形结构两部分，上面部分具有三自由度转动能力。设计两个磁体，可以是永磁体和电控磁体的组合，也可以是两个电控磁体的组合，令其同极对立，同极互斥磁力将所述两部分结构分开一个间隙。所述两个磁体分别置于球形结构和碗形结构中。空间动力学模拟设备的基座和平台通过磁悬浮球碗轴承连接，所述平台作为飞行器本体的模拟器，可开展空间环境下的定点转动三轴姿态动力学模拟试验。本发明所涉及的磁悬浮球碗轴承装置具有三自由度旋转功能。相比于气浮台本发明装置具有体积小、质量轻、成本低、消除摩擦力、可置入真空罐开展综合试验等优点。

Description

一种磁悬浮球碗轴承装置
(一)技术领域
本发明属于飞行器模拟试验领域，可用于模拟没有大气阻力的空间飞行器动力学地面试验装置中。
(二)背景技术
在空间飞行器姿态控制地面模拟试验中，需要构建特种装置及环境，用以等效于姿态运动的空间环境，比如：失重、无空气。传统上常用气浮台，其基本原理是在球轴承与球窝之间注入一层气膜，将气浮台台体与基座隔离，气膜极大程度地消除了由台体重量导致的转动摩擦力，从而能够模拟空间微重力环境下的飞行器三轴角运动。早在20世纪50年代末，美国开始对气浮台展开研究，国内最早开展气浮台应用研究的是北京控制工程研究所。气浮台体积和重量大、造价昂贵，通常用来模拟大卫星或其它大型空间飞行器，然而对于小卫星姿态运动仿真来说，气浮台则不适用。而且，球轴承上覆盖的隔离气膜需要持续涌出气体来维持，所以气浮台不能置于真空罐中工作。本发明所提供的一种磁悬浮球碗轴承装置，可以做到小体积和低重量，尤其是基于互斥磁力产生轴承结构间隙，代替气膜将平台托起，没有气体涌出，适合工作于真空罐中，为开展小卫星的姿态控制仿真实验提供了极大的方便。
(三)发明内容
本发明提供一种磁悬浮球碗轴承装置，可用于飞行器姿态动力学的地面模拟试验装置中。
本发明提供的技术方案如下：
磁悬浮球碗轴承的机械结构包括球形结构和碗形结构两部分，两部分上下放置，上面部分具有三自由度转动能力。设计两个磁体，可以是永磁体和电控磁体的组合，也可以是两个电控磁体的组合，令其同极对立，同极互斥磁力将所述两部分结构分开一个间隙。所述两个磁体分别置于球形结构和碗形结构中。
空间动力学模拟设备的基座和平台通过磁悬浮球碗轴承连接，所述平台作为飞行器本体的模拟器，可开展空间环境下的定点转动三轴姿态动力学模拟试验。
本发明的有益效果是：
本发明所涉及的磁悬浮球碗轴承具有三自由度旋转功能，已有的磁悬浮轴承只能实现单自由度旋转，二自由度或三自由度旋转需要单轴磁悬浮装置的组合才能实现。相比于气浮台本发明装置具有体积小、质量轻、成本低、消除摩擦力、可置入真空罐开展综合试验等优点。
(四)附图说明
图1为磁悬浮球碗轴承装置的示意图。
图中序号说明如下：
序号1是空间动力学模拟设备的平台。
序号2是磁悬浮球碗轴承的球形结构部分。
序号3是永磁体。
序号4是互斥磁力产生的结构间隙。
序号5是磁悬浮球碗轴承的碗形结构部分。
序号6是电控磁体。
序号7是支撑基座。
(五)具体实施方式
下面对本发明做更详细的描述：
支撑轴顶部设计为球心角120°的碗形结构，张口向上，碗形结构下部装有基于线圈的电控磁体，用于产生在该球心角120°球面上处处具有指向球心的可变强度磁力线。
空间动力学模拟设备的平台上固联球形结构轴承，与碗轴承顶部配合，设计为半径略小于支撑轴球面内径的球形形状，球内装有永磁体，在不小于150°球心角范围内产生沿球面外法线方向的等强度磁力线，与碗形结构支撑轴磁力线互斥。即，在碗形结构支撑轴和空间动力学模拟设备的平台球轴承的接触间隙处形成互斥磁场，形成磁悬浮力场。这一力场的总体要求是：保证磁力仅用于形成磁悬浮效果，而不产生干扰磁力矩。磁场强度可在碗形结构支撑轴及基座内的电控单元来调整，以保证合适的磁悬浮间隙。在做空间三轴姿态动力学试验时，可将飞行器放置在平台上进行姿态控制试验，执行机构可以是飞行器自身的飞轮、控制力矩陀螺、冷喷气推力器或者固体化学推进器阵列姿态控制器。

Claims (3)

1.一种磁悬浮球碗轴承装置，其特征在于：磁悬浮球碗轴承的机械结构包括上下放置的球形结构和碗形结构两部分，上面部分具有三自由度转动能力。
2.一种磁悬浮球碗轴承装置，其特征在于：设计两个磁体，令其同极对立，同极互斥磁力将所述两部分结构分开一个间隙。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的一种磁悬浮球碗轴承装置，其特征在于：所述两个磁体可以是永磁体和电控磁体的组合，也可以是两个电控磁体的组合，分别置于球形结构和碗形结构中。
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