CN110896289A - 多点磁悬浮重力卸载装置 - Google Patents

多点磁悬浮重力卸载装置 Download PDF

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Abstract

多点磁悬浮重力卸载装置，属于磁悬浮领域，本发明为解决采用悬吊法对光学载荷进行重力卸载存在的问题。本发明包括基座平台、m个磁悬浮卸载点和水平姿态控制单元；基座平台上布设m个磁悬浮卸载点，在基座平台上的m个磁悬浮卸载点的外围区域设置水平姿态控制单元，所述水平姿态控制单元用于实现光学载荷的水平稳定控制。m个磁悬浮卸载点均独立与光学载荷连接；或将m个磁悬浮卸载点分组形成多个磁悬浮卸载单元，每个单元的若干个磁悬浮卸载点通过一号转接板与光学载荷连接。

Description

多点磁悬浮重力卸载装置
技术领域
本发明属于磁悬浮领域，涉及空间光学载荷的重力卸载技术。
背景技术
大型空间光学载荷在进行航天发射之前需要进行地面实验验证，对光学载荷系统性能进行综合测试与评定。目前，一般采用悬吊法将光学载荷整舱托起，抵消其重力作用，模拟空间失重环境，具体参见图1，光学载荷整舱包括一级稳像系统与二级稳像系统，两个稳像系统之间采用各向刚度较低的三超平台实现相对姿态的调整。传统的悬吊法虽然可以在一定程度上对失重环境进行模拟，但由于大型空间光学载荷质量较大，一般超过10吨，因此存在一些问题。首先，吊索位置固定，当光学载荷发生水平位移时，吊索沿侧向会产生分力作用，其次，吊索自身存在的扭转刚度会对测试精度产生干扰，另外，该种方法存在较大安全隐患，一旦吊索断裂会造成光学载荷的严重损坏。
发明内容
本发明目的是为了解决采用悬吊法对光学载荷进行重力卸载存在的问题，提供了一种多点磁悬浮重力卸载装置。
本发明所述多点磁悬浮重力卸载装置包括基座平台1、m个磁悬浮卸载点2和水平姿态控制单元；基座平台1上布设m个磁悬浮卸载点2，在基座平台1上的m个磁悬浮卸载点2的外围区域设置水平姿态控制单元，所述水平姿态控制单元用于实现光学载荷的水平稳定控制。
优选地，m个磁悬浮卸载点2均独立与光学载荷连接；或将m个磁悬浮卸载点2分组形成多个磁悬浮卸载单元5，每个单元的若干个磁悬浮卸载点2通过一号转接板6与光学载荷连接。
优选地，磁悬浮卸载点2包括磁悬浮模块7和两个z向平板型音圈电机8，两个z向平板型音圈电机8设置在磁悬浮模块7两侧，磁悬浮模块7的定子与两个z向平板型音圈电机8的定子通过二号转接板9固定在一起，磁悬浮卸载点2的二号转接板固定设置在基座平台1上；磁悬浮模块7的动子与两个z向平板型音圈电机8的动子通过三号转接板10固定在一起，磁悬浮卸载点2的三号转接板连接光学载荷，或通过一号转接板6连接光学载荷。
优选地，磁悬浮模块7包括定子和动子，定子和动子是相互平行、由N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，定子和动子之间存在z向气隙；每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔；
永磁体充磁方向为z向，每层平板结构中永磁体的充磁方向相同；定子和动子的永磁体的充磁方向相反。
优选地，磁悬浮模块7包括定子和动子，定子和动子是相互平行、由N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，定子和动子之间存在z向气隙；每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔；
永磁体充磁方向为z向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；定子与动子相对位置永磁体的充磁方向相反。
优选地，磁悬浮模块7包括定子和动子，定子包括上层定子和下层定子，相互平行且固定连接的上层定子和下层定子之间设置动子，两层定子和动子之间存在z向气隙；两层定子和动子均为N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔；
永磁体充磁方向为z向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相反；动子与上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。
优选地，磁悬浮模块7包括定子和动子，定子包括相互平行且固定连接的上层定子和下层定子，动子包括相互平行且固定连接的上层动子和下层动子，两层动子设置在上层定子和下层定子之间，两层动子和两层定子均为由N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔，任意相邻两层平板结构之间存在z向气隙；
永磁体充磁方向为z向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；
上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相反；上层动子和下层动子相对位置永磁体的充磁方向相同；两层动子和上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。
优选地，磁悬浮模块7包括定子和动子，定子包括相互平行且固定连接的上层定子和下层定子，动子包括相互平行且固定连接的上层动子和下层动子，两层动子设置在上层定子和下层定子之间，两层定子和两层动子均为由N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔，任意相邻两层平板结构之间存在z向气隙；
永磁体充磁方向为z向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；
上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相同；上层动子和下层动子相对位置永磁体的充磁方向相反；两层定子和上层动子相对位置永磁体的充磁方向相同。
优选地，水平姿态控制单元包括若干n个x向平板型音圈电机3和q个y向平板型音圈电机4，n个x向平板型音圈电机3分两组沿x轴对称设置在基座平台1上m个磁悬浮卸载点2的两侧，用于协调光学载荷x轴平稳姿态；q个y向平板型音圈电机4分两组沿y轴对称设置在基座平台1上m个磁悬浮卸载点2的两侧，用于协调光学载荷y轴平稳姿态。
优选地，z向平板型音圈电机8包括z向电机定子802和双边结构的z向电机动子801，两边z向电机动子801之间设置z向电机定子802，所述z向电机定子802为跑道型线圈，每边z向电机动子801包括两个矩形永磁体与一个导磁轭板。
优选地，x向平板型音圈电机3和y向平板型音圈电机4的结构相同，x向平板型音圈电机3包括x向电机定子302和双边结构的x向电机动子301，两边x向电机动子301之间设置x向电机定子302，所述x向电机定子802包括P个跑道型线圈，每边z向电机动子801包括2P个矩形永磁体与一个导磁轭板，2P个矩形永磁体沿电机出力方向N、S交替分布，两边动子的永磁体充磁方向相同。
本发明的有益效果：(1)实现非接触重力卸载，免于维护，使用寿命长；(2)省去大型悬吊装置，不存在吊索弹性拉伸问题；(3)多点磁悬浮卸载，应力分布均匀，光学舱局部变形量小；(4)卸载装置侧向寄生力较小，各向力特性可控；(5)测试安全稳定。
本发明装置对光学载荷进行多点重力卸载可广泛应用于轨道交通、磁悬浮轴承、精密定位平台等领域。利用永磁体之间的相互作用力可以实现对载荷的被动悬浮，具有悬浮力密度高、无损耗、易实现等优势，结合主动控制，能够实现大质量载荷的六自由度稳定悬浮。
附图说明
图1是背景技术中采用悬吊法对光学载荷进行重力卸载的原理图；
图2是采用本发明所述多点磁悬浮重力卸载装置对光学载荷进行重力卸载的原理图；
图3和图4是实施方式一所述多点磁悬浮重力卸载装置的结构示意图；
图5和图6是实施方式二所述多点磁悬浮重力卸载装置的结构示意图；
图7是图5、6中磁悬浮重力卸载单元的结构示意图；
图8是单个磁悬浮重力卸载点的结构示意图；
图9和图10是磁悬浮模块的一个实施例结构示意图，单定子、单动子；
图11和图12是磁悬浮模块的第二个实施例结构示意图，双定子、单动子；
图13和图14是磁悬浮模块的第三个实施例结构示意图，双定子、双动子；
图15和图16是磁悬浮模块的第四个实施例结构示意图，双定子、双动子；
图17和图18是z向平板型音圈电机的结构示意图；
图19～图22是x向平板型音圈电机的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
具体实施方式一：下面结合图2至图4说明本实施方式，本实施方式所述多点磁悬浮重力卸载装置包括基座平台1、m个磁悬浮卸载点2和水平姿态控制单元；基座平台1上布设m个磁悬浮卸载点2，在基座平台1上的m个磁悬浮卸载点2的外围区域设置水平姿态控制单元，所述水平姿态控制单元用于实现光学载荷的水平稳定控制。
参见图3和图4，m个磁悬浮卸载点2均独立与光学载荷连接，对光学载荷进行多点重力卸载，原理参见图2所示，本实施方式装置不但实现z向重力卸载，还通过水平姿态控制单元对光学载荷在x轴和y轴产生的分力进行姿态调整，使光学载荷稳定。
水平姿态控制单元包括若干n个x向平板型音圈电机3和q个y向平板型音圈电机4，n个x向平板型音圈电机3分两组沿x轴对称设置在基座平台1上m个磁悬浮卸载点2的两侧，用于协调光学载荷x轴平稳姿态；q个y向平板型音圈电机4分两组沿y轴对称设置在基座平台1上m个磁悬浮卸载点2的两侧，用于协调光学载荷y轴平稳姿态。
具体实施方式二：下面结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式所述多点磁悬浮重力卸载装置包括基座平台1、m个磁悬浮卸载点2和水平姿态控制单元；基座平台1上布设m个磁悬浮卸载点2，在基座平台1上的m个磁悬浮卸载点2的外围区域设置水平姿态控制单元，所述水平姿态控制单元用于实现光学载荷的水平稳定控制。
参见图5和图6，m个磁悬浮卸载点2分组，构建出多个磁悬浮卸载单元5，磁悬浮卸载单元5包括一号转接板6及固定其上的多个磁悬浮卸载点2，每个磁悬浮卸载单元5中磁悬浮卸载点2的数量可相同、可不同，每个磁悬浮卸载单元5中的磁悬浮卸载点2均布，每个磁悬浮卸载单元5中的多个悬浮卸载点2通过一块一号转接板6作为媒介与光学载荷连接，使得重力卸载点数量变少，但每个重力卸载点的卸载能力增强。
对光学载荷进行多点重力卸载的原理参见图2所示，本实施方式装置不但实现z向重力卸载，还通过水平姿态控制单元对光学载荷在x轴和y轴产生的分力进行姿态调整，使光学载荷稳定。
水平姿态控制单元包括若干n个x向平板型音圈电机3和q个y向平板型音圈电机4，n个x向平板型音圈电机3分两组沿x轴对称设置在基座平台1上m个磁悬浮卸载点2的两侧，用于协调光学载荷x轴平稳姿态；q个y向平板型音圈电机4分两组沿y轴对称设置在基座平台1上m个磁悬浮卸载点2的两侧，用于协调光学载荷y轴平稳姿态。
具体实施方式三：下面结合图7～图16说明本实施方式，本实施方式与实施方式一和实施方式二进一步限定，磁悬浮卸载点2包括磁悬浮模块7和两个z向平板型音圈电机8，两个z向平板型音圈电机8设置在磁悬浮模块7两侧，磁悬浮模块7的定子与两个z向平板型音圈电机8的定子通过二号转接板9固定在一起，磁悬浮卸载点2的二号转接板固定设置在基座平台1上；磁悬浮模块7的动子与两个z向平板型音圈电机8的动子通过三号转接板10固定在一起，磁悬浮卸载点2的三号转接板连接光学载荷，或通过一号转接板6连接光学载荷。
磁悬浮模块7的具体结构提供以下四个实施例：
实施例一：参见图9和图10，磁悬浮模块7包括定子和动子，定子和动子是相互平行、由N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，定子和动子之间存在z向气隙；每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔；
参见图9，永磁体充磁方向为z向，每层平板结构中永磁体的充磁方向相同；定子和动子的永磁体的充磁方向相反。参见图10，永磁体充磁方向为z向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；定子与动子相对位置永磁体的充磁方向相反。
实施例二：参见图11和图12，磁悬浮模块7包括定子和动子，定子包括上层定子和下层定子，相互平行且固定连接的上层定子和下层定子之间设置动子，两层定子和动子之间存在z向气隙；两层定子和动子均为N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔；
永磁体充磁方向为z向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相反；动子与上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。
实施例三：参见图13和图14，磁悬浮模块7包括定子和动子，定子包括相互平行且固定连接的上层定子和下层定子，动子包括相互平行且固定连接的上层动子和下层动子，两层动子设置在上层定子和下层定子之间，两层动子和两层定子均为由N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔，任意相邻两层平板结构之间存在z向气隙；
永磁体充磁方向为z向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；
上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相反；上层动子和下层动子相对位置永磁体的充磁方向相同；两层动子和上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。
实施例四：参见图15和图16，磁悬浮模块7包括定子和动子，定子包括相互平行且固定连接的上层定子和下层定子，动子包括相互平行且固定连接的上层动子和下层动子，两层动子设置在上层定子和下层定子之间，两层定子和两层动子均为由N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔，任意相邻两层平板结构之间存在z向气隙；
永磁体充磁方向为z向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；
上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相同；上层动子和下层动子相对位置永磁体的充磁方向相反；两层定子和上层动子相对位置永磁体的充磁方向相同。
具体实施方式四：下面结合图17～图22说明本实施方式，本实施方式对三类电机进一步限定：
参见图17和图18，z向平板型音圈电机8包括z向电机定子802和双边结构的z向电机动子801，两边z向电机动子801之间设置z向电机定子802，所述z向电机定子802为跑道型线圈，每边z向电机动子801包括两个矩形永磁体与一个导磁轭板。
参见图19～图22，x向平板型音圈电机3和y向平板型音圈电机4的结构相同，x向平板型音圈电机3包括x向电机定子302和双边结构的x向电机动子301，两边x向电机动子301之间设置x向电机定子302，所述x向电机定子802包括P个跑道型线圈，每边z向电机动子801包括2P个矩形永磁体与一个导磁轭板，2P个矩形永磁体沿电机出力方向N、S交替分布，两边动子的永磁体充磁方向相同。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (11)

1.多点磁悬浮重力卸载装置，其特征在于，包括基座平台(1)、m个磁悬浮卸载点(2)和水平姿态控制单元；基座平台(1)上布设m个磁悬浮卸载点(2)，在基座平台(1)上的m个磁悬浮卸载点(2)的外围区域设置水平姿态控制单元，所述水平姿态控制单元用于实现光学载荷的水平稳定控制。
2.根据权利要求1所述多点磁悬浮重力卸载装置，其特征在于，m个磁悬浮卸载点(2)均独立与光学载荷连接；或将m个磁悬浮卸载点(2)分组形成多个磁悬浮卸载单元(5)，每个单元的若干个磁悬浮卸载点(2)通过一号转接板(6)与光学载荷连接。
3.根据权利要求2所述多点磁悬浮重力卸载装置，其特征在于，磁悬浮卸载点(2)包括磁悬浮模块(7)和两个z向平板型音圈电机(8)，两个z向平板型音圈电机(8)设置在磁悬浮模块(7)两侧，磁悬浮模块(7)的定子与两个z向平板型音圈电机(8)的定子通过二号转接板(9)固定在一起，磁悬浮卸载点(2)的二号转接板固定设置在基座平台(1)上；磁悬浮模块(7)的动子与两个z向平板型音圈电机(8)的动子通过三号转接板(10)固定在一起，磁悬浮卸载点(2)的三号转接板连接光学载荷，或通过一号转接板(6)连接光学载荷。
4.根据权利要求3所述多点磁悬浮重力卸载装置，其特征在于，磁悬浮模块(7)包括定子和动子，定子和动子是相互平行、由N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，定子和动子之间存在z向气隙；每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔；
永磁体充磁方向为z向，每层平板结构中永磁体的充磁方向相同；定子和动子的永磁体的充磁方向相反。
5.根据权利要求3所述多点磁悬浮重力卸载装置，其特征在于，磁悬浮模块(7)包括定子和动子，定子和动子是相互平行、由N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，定子和动子之间存在z向气隙；每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔；
永磁体充磁方向为z向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；定子与动子相对位置永磁体的充磁方向相反。
6.根据权利要求3所述多点磁悬浮重力卸载装置，其特征在于，磁悬浮模块(7)包括定子和动子，定子包括上层定子和下层定子，相互平行且固定连接的上层定子和下层定子之间设置动子，两层定子和动子之间存在z向气隙；两层定子和动子均为N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔；
永磁体充磁方向为z向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相反；动子与上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。
7.根据权利要求3所述多点磁悬浮重力卸载装置，其特征在于，磁悬浮模块(7)包括定子和动子，定子包括相互平行且固定连接的上层定子和下层定子，动子包括相互平行且固定连接的上层动子和下层动子，两层动子设置在上层定子和下层定子之间，两层动子和两层定子均为由N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔，任意相邻两层平板结构之间存在z向气隙；
永磁体充磁方向为z向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；
上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相反；上层动子和下层动子相对位置永磁体的充磁方向相同；两层动子和上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。
8.根据权利要求3所述多点磁悬浮重力卸载装置，其特征在于，磁悬浮模块(7)包括定子和动子，定子包括相互平行且固定连接的上层定子和下层定子，动子包括相互平行且固定连接的上层动子和下层动子，两层动子设置在上层定子和下层定子之间，两层定子和两层动子均为由N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔，任意相邻两层平板结构之间存在z向气隙；
永磁体充磁方向为z向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；
上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相同；上层动子和下层动子相对位置永磁体的充磁方向相反；两层定子和上层动子相对位置永磁体的充磁方向相同。
9.根据权利要求1所述多点磁悬浮重力卸载装置，其特征在于，水平姿态控制单元包括若干n个x向平板型音圈电机(3)和q个y向平板型音圈电机(4)，n个x向平板型音圈电机(3)分两组沿x轴对称设置在基座平台(1)上m个磁悬浮卸载点(2)的两侧，用于协调光学载荷x轴平稳姿态；q个y向平板型音圈电机(4)分两组沿y轴对称设置在基座平台(1)上m个磁悬浮卸载点(2)的两侧，用于协调光学载荷y轴平稳姿态。
10.根据权利要求3所述多点磁悬浮重力卸载装置，其特征在于，z向平板型音圈电机(8)包括z向电机定子(802)和双边结构的z向电机动子(801)，两边z向电机动子(801)之间设置z向电机定子(802)，所述z向电机定子(802)为跑道型线圈，每边z向电机动子(801)包括两个矩形永磁体与一个导磁轭板。
11.根据权利要求9所述多点磁悬浮重力卸载装置，其特征在于，x向平板型音圈电机(3)和y向平板型音圈电机(4)的结构相同，x向平板型音圈电机(3)包括x向电机定子(302)和双边结构的x向电机动子(301)，两边x向电机动子(301)之间设置x向电机定子(302)，所述x向电机定子802包括P个跑道型线圈，每边z向电机动子(801)包括2P个矩形永磁体与一个导磁轭板，2P个矩形永磁体沿电机出力方向N、S交替分布，两边动子的永磁体充磁方向相同。
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