CN111462601B - 一种基于电磁涡流效应的超导磁悬浮试验台起消旋装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于微小推力测量技术领域，是一种基于电磁涡流效应的超导磁悬浮试验台起消旋装置，主要包含竖直位移机构、旋转机构、执行机构以及稳转反馈控制模块。所述的竖直位移机构主要包括贯通式直线丝杆步进电机以及真空转接法兰等。所述的旋转机构主要包括直流电机和直流电机控制系统。所述的执行机构具体包括十字形永磁体组件以及组合式电涡流板。所述的稳转控制模块具体包括转速传感器以及计算机。本装置利用组合式电涡流板与永磁体组件之间由于相对运动产生的电磁作用力实现真空舱内超导磁悬浮试验台的起旋与消旋并通过反馈系统保证试验台起旋后稳定在设定转速。通过反馈转速补偿有效降低执行机构分离时永磁体磁场对超导磁悬浮试验台的影响。

Description

一种基于电磁涡流效应的超导磁悬浮试验台起消旋装置

技术领域

本发明涉及基于高温超导磁悬浮试验平台的微小卫星物理仿真以及微小力测量等领域，具体的，该发明是一种基于电磁涡流效应的超导磁悬浮试验台起消旋装置。

背景技术

为了满足航天任务中对可靠性的高要求，有必要对航天器进行地面物理仿真实验，检测并优化其在轨性能，提高其在外太空工作的可靠性。卫星地面物理仿真试验系统应该尽可能复现航天器在外太空的工作环境，比如微重力,较低阻尼力以及真空环境等。气浮台作为目前仿真试验台的核心设备，有其固有的缺点，这也是限制气浮仿真试验台进一步发展的因素。高温超导磁悬浮仿真试验台可以在一定程度上应对上述发展的新趋势和问题。这种类型的磁悬浮有着较高的承载能力，不需要气体等工质维持，这意味着可以维持较长的悬浮时间。在高温超导磁悬浮结构中，悬浮平台在磁场均匀方向上运动，且摩擦阻力非常微小，这表明该结构可以用来模拟低摩擦阻力的空间环境。高温超导体具有特殊的磁通钉扎特性，这使得高温超导磁悬浮具有自稳定的优点。这种性质减小了加工精度和装配难度，缩短了测试准备周期，可以一定程度的应对日益频繁的航天器测试任务。

此外，超导磁悬浮仿真试验台可以完全放置在真空中，能最大限度的模拟太空环境。但是进入真空舱实验这也带来了一系列新的问题。包括仿真实验台的装配与调试，标定等。更重要的是，航天器的仿真试验以及基于转动惯量法的微小推力测量均要求试验台具备一个初始的转动状态，因此真空舱内仿真试验台的启动和制动是一个必须解决的难题，即磁悬浮试验台的起消旋。不同于非真空环境超导磁悬浮试验平台的起消旋机构，真空舱内部试验平台的起消旋不易控制与调整，且真空舱内部狭小的空间限制起旋机构的布置与大小。为了保证仿真试验平台的可重复性，要求我们在不打开真空舱的条件下实现悬浮平台的启动与停转。另外，起旋机构完成其启动浮台的工作任务后，不应该在后续试验中影响试验浮台的工作。

发明内容

针对上述问题，本发明设计了一种基于电磁涡流效应的超导磁悬浮试验台起消旋装置。其结构简单精巧，可以有效减小真空舱内部的占用空间；起停控制超调量低，使得在起消旋的过程中对悬浮台造成的振动低；可重复性高，可对磁悬浮试验台在不开真空舱的情况下进行起消旋控制；可靠性高，即完成起旋任务后，起旋机构脱离，不会影响磁悬浮仿真试验台的转动。稳转反馈控制系统可使得磁悬浮试验台通过起旋机构达到设定的初始转动频率。

所述的起消旋装置包括竖直位移机构，旋转机构、执行机构以及稳转控制模块。竖直位移机构包括贯通式直线丝杆步进电机、步进电机控制系统、联轴器以及直流电机支撑架转接板；旋转机构包括直流电机支撑架，直流电机控制器，直流无刷电机以及十字形永磁体组件支撑架；执行机构包括十字形永磁体组件以及组合式电涡流板；稳转控制模块包括转速传感器，计算机。

贯通式直线丝杆步进电机位于起消旋装置的顶部，整个步进电机转轴穿过真空舱上壁面。可通过步进电机控制器精确驱动旋转机构的上升和下降，从而调整执行机构所包含的气隙的大小，实现起消旋机构的进入和分离。步进电机位于舱内的旋转轴通过联轴器与旋转机构刚性连接。竖直位移机构的量程为500mm。

联轴器分为上下两部分，上半部分为凹槽，侧面开有两个螺纹孔，通过螺钉固定在步进电机的转轴上。联轴器下半部分为螺柱，用以悬挂并紧固直流电机支撑架转接板。

直流电机支撑架转接板主要实现竖直位移机构与旋转机构之间的刚性连接。形状如同倒立的“L”。转接板的水平部分与联轴器紧固，竖直部分用于悬挂并紧固直流电机支撑架。转接板应该保证足够的高度，以确保电机安装过程中不会接触联轴器螺柱以及留有电机控制器的布线空间。

旋转机构中的支撑架用于固定电机。也是一个L形状，竖直部分与竖直位移机构的电机支撑架转接板相连接，水平部分有四个通孔，与电机上的螺纹孔一一对应，用以固定电机。

旋转机构的核心模块为电机控制系统。电机选择无极变速直流电机，可通过真空舱外电机控制器实现直流电机的正反转控制以及转速的无极调节，同时电机的最小输出扭矩大于执行机构部分产生的电涡流阻尼力。

电机控制器是电机工作指令发出模块，由操作人员在舱外操作计算机端界面设定初始转速，计算器处理中心同时结合稳转反馈控制系统传输的反馈信号实现对电机的转速控制。直流电机控制系统通过穿舱线与内部的直流电机通信。

永磁体组件支撑架主要是固定永磁体组件并将其稳固悬挂于电机转轴端，跟随电机转轴无差转动，支撑架呈“十”字型。上部的中空圆柱体侧面有两个螺纹孔，实现与电机转轴的紧固连接，下部的十字架安装并紧固4个条形永磁体。

起消旋装置的执行机构包含永磁体组件以及产生感应电流的组合式电涡流板。

4个相同的条形永磁体组件固定于十字架上跟随电机转动，每个条形永磁体组件包含两块相同的永磁体以及一片聚磁钢板。条形永磁体组件通过十字架侧面的螺钉固定于十字架的凹槽内。增强后的磁场与其下面的组合式电涡流板之间的相对运动导致金属板内部产生较大的涡旋电流，条形永磁体与涡流板之间的安培力带动电涡流板做跟随运动。

所述组合式电涡流板由8块圆形金属导体板组合而成，材料为铝制金属板。每块导体板的厚度为1mm，并通过电涡流板支撑架固定，同时，支撑架下部固定于磁悬浮试验台上。

进一步的，所述稳转控制模块中的转速传感器实现对浮台转速的采样，并通过转速反馈将采样频率与设定频率的差分信号传递至计算机端口，由计算机发出直流电机控制信号，实现对起旋或者消旋后浮台的稳定转速设定。

本发明的优点如下：

(1)、一种基于电磁涡流效应的超导磁悬浮试验台起消旋装置，结构设计简单精巧，占用真空舱内部较小的空间实现整个超导仿真试验台的起消旋控制，节省的空间为后续扩展仿真试验台的功能提供了可能；

(2)、一种基于电磁涡流效应的超导磁悬浮试验台起消旋装置，与磁悬浮试验台构成的仿真或者测量系统在起消旋过程中具有较低的超调量，即利用涡流效应产生电磁力的本装置在启动和制动旋转浮台的过程中对旋转浮台的影响较小，所造成的浮台偏移程度及振动低，噪音小，对于在起消旋开始阶段维持悬浮试验台的稳定性具有重要意义；

(3)、一种基于电磁涡流效应的超导磁悬浮试验台起消旋装置，非触式启动和制动设计，有利于保证仿真试验台的完整性，不因起消旋的任务而改变其仿真试验台的整体布局，更具说服力与客观性；

(4)、一种基于电磁涡流效应的超导磁悬浮试验台起消旋装置，可重复性高，当需要在真空舱内做多组工况下的实验，可随时控制仿真试验台的启动与制动，大大提高了真空舱内磁悬浮仿真试验台的可靠性与可控性；

(5)、一种基于电磁涡流效应的超导磁悬浮试验台起消旋装置，可通过稳转反馈控制系统实现对磁悬浮试验台转速的精确调控；

(6)、一种基于电磁涡流效应的超导磁悬浮试验台起消旋装置，起消旋任务完成后，可脱离磁悬浮仿真试验台，不会对仿真试验台的工作过程产生任何影响。

本发明的有益效果是：将基于涡流效应产生的电磁相互作用力用于真空舱内部超导磁悬浮试验台的起消旋，并通过精巧而简洁的设计，在占用真空舱内部较小的空间的同时实现整个超导磁悬浮试验台的起消旋任务。整个执行过程噪声低，非接触，可重复。有望解决真空舱内部难以完美实现起消旋的难题，大大提高航天器地面物理仿真试验系统的建设水平。

附图说明

图1是一种基于电磁涡流效应的超导磁悬浮试验台起消旋装置整体装配图；

竖直位移机构：1-贯通式直线丝杆步进电机、2-真空舱转接板、3-联轴器、4-直流电机支撑架转接板；

旋转机构：5-直流电机支撑架、6-直流电机、7-永磁体组件支撑架；

执行机构：8-“十”字形永磁体组件、11-组合式电涡流板、12-电涡流板支撑架；

稳转反馈控制模块：9-转速传感器；10-传感器支撑杆；

其他：13-推力器、14-旋转浮台、15-真空舱。

图2是“十”字型永磁体组件装配示意图；

701-永磁体组件支撑架联轴端、702-十字架、801-条形永磁体1、802-聚磁钢板、803-条形永磁体2。

图3是“十”字型永磁体组件整体示意图；

图4是组合式电涡流板装配示意图；

1101-电涡流板固定架、1102-电涡流板。

图5是组合式电涡流板整体示意图；

图6是起消旋机构稳转控制系统结构简图；

图7是起消旋机构稳转控制系统原理图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施要领对本发明作进一步的详细说明。

本发明即一种基于电磁涡流效应的超导磁悬浮试验台起消旋装置，利用涡流效应产生电磁相互作用力实现真空舱内磁悬浮试验台的可重复性、低噪音以及非触式起消旋任务。该装置原理简单、结构设计简洁精巧、控制简便，可在真空环境下实现超导磁悬浮仿真试验台的起旋与消旋控制。同时，稳转反馈控制系统可控制磁悬浮试验台起旋到设定旋转频率并且通过转速补偿精确抵消永磁体上升对浮台转速以及稳定性造成的影响。

前面所述的起消旋装置如图1所示，主要包括四部分，即竖直位移机构、旋转机构、执行机构以及稳转反馈控制系统。

竖直位移机构包含贯通式直线丝杆步进电机，真空法兰转接板，联轴器以及直流电机支撑架转接板。

步进电机作为竖直位移机构的核心主要包括电机控制器和密封装置等。上法兰固定在真空舱外部底面，中间位置有通孔可用于步进电机直线轴承通过，并将密封环固定在上法兰上方。步进电机下端设置真空套筒，与上法兰下端焊接连接。上法兰、真空套筒、真空腔和密封环形成密封室，可以有效阻止空气进入真空舱。

真空法兰转接板主要起密封作用并固定位于真空舱顶部外侧的竖直步进电机。

联轴器的外形如图1中部件3所示，顶部的圆柱体中空凹槽与步进电机的转轴之间实现间隙配合，并用螺钉加以稳固。考虑到真空舱内部的有效高度只有490mm，因此联轴器的有效长度应该取适当值，确保执行机构之间的距离足够小，以实现悬浮台的启动与制动，同时又要确保执行机构之间的距离足够大，使得起消旋过程完成以后，抬起的条形永磁体不会对悬浮台的旋转产生影响。本装置中目前暂定联轴器的有效长度为60mm，同时，需要保证联轴器上部的凹槽足够深。

直流电机支撑架转接板作为连接竖直位移机构与旋转机构的关键部件，整个转接板呈”L”型，厚度为5mm，宽度为26mm,该值通过直流电机支撑架的尺寸确定，他们之间需要配合设计。长边长度为70mm,需要大于电机的总体长度，短边长度设计为50mm。材质为铝板。水平面板分布有一个大小为M12的螺纹孔，该螺纹孔与电机的转轴同轴心，同时也与超导磁悬浮仿真试验台同轴心。根据上述限制条件，即可确定孔的具体位置。该螺纹孔主要与步进电机下端的联轴器配合，并固定。竖直面板根据直流电机支撑架的结构在其底部均匀分布四个M4的螺纹孔，与直流电机支撑架之间实现配合，并固定。

旋转机构包括直流电机控制系统、直流电机支撑架以及永磁体组件固定架。

直流电机作为旋转机构的核心，其性能决定整个装置的性能。结合我们的任务要求，旋转机构部分的直流电机具有如下性质：1)、电机可以根据舱外指令实现正反转；2)、电机可以根据舱外指令实现无极变速；3)、电机的扭矩足够大，确保能带动超导仿真试验台的转动；4)、电机的热特性良好，由于电机位于真空舱内部，内部线圈产生的热量无法及时耗散，这就要求电机内部的铜损以及铁损尽可能地小。本装置选用的电机是直流电机，工作电压有12V和24V两个等级。转速可调，范围为8.5-1977r/min，最大扭矩为16KG.cm，重量为65g，可通过外部控制器实现电机的正反转控制。整体长度为18mm+L+12mm+2mm，其中L主要与电机的型号有关。圆柱机体直径为24mm左右，转轴长度为12mm,最大直径为4mm,转轴与永磁体固定架配合。

直流电机支撑架如图1中部件5所示，支撑架如同字母“L”，用以固定电机。中心分布的直径为8mm的通孔是电机转轴所在的部分，与转轴同轴心。中心孔两侧分布有直径为3.2mm，水平相隔17mm的两个通孔，与电机上的螺纹孔配合，实现电机的固定。竖直面板中心分布有一个直径为10mm的通孔，中心孔四周分布有4个M4的螺纹孔，主要与直流电机支撑架转接板之间配合，实现电机的整体固定。

十字型永磁体组件固定架如图2以及图3所示，固定架的上部701主要实现与电机转轴之间的连接，形状为为中空圆柱体，壁面的两个M4螺纹孔可与转轴配合，为了留有裕度，中空凹槽在保持强度的情况下留有10mm的足够深度，凹槽直径为4.5mm，大于电机转轴的4mm,两者之间可以实现间隙配合。固定架的下部702主要为条形永磁体组件固定架，为十字架结构，凹槽深度为9.55mm，用以放置条形永磁体组件，并由两个侧面的M4螺纹孔配合固定。为了确保在起消旋时永磁体组件与金属板之间的作用力不造成磁悬浮仿真试验台的偏移，永磁体组件旋转划过的圆环区域应确保与旋转浮台同轴心。

执行机构包括永磁体组件与组合式电涡流板，执行机构中永磁体组件的装配如图2及图3所示，组合式电涡流板的装配如图4以及图5所示。

4个永磁体组件安装在十字架凹槽内，呈“十”字形排列。每个永磁体组件包含条形永磁体801、聚磁钢板802以及条形永磁体803。永磁体801以及803同向放置，即两个磁体的N极相对放置，中间的聚磁钢板可以减小漏磁，大大提高磁场强度。较强的磁场强度可确保与电涡流板之间产生较大的电磁力，提高起消旋机构的可靠性。本装置里面的条形永磁体组件长度为45mm，宽度为20mm，高度为15mm。两侧的条形永磁体宽度为9mm，聚磁钢板厚度为2mm，长和高均与永磁体一致。条形永磁体与聚磁钢板固定后放入固定架的凹槽并再次通过螺钉固定。该永磁体组件产生的磁场大小与距离永磁体组件下表面的高度有关，在0-5mm之间，磁场从1.6T降低至0.8T。

组合式电涡流板1102位于磁悬浮试验台上方，由固定架1101实现组合式电涡流板的固定，固定架通过支撑杆实现与旋转浮台之间的刚性连接，确保电涡流板受力旋转时，可以带动磁悬浮仿真试验台实现无差转动。圆形金属板的材质为铝材料，直径为150mm，每块圆形铝板厚度为1mm，组合式电涡流板由8块铝制金属薄板组装而成。由于电涡流板中的电流分布符合趋肤效应，即大部分电流环会集中分布于电涡流板的表面。电流的趋肤效应保证了永磁体与电涡流板之间的作用力不会因为分层减小太多。但组合式电涡流板具有其独特的优势。根据1102电涡流板的层状组装方式，可以有效降低侧面涡流的大小，这类似于电机中的硅钢片的作用原理。该设计可以减小起消旋机构对浮台径向稳定性的影响。

从上面的公式可看出阻尼系数与电涡流板的厚度h的平方成正比，所以当永磁体上升分离时，与磁场作用的组合式涡流板的层数在逐渐减少，即厚度逐渐减小，这样的设计可降低永磁体分离时对浮台的影响。

稳转反馈控制系统如图6和图7所示。该模块的主要任务是使得起消旋机构工作时，可以带动旋转浮台至设定旋转频率，同时，可通过通过转速补偿精确抵消永磁体上升对浮台转速造成的影响。

根据式2可知，执行机构之间的电磁相互作用力不仅与阻尼系数有关，还与转速有关，故可通过转速进行补偿。

稳转反馈控制系统是一个闭环控制系统，由转速传感器得到采样频率，并于设定频率之间做差值得到差分信号，该差分信号送入计算机，计算机发出电机的控制指令，最终使得浮台稳定旋转于设定频率，且起消旋机构的退出也不会对浮台的转速产生影响。

工作前，通过竖直位移机构将旋转机构升起，保证执行机构之间的距离足够大，不影响磁悬浮试验台的起浮过程。由于起浮过程需要抬起仿真试验台实现超导块的场冷磁化，因此上方需要留足够的裕量，实现试验台的稳定悬浮。

工作时，通过竖直位移机构缓慢下降旋转机构，并通过步进电机缓慢精确的控制位移量，使得执行机构之间的气隙为2mm。随后在计算机端设置期望频率，并且打开电机电源。这时电机的旋转还需等待闭环控制指令。随后打开转速传感器开关，进行采样，并将采样信号传输至计算机，计算机控制电机旋转，待永磁体拉动超导磁悬浮仿真试验台至设定频率后，通过竖直位移机构升起旋转机构，确保执行机构之间的气隙足够大，执行机构之间不再有力的相互作用，不影响仿真试验台的工作过程。需要制动时，先启动电机反向旋转，通过竖直位移机构调整执行机构之间的气隙大小为2mm，打开闭环控制系统，实现仿真试验台的制动，即消旋。注意制动的过程需要先开启电机反向旋转，在下降旋转机构，否则会增大电机的启动转矩，不利于电机的启动。

实验结束后，通过竖直位移机构抬升旋转机构至一定高度，并锁定，避免旋转机构自行下降。接着关闭电机控制器，切断与真空舱内部的电气联系与信号联系。若要开启下一组实验，并且需要起消旋，则按照上述步骤有序执行即可。

Claims (2)

1.一种基于电磁涡流效应的超导磁悬浮试验台起消旋装置，其特征在于，所述装置分为竖直位移机构、旋转机构、执行机构以及稳转反馈控制模块；

所述竖直位移机构中的贯通式直线丝杆步进电机位于起消旋装置的最顶部，工作时，可控制位于真空舱外部的步进电机实现旋转机构与执行机构的上升与下降，位于真空舱内部的丝杠轴末端与联轴器相连并固定；

联轴器上部与步进电机丝杠固定，通过螺钉与丝杠末端固定连接，下部与电机支撑架转接板通过螺柱刚性连接，同时，联轴器螺柱末端还需用螺帽紧固；

电机支撑架转接板上部与联轴器固定，下部用于安装电机支撑架，为衔接竖直位移机构与旋转机构的中间结构，上部通过螺帽固定，下部与电机支撑架配合，并用螺钉固定；

所述旋转机构中的直流电机支撑架安装于电机支撑架转接板的下部，通过螺钉固定，下部用于安装和固定电机，直流电机及其控制系统是旋转机构的核心模块，直流电机安装在支撑架上，通过螺钉紧固，电机转轴悬挂及紧固永磁体组件支撑架；电机的控制系统，即直流电机调速器位于真空舱外部，通过航空插头与穿舱线与舱内的旋转电机通信，控制电机的转速与正反转；

所述执行机构中的永磁体组件固定架是衔接永磁体组件与直流电机的中间结构，主要作用是固定永磁体组件，实现永磁体与电机转轴之间的无差跟随转动；

所述永磁体组件是执行机构的永磁部分，由4块条形永磁体组件组装而成，每个条形永磁体组件包含两块相同的永磁体以及一片聚磁钢板，并通过永磁体组件固定架排列为“十”字形状；

所述执行机构包括组合式电涡流板，所述组合式电涡流板由多块圆形金属导体板组合而成，并通过电涡流板支撑架固定；

执行机构中永磁体组件与组合式电涡流板之间的相互作用力实现悬浮台的起消旋，并且控制执行机构内部的气隙实现相互作用力大小的调控；

所述稳转控制模块中的转速传感器实现对浮台转速的采样，并通过转速反馈将采样频率与设定频率的差分信号传递至计算机端口，由计算机发出电机控制信号，实现对起旋或者消旋后浮台的稳定转速设定。

2.如权利要求1所述的一种基于电磁涡流效应的超导磁悬浮试验台起消旋装置，其特征在于，所述稳转反馈控制系统由组合式电涡流板、转速传感器、计算机、直流电机以及永磁体组件形成闭环转速控制系统。

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