CN111537184A - 一种内嵌式磁悬浮风洞天平及气动力测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种内嵌式磁悬浮风洞天平，上主轴和下主轴之间连接电磁离合器；下主轴外安装旋转编码器；上主轴外安装上径向磁轴承和轴向磁轴承，下主轴外安装下径向磁轴承；上主轴的上端设置用于插装在模型内部的限位接头；外罩内设置上径向位移传感器和上径向位移检测环、轴向位移传感器和轴向位移检测环、下径向位移传感器和下径向位移检测环；控制器用于控制上径向磁轴承、轴向磁轴承、和下径向磁轴承的电流值，使上主轴与下主轴保持悬浮状态，进而使飞行器模型保持悬浮，模拟飞行器自由摇滚时的性能；下径向磁轴承力臂较长有利于风洞实验气动力测试，力臂较短有利于转子的径向支撑。本发明的气动力测试方法，能够计算风洞试验时飞行器气动力。

Description

一种内嵌式磁悬浮风洞天平及气动力测试方法
技术领域
本发明涉及风洞试验技术领域，更进一步涉及一种内嵌式磁悬浮风洞天平。此外，本发明还涉及一种气动力测试方法。
背景技术
为便于进行飞行器研制，通常将等比例缩小飞行器模型安装在风洞中，进行自由摇滚实验及气动力测试。传统的风洞实验需要有机械支架来支撑模型，机械支撑结构改变了模型的外观结构，使得气动力试验的结果背离了实际值，同时用于气动力测试的机械式应变天平易受温度影响，导致测试数据误差较大。
外包式磁悬挂天平，利用电磁力将飞行器模型悬浮于磁悬挂天平内部，在风洞试验段中，模型可绕悬挂点作多自由度的运动，进行无机械支撑空气动力测量，减小由于机械支撑导致的测试误差，同时通过检测悬浮电磁铁线圈电流，对风洞试验时的飞行器气动力进行测试。外包式的磁悬挂天平无法实现飞行器的自由摇滚，无法进行飞行器相对于空气进行自由摇滚时的性能分析。
对于本领域的技术人员来说，如何分析飞行器自由摇滚时的性能，是目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种内嵌式磁悬浮风洞天平，能够用于分析飞行器自由摇滚时的性能，具体方案如下：
一种内嵌式磁悬浮风洞天平，包括同轴安装于外罩内的上主轴和下主轴，所述上主轴外安装上径向磁轴承和轴向磁轴承，所述下主轴外安装下径向磁轴承；
所述上主轴的上端设置用于插装在模型内部的限位接头；所述外罩内设置用于检测所述上主轴径向位移的上径向位移传感器和上径向位移检测环、用于检测所述上主轴轴向位移的轴向位移传感器和轴向位移检测环、以及用于检测所述下主轴径向位移的下径向位移传感器和下径向位移检测环；
所述上主轴和所述下主轴之间通过电磁离合器连接；所述下主轴外安装旋转编码器；
控制器用于控制所述上径向磁轴承、所述轴向磁轴承、和所述下径向磁轴承的电流值。
可选地，所述下主轴上设置用于控制阻尼的磁浮加载器。
可选地，所述上径向位移传感器、所述轴向位移传感器和所述下径向位移传感器分别设置四个探头，各探头呈中心对称设置。
可选地，所述旋转编码器、所述电磁离合器、所述磁浮加载器采用抱轴式固定。
可选地，所述上径向磁轴承和所述上径向位移传感器通过定子定位套筒紧固在所述外罩上端，所述下径向磁轴承和所述下径向位移传感器通过定子定位套筒紧固在所述外罩下端。
本发明还提供一种气动力测试方法，应用于上述任一项所述的内嵌式磁悬浮风洞天平，包括：
上径向位移传感器和下径向位移传感器的X轴正、负方向上的两个探头所检测的位移信号做差分，Y轴正、负方向上的两个探头所检测的位移信号做差分，得到此时转子与定子的相对位置，通过转子与定子的径向间隙闭环控制，控制径向磁悬浮轴承定子线圈电流大小，实现转子与定子径向间隙的稳定，实现转子与定子的径向非接触支撑；
将轴向位移传感器X轴正、负方向上的两个探头所检测的位移信号做差分，Y轴正、负方向上的两个探头所检测的位移信号做差分，得到转子轴向相对位置，通过转子与定子轴向间隙闭环控制，控制轴向磁悬浮轴承定子线圈电流大小，实现转子与定子轴向间隙的稳定，实现转子与定子的轴向非接触支撑；
获取上径向磁轴承、轴向磁轴承、下径向磁轴承的电磁线圈电流大小，以及飞行器模型的位置、姿态信号，得到风洞试验时飞行器气动力。
可选地，通过校准系统明确所述上径向磁轴承、所述轴向磁轴承、所述下径向磁轴承中电流的大小与飞行器气动力之间的对应关系；
检测所述上径向磁轴承、所述轴向磁轴承、所述下径向磁轴承的电磁线圈电流大小，根据所述对应关系计算飞行器气动力。
本发明提供一种内嵌式磁悬浮风洞天平，包括同轴安装于外罩内的上主轴和下主轴，上主轴和下主轴之间通过电磁离合器连接；下主轴外安装旋转编码器，离合器接合时上主轴与下主轴能够同步转动；上主轴外安装上径向磁轴承和轴向磁轴承，下主轴外安装下径向磁轴承，轴承的内圈与上主轴或下主轴固定套装，轴承的外圈与外罩插装；上主轴的上端设置用于插装在模型内部的限位接头；外罩内设置用于检测上主轴径向位移的上径向位移传感器和上径向位移检测环、用于检测上主轴轴向位移的轴向位移传感器和轴向位移检测环、以及用于检测下主轴径向位移的下径向位移传感器和下径向位移检测环；控制器用于控制上径向磁轴承、轴向磁轴承、和下径向磁轴承的电流值，使上主轴与下主轴保持悬浮状态，进而使飞行器模型保持悬浮，能够模拟飞行器自由摇滚时的性能；下径向磁轴承力臂较长，有利于风洞实验气动力测试，同时上径向磁轴承力臂较短，有利于转子的径向支撑。
本发明还提供一种气动力测试方法，能够实现上述的技术效果，通过测量上径向磁轴承、轴向磁轴承、下径向磁轴承的电磁线圈电流大小，通过电流值计算风洞试验时飞行器气动力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的内嵌式磁悬浮风洞天平一种具体实施例的剖面图；
图2为飞行器模型连接于限位接头的结构示意图。
图中包括：
上主轴1、限位接头11、下主轴2、旋转编码器21、上径向磁轴承3、上径向位移传感器31、上径向位移检测环32、轴向磁轴承4、轴向位移传感器41、轴向位移检测环42、下径向磁轴承5、下径向位移传感器51、下径向位移检测环52、电磁离合器6、磁浮加载器7。
具体实施方式
本发明的核心在于提供一种内嵌式磁悬浮风洞天平，能够用于分析飞行器自由摇滚时的性能。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图及具体的实施方式，对本发明的内嵌式磁悬浮风洞天平及气动力测试方法进行详细的介绍说明。
如图1所示，为本发明提供的内嵌式磁悬浮风洞天平一种具体实施例的剖面图，其中包括同轴安装于外罩内的上主轴1和下主轴2，上主轴1和下主轴2为相对独立的两段结构。
上主轴1外安装上径向磁轴承3和轴向磁轴承4，下主轴2外安装下径向磁轴承5；上主轴1的上端设置用于插装在模型内部的限位接头11，限位接头11用于与飞行器模型连接，如图2所示，为飞行器模型连接于限位接头11的结构示意图，其中A表示飞行器模型。
外罩内设置用于检测上主轴1径向位移的上径向位移传感器31和上径向位移检测环32、用于检测上主轴1轴向位移的轴向位移传感器41和轴向位移检测环42、以及用于检测下主轴径向位移的下径向位移传感器51和下径向位移检测环52；上径向位移检测环32、轴向位移检测环42固定设置在上主轴1上，下径向位移检测环52固定设置于下主轴2上。上径向位移传感器31、轴向位移传感器41和下径向位移传感器51安装在外罩上，上径向位移传感器31检测上径向位移检测环32的位置用于确定上主轴1的径向位置，轴向位移传感器41检测轴向位移检测环42的位置用于确定上主轴1的轴向位置，下径向位移传感器51检测下径向位移检测环52的位置用于确定下主轴2的径向位置。
整个结构包括磁悬浮转子系统和磁悬浮定子系统，磁悬浮转子系统包括上主轴1、下主轴2及其上所安装的结构，上径向磁轴承3的转子和轴向磁轴承4的转子分别固定套装在上主轴1上，与上主轴1同步转动；下径向位移传感器51的转子固定套装在下主轴2上，与下主轴2同步转动。磁悬浮转子系统主要由限位接头11、上主轴1、下主轴2、上径向位移检测环32、轴向位移检测环42、下径向位移检测环52、上径向磁轴承3转子、轴向磁轴承4转子、下径向磁轴承5转子构成。
磁悬浮定子系统主要由外罩、上径向位移传感器31、轴向位移传感器41、下径向位移传感器51、上径向磁轴承3定子、轴向磁轴承4定子、下径向磁轴承5定子构成。
上主轴1和下主轴2之间通过电磁离合器6连接，当电磁离合器6接合时，上主轴1和下主轴2保持同步转动，当电磁离合器6分离时，上主轴1和下主轴2保持相对独立。下主轴2外安装旋转编码器21，旋转编码器21用于对飞行器模型的仰角和旋转角度进行测量。
控制器根据上径向位移传感器31、轴向位移传感器41和下径向位移传感器51的检测值获取上主轴1和下主轴2的状态，用于控制上径向磁轴承3、轴向磁轴承4、和下径向磁轴承5的电流值，使上径向磁轴承3、轴向磁轴承4、下径向磁轴承5的转子与定子相对间隔，避免相对摩擦，使上主轴1与下主轴2保持悬浮状态，进而使飞行器模型保持悬浮，当离合器6处于分离状态时能够模拟飞行器自由摇滚时的性能，飞行器模型不受外界的旋转阻尼，飞行器模型相对于空气进行自由飞行、振动、翻滚、涡动等动作。
电磁力的作用不是作用在一个点上，等效的理解成有一个作用点，将等效作用点与限位接头的距离定义成力臂，本发明中的上主轴1与下主轴2独立分段设置，下径向磁轴承5力臂较长，有利于风洞实验气动力测试，同时上径向磁轴承3力臂较短，有利于转子的径向支撑。
在上述方案的基础上，本发明在下主轴2上设置用于控制阻尼的磁浮加载器7，阻尼加载器7的作用是在飞行器旋转时，增加旋转的负载，让飞行器在设定的负载下旋转；也可以与编码器配合使用，编码器检测速度，阻尼加载器变化阻尼，使得飞行器的旋转速度稳定。
通过磁浮加载器7进行转子旋转阻尼设置，控制磁浮加载器电流，对系统转子阻尼进行控制，增大磁浮加载器电流增大系统转子阻尼，减小磁浮加载器电流减小转子阻尼；磁浮加载器作用时离合器6保持接合状态，用于控制上主轴1的阻尼。
具体地，本发明中的上径向位移传感器31、轴向位移传感器41和下径向位移传感器51分别设置四个探头，各探头呈中心对称设置；上径向位移传感器31和下径向位移传感器51分别设有四个内置式探头，分别沿X轴正、负方向放置，Y轴正、负方向放置；轴向位移传感器41有四个内置式探头，分别沿X轴正、负方向放置，Y轴正、负方向放置；X轴与Y轴所在的平面垂直于上主轴轴线。
上径向磁轴承3和下径向磁轴承5的控制方法如下：X轴正、负方向上的两个探头所检测的位移信号做差分，Y轴正、负方向上两个探头的位移信号做差分，从而得到此时转子与定子的相对位置，通过转子与定子的径向间隙闭环控制，控制径向磁悬浮轴承定子线圈电流大小，实现转子与定子径向间隙的稳定，实现转子与定子的径向非接触支撑。
轴向磁轴承4的控制方法如下：轴X轴正、负方向上的两个探头所检测的位移信号做差分，Y轴正、负方向上的探头的位移信号做差分，得到转子轴向相对位置，通过转子与定子轴向间隙闭环控制，控制轴向磁悬浮轴承定子线圈电流大小，实现转子与定子轴向间隙的稳定，实现转子与定子的轴向非接触支撑。
轴向磁轴承4、电磁离合器6、旋转编码器21及磁浮加载器7布置在系统中部，电磁离合器6、旋转编码器21及磁浮加载器7都采用抱轴式安装的结构，有利于系统转子稳定；抱轴式安装指的是部件直接通过紧锁式安装座直接与轴连接，有利于系统转子稳定是相对于联轴器的安装方式而言，采用抱轴式安装方式，转子还是一体式结构，提高转子系统稳定
上径向磁轴承3和上径向位移传感器31通过定子定位套筒紧固在外罩上端，下径向磁轴承5和下径向位移传感器51通过定子定位套筒紧固在外罩下端。定子定位套筒是一个固定部件，固定安装在外罩内侧，其通过他把需要固定在支杆上的部件连接起来；各径向磁轴承与位移传感器之间、位移传感器与位移传感器之间、位移传感器与保护轴承套之间通过定子定位套筒固在外罩前端径向内侧。
本发明还提供一种气动力测试方法，应用于上述的内嵌式磁悬浮风洞天平，包括以下步骤：
控制器根据上径向位移传感器31和下径向位移传感器51的X轴正、负方向上的两个探头所检测的位移信号做差分，Y轴正、负方向上的两个探头所检测的位移信号做差分，得到此时转子与定子的相对位置，通过转子与定子的径向间隙闭环控制，控制径向磁悬浮轴承定子线圈电流大小，实现转子与定子径向间隙的稳定，实现转子与定子的径向非接触支撑。
控制器根据轴向位移传感器41的X轴正、负方向上的两个探头所检测的位移信号做差分，Y轴正、负方向上的两个探头所检测的位移信号做差分，得到转子轴向相对位置，通过转子与定子轴向间隙闭环控制，控制轴向磁悬浮轴承定子线圈电流大小，实现转子与定子轴向间隙的稳定，实现转子与定子的轴向非接触支撑。从而保持磁悬浮转子系统相对于磁悬浮定子系统保持悬浮状态，且周向的间隙保持相等。
测量上径向磁轴承3、轴向磁轴承4、下径向磁轴承5的电磁线圈电流大小，以及飞行器模型的位置、姿态信号，得到试验状态下飞行器各个方向所承受的气动力。
具体地，获取气动力的过程如下：通过校准系统明确上径向磁轴承3、轴向磁轴承4、下径向磁轴承5中电流的大小与飞行器气动力之间的对应关系；获取上径向磁轴承3、轴向磁轴承4、下径向磁轴承5的电磁线圈电流大小，根据对应关系计算飞行器气动力。
磁悬浮天平的校准是通过校准装置给出已知的外力和力矩，测量出相应的电量，从而得到力和电量之间的函数关系。气动力测量是通过采集磁悬浮天平的有关电量，再根据校准获得的函数关系确定力和力矩大小。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种内嵌式磁悬浮风洞天平，其特征在于，包括同轴安装于外罩内的上主轴(1)和下主轴(2)，所述上主轴(1)外安装上径向磁轴承(3)和轴向磁轴承(4)，所述下主轴(2)外安装下径向磁轴承(5)；
所述上主轴(1)的上端设置用于插装在模型内部的限位接头(11)；所述外罩内设置用于检测所述上主轴(1)径向位移的上径向位移传感器(31)和上径向位移检测环(32)、用于检测所述上主轴(1)轴向位移的轴向位移传感器(41)和轴向位移检测环(42)、以及用于检测所述下主轴径向位移的下径向位移传感器(51)和下径向位移检测环(52)；
所述上主轴(1)和所述下主轴(2)之间通过电磁离合器(6)连接；所述下主轴(2)外安装旋转编码器(21)；
控制器用于控制所述上径向磁轴承(3)、所述轴向磁轴承(4)、和所述下径向磁轴承(5)的电流值。
2.根据权利要求1所述的内嵌式磁悬浮风洞天平，其特征在于，所述下主轴(2)上设置用于控制阻尼的磁浮加载器(7)。
3.根据权利要求2所述的内嵌式磁悬浮风洞天平，其特征在于，所述上径向位移传感器(31)、所述轴向位移传感器(41)和所述下径向位移传感器(51)分别设置四个探头，各探头呈中心对称设置。
4.根据权利要求3所述的内嵌式磁悬浮风洞天平，其特征在于，所述旋转编码器(21)、所述电磁离合器(6)、所述磁浮加载器(7)采用抱轴式固定。
5.根据权利要求1所述的内嵌式磁悬浮风洞天平，其特征在于，所述上径向磁轴承(3)和所述上径向位移传感器(31)通过定子定位套筒紧固在所述外罩上端，所述下径向磁轴承(5)和所述下径向位移传感器(51)通过定子定位套筒紧固在所述外罩下端。
6.一种气动力测试方法，应用于权利要求1至5任一项所述的内嵌式磁悬浮风洞天平，其特征在于，包括：
上径向位移传感器(31)和下径向位移传感器(51)的X轴正、负方向上的两个探头所检测的位移信号做差分，Y轴正、负方向上的两个探头所检测的位移信号做差分，得到此时转子与定子的相对位置，通过转子与定子的径向间隙闭环控制，控制径向磁悬浮轴承定子线圈电流大小，实现转子与定子径向间隙的稳定，实现转子与定子的径向非接触支撑；
将轴向位移传感器(41)X轴正、负方向上的两个探头所检测的位移信号做差分，Y轴正、负方向上的两个探头所检测的位移信号做差分，得到转子轴向相对位置，通过转子与定子轴向间隙闭环控制，控制轴向磁悬浮轴承定子线圈电流大小，实现转子与定子轴向间隙的稳定，实现转子与定子的轴向非接触支撑；
获取上径向磁轴承(3)、轴向磁轴承(4)、下径向磁轴承(5)的电磁线圈电流大小，以及飞行器模型的位置、姿态信号，得到风洞试验时飞行器气动力。
7.根据权利要求6所述的气动力测试方法，其特征在于，通过校准系统明确所述上径向磁轴承(3)、所述轴向磁轴承(4)、所述下径向磁轴承(5)中电流的大小与飞行器气动力之间的对应关系；
检测所述上径向磁轴承(3)、所述轴向磁轴承(4)、所述下径向磁轴承(5)的电磁线圈电流大小，根据所述对应关系计算飞行器气动力。
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