CN111963624B - 一种空间六自由度磁悬浮隔振平台 - Google Patents

一种空间六自由度磁悬浮隔振平台 Download PDF

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    • F16F2222/06—Magnetic or electromagnetic

Abstract

一种空间六自由度磁悬浮隔振平台，属于空间有效载荷隔振技术领域。本发明解决了现有的磁悬浮平台占用的空间较大，结构较复杂，集成化程度低的问题。四个线圈阵列对应位于四个上永磁体阵列与四个下永磁体阵列之间，连接筒穿设在四个线圈阵列合围区域内，每个永磁体阵列均包括磁极方向水平的永磁体和磁极方向竖直的永磁体，工作时，线圈阵列在上永磁体阵列和下永磁体阵列产生的磁场中收到水平立向和竖直方向的洛伦兹力作用，实现水平方向和竖直方向运动的控制。利用电磁驱动，能够实现六自由度动作。机构响应迅速，易实现高精度控制，有效抑制低频振动。结构零组件较少，结构简单，集成化程度高，占用空间相对较小，产品重量轻便且易于拆卸维护。

Description

一种空间六自由度磁悬浮隔振平台
技术领域
本发明涉及一种空间六自由度磁悬浮隔振平台，属于空间有效载荷隔振技术领域。
背景技术
空间微振动通常是指航天器在轨运行期间，星上运动部件(如飞轮、陀螺等驱动机构)高速周期性运动或因变轨、冷热交变等引发扰动使星体产生的一种幅值较小、频带较宽的颤振响应。这些发生在低频段的小幅值、持续微振动对于空间微重力实验结果影响剧烈，甚至可能直接导致某些空间任务的失败。隔振技术主要包括被动隔振技术、主动隔振技术和主被动混合隔振技术三种。依靠弹簧、橡胶等不需要外界能量元件进行的隔振称为被动隔振技术，这种隔振方法可靠性高，但是被动隔振只对中高频带范围内的扰动有良好的隔离抑制效果，无法消除低频范围内的扰动。主动隔振技术是指借助外界能量，按照一定的控制策略产生与扰动源相同的作用力抵消振源的扰动，使隔振后的加速度量级满足要求。主动隔振系统常用的作动器包括压电式、磁悬浮式、超磁致伸缩式等。在空间微振动隔离与抑制领域，最常用的作动器主要有压电陶瓷式和磁悬浮式两种。压电陶瓷式作动器其有效行程较小，对低频扰动抑制效果不好。现有磁悬浮式隔振器在低频或极低频范围内具有较好的隔振性能，但设计小型化、集成化、轻质量、高精度的磁悬浮隔振平台是目前亟需解决的一个问题。现有技术中的磁悬浮平台中，单个作动器只能够实现单自由度运动，所需要布置作动器数目多，占用的空间较大，结构较复杂，集成化程度低。
发明内容
本发明是为了解决现有的磁悬浮平台占用的空间较大，结构较复杂，集成化程度低的问题，进而提供了一种空间六自由度磁悬浮隔振平台。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种空间六自由度磁悬浮隔振平台，它包括动平台和静平台，其中所述动平台包括上板、下板、连接筒、四个上永磁体阵列、四个下永磁体阵列、若干PSD位移传感器及若干加速度传感器，所述上板与下板上下平行布置且通过布置在上板与下板之间的连接筒固接，四个上永磁体阵列固装在上板的底面，四个下永磁体阵列固装在下板的顶面，若干PSD位移传感器分别通过传感器支架固装在上板与下板之间，若干加速度传感器分别设置在上板的底面、下板的顶面及连接筒的内壁上；所述静平台包括基座和四个线圈阵列，每个线圈阵列均包括线圈支座、通过线圈支座固装在基座上的若干竖直线圈以及固装在竖直线圈上的若干水平线圈；四个线圈阵列对应位于四个上永磁体阵列与四个下永磁体阵列之间，连接筒穿设在四个线圈阵列合围区域内，每个永磁体阵列均包括磁极方向水平的永磁体和磁极方向竖直的永磁体，工作时，线圈阵列在上永磁体阵列和下永磁体阵列产生的磁场中收到水平立向和竖直方向的洛伦兹力作用，实现水平方向和竖直方向运动的控制。
进一步地，每个永磁体阵列中均包括间隔布置的四个磁极方向竖直的永磁体及三个磁极方向水平的永磁体。
进一步地，每个线圈阵列均包括三个竖直线圈和四个水平线圈，其中三个竖直线圈相互平行设置且均固装在线圈支座上，四个水平线圈对应套装在位于边缘的两个竖直线圈的上下两端部。
进一步地，上板的底面与下板的顶面均开设有四个矩形凹槽，四个上永磁体阵列对应安装在上板的四个矩形凹槽内，四个下永磁体阵列对应安装在下板的四个矩形凹槽内。
进一步地，四个上永磁体阵列与四个下永磁体阵列上下正对设置。
进一步地，四个上永磁体阵列及四个下永磁体阵列均呈矩形均布设置。
进一步地，PSD位移传感器的数量为三个。
进一步地，加速度传感器的数量为六个。
进一步地，连接筒的横截面呈矩形，连接筒的每个内侧壁上均安装有一个加速度传感器。
进一步地，上板与下板均为八边形结构。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
本申请利用电磁驱动，能够实现六自由度动作。机构响应迅速，易实现高精度控制，可以有效抑制低频振动。
本申请结构零组件较少，结构简单，集成化程度高，占用空间相对较小，产品重量轻便,且易于拆卸维护。
与现有技术相比，结构更紧凑、磁场利用率更高，同等尺寸下力学性能更好、隔振空间更大。
四个线圈阵列均固装在基座上，使得四个线圈阵列构成的整体基频较高，有效减少颤振的发生。
附图说明
图1为本申请的立体结构示意图；
图2为动平台的爆炸示意图；
图3为静平台的立体结构示意图；
图4为线圈阵列的爆炸示意图；
图5为线圈阵列与上、下永磁体阵列之间的位置关系示意图；
图6为本申请的驱动原理示意图，其中图6(a)为水平线圈受力方向及永磁体阵列磁极方向示意图；图6(b)为竖直线圈受力方向及永磁体阵列磁极方向示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～6说明本实施方式，一种空间六自由度磁悬浮隔振平台，它包括动平台1和静平台2，其中所述动平台1包括上板11、下板12、连接筒13、四个上永磁体阵列14、四个下永磁体阵列15、若干PSD位移传感器16及若干加速度传感器17，所述上板11与下板12上下平行布置且通过布置在上板11与下板12之间的连接筒13固接，四个上永磁体阵列14固装在上板11的底面，四个下永磁体阵列15固装在下板12的顶面，若干PSD位移传感器16分别通过传感器支架18固装在上板11与下板12之间，若干加速度传感器17分别设置在上板11的底面、下板12的顶面及连接筒13的内壁上；所述静平台2包括基座21和四个线圈阵列22，每个线圈阵列22均包括线圈支座221、通过线圈支座221固装在基座21上的若干竖直线圈222以及固装在竖直线圈222上的若干水平线圈223；四个线圈阵列22对应位于四个上永磁体阵列14与四个下永磁体阵列15之间，连接筒13穿设在四个线圈阵列22合围区域内，每个永磁体阵列均包括磁极方向水平的永磁体和磁极方向竖直的永磁体，工作时，线圈阵列22在上永磁体阵列14和下永磁体阵列15产生的磁场中收到水平立向和竖直方向的洛伦兹力作用，实现水平方向和竖直方向运动的控制。
静平台2通过基座21安装在振源上，动平台1的上板11用于搭载进行隔振的载荷，工作时相对静平台2悬浮从而实现减振。
四个上永磁体阵列14和四个下永磁体阵列15形成四组永磁体阵列。
PSD位移传感器16可以测量动平台1相对静平台2的相对位姿；加速度传感器17可以测量动平台1的加速度信息，通过相对位姿信息和加速度信息，通过算法控制各个线圈中的电流，从而实现对动平台1运动的控制，进而隔振。
工作原理：
静平台2中有四个线圈阵列22，动平台1中有四组永磁体阵列。每个线圈阵列22均位于由上永磁体阵列14和下永磁体阵列15形成的磁场中，经竖直线圈222和水平线圈223通电，将分别受到水平和竖直方向的洛伦兹力的作用，从而控制水平和竖直方向运动。即，上、下永磁体阵列15及线圈阵列22构成了一个二自由度作动器。四个作动器中，每组均实现一个二自由度作动，四个两自由度的运动耦合后，动平台1相对静平台2可以实现六自由度运动。
本申请利用电磁驱动，能够实现六自由度动作。机构响应迅速，易实现高精度控制，可以有效抑制低频振动。
本申请结构零组件较少，结构简单，集成化程度高，占用空间相对较小，产品重量轻便，且易于拆卸维护。
与现有技术相比，结构更紧凑、磁场利用率更高，同等尺寸下力学性能更好、隔振空间更大。
四个线圈阵列22均固装在基座21上，使得四个线圈阵列22构成的整体基频较高，有效减少颤振的发生。
线圈阵列22通过线圈支座221固定，刚度较高。
四个作动器对称正交布置，提供了冗余驱动自由度，使得平台的可靠性更高。
每个永磁体阵列中均包括间隔布置的四个磁极方向竖直的永磁体及三个磁极方向水平的永磁体。使得在不同区域形成竖直和水平方向的磁场。
每个线圈阵列22均包括三个竖直线圈222和四个水平线圈223，其中三个竖直线圈222相互平行设置且均固装在线圈支座221上，四个水平线圈223对应套装在位于边缘的两个竖直线圈222的上下两端部。通电后分别收到水平方向和竖直方向洛伦兹力的作用。
上板11的底面与下板12的顶面均开设有四个矩形凹槽19，四个上永磁体阵列14对应安装在上板11的四个矩形凹槽19内，四个下永磁体阵列15对应安装在下板12的四个矩形凹槽19内。
四个上永磁体阵列14与四个下永磁体阵列15上下正对设置。
四个上永磁体阵列14及四个下永磁体阵列15均呈矩形均布设置。采用本申请中永磁体阵列的设计，使得磁场利用率提高。
PSD位移传感器16的数量为三个。
加速度传感器17的数量为六个。
连接筒13的横截面呈矩形，连接筒13的每个内侧壁上均安装有一个加速度传感器17。
上板11与下板12均为八边形结构。

Claims (8)

1.一种空间六自由度磁悬浮隔振平台，其特征在于：它包括动平台(1)和静平台(2)，其中所述动平台(1)包括上板(11)、下板(12)、连接筒(13)、四个上永磁体阵列(14)、四个下永磁体阵列(15)、若干PSD位移传感器(16)及若干加速度传感器(17)，所述上板(11)与下板(12)上下平行布置且通过布置在上板(11)与下板(12)之间的连接筒(13)固接，四个上永磁体阵列(14)固装在上板(11)的底面，四个下永磁体阵列(15)固装在下板(12)的顶面，若干PSD位移传感器(16)分别通过传感器支架(18)固装在上板(11)与下板(12)之间，若干加速度传感器(17)分别设置在上板(11)的底面、下板(12)的顶面及连接筒(13)的内壁上；所述静平台(2)包括基座(21)和四个线圈阵列(22)，每个线圈阵列(22)均包括线圈支座(221)、通过线圈支座(221)固装在基座(21)上的若干竖直线圈(222)以及固装在竖直线圈(222)上的若干水平线圈(223)；四个线圈阵列(22)对应位于四个上永磁体阵列(14)与四个下永磁体阵列(15)之间，连接筒(13)穿设在四个线圈阵列(22)合围区域内，每个永磁体阵列均包括磁极方向水平的永磁体和磁极方向竖直的永磁体，工作时，线圈阵列(22)在上永磁体阵列(14)和下永磁体阵列(15)产生的磁场中收到水平立向和竖直方向的洛伦兹力作用，实现水平方向和竖直方向运动的控制；
四个上永磁体阵列(14)与四个下永磁体阵列(15)上下正对设置；
四个上永磁体阵列(14)及四个下永磁体阵列(15)均呈矩形均布设置。
2.根据权利要求1所述的一种空间六自由度磁悬浮隔振平台，其特征在于：每个永磁体阵列中均包括间隔布置的四个磁极方向竖直的永磁体及三个磁极方向水平的永磁体。
3.根据权利要求2所述的一种空间六自由度磁悬浮隔振平台，其特征在于：每个线圈阵列(22)均包括三个竖直线圈(222)和四个水平线圈(223)，其中三个竖直线圈(222)相互平行设置且均固装在线圈支座(221)上，四个水平线圈(223)对应套装在位于边缘的两个竖直线圈(222)的上下两端部。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种空间六自由度磁悬浮隔振平台，其特征在于：上板(11)的底面与下板(12)的顶面均开设有四个矩形凹槽(19)，四个上永磁体阵列(14)对应安装在上板(11)的四个矩形凹槽(19)内，四个下永磁体阵列(15)对应安装在下板(12)的四个矩形凹槽(19)内。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种空间六自由度磁悬浮隔振平台，其特征在于：PSD位移传感器(16)的数量为三个。
6.根据权利要求5所述的一种空间六自由度磁悬浮隔振平台，其特征在于：加速度传感器(17)的数量为六个。
7.根据权利要求6所述的一种空间六自由度磁悬浮隔振平台，其特征在于：连接筒(13)的横截面呈矩形，连接筒(13)的每个内侧壁上均安装有一个加速度传感器(17)。
8.根据权利要求1、2、3、6或7所述的一种空间六自由度磁悬浮隔振平台，其特征在于：上板(11)与下板(12)均为八边形结构。
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