CN114499095A - 一种用于航天器主动隔振平台的电磁作动器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于航天器主动隔振平台的电磁作动器，包括用于与需要进行隔振的负载固定连接的磁轭组件和用于与振动干扰来源固定连接的线圈组件，所述线圈组件处于所述磁轭组件的气隙中，磁轭组件中采用多组永磁体产生多个气隙，线圈组件采用单线圈或者双线圈两种模式，以实现电磁作动器的单自由度或者双自由度模式。上述电磁作动器，通过重叠线圈可以将两个方向的力集中在一起，在面临多自由度隔振控制时使结构更加简化；通过增加每个自由度方向上的气隙数量，能够提高磁场利用率；同时线圈组件的安装方式更加灵活，可以通过是否安装中间隔板决定电磁作动器的单自由度或双自由度的使用模式；可以通过灵活改变线圈缠绕方向而改变线圈出力方向。

Description

一种用于航天器主动隔振平台的电磁作动器

技术领域

本发明涉及电磁作动器技术领域，尤其涉及一种用于航天器主动隔振平台的电磁作动器。

背景技术

航天器在轨运行中，会受到各种干扰，引起航天器结构的微振动，进而影响航天器有效载荷工作性能，且航天器工作精度和稳定度要求越来越高，因此对航天器结构微振动主动隔振平台的要求越来越高。近年来，对于隔振要求极高的航天器工作环境，如空间实验台、太空摄像机或用于安装主要的扰动源例如推进器、作动轮组等情况下，采用非接触隔振的构型，使扰动源与隔振目标之间没有直接的物理连接，这与传统隔振平台结构相比有着天然的优势，理论上甚至可以实现零频率隔振，而对于无接触隔振的作动器大都采用以磁力为控制力的执行方式。并通过传感器等元件获取被控对象的速度、位置等状态特征，进而控制作动器输出一定的作用力来抵消扰动对被控对象的影响，从而具有更好的隔振效果。

然而对于其中的电磁作动器部分而言，传统的电磁作动器仅采用一组磁铁所产生的磁场强度有限，面对线圈电流会产生磁场的偏移，影响控制精度。而且传统单自由度作动器只能控制单自由度方向上的出力，在面对空间高自由度隔振需求时结构过于繁琐，也给控制系统增加了难度。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本申请提出了一种用于航天器主动隔振平台的电磁作动器，其能够切换单、双自由度的使用模式，且增加了每个自由度方向上的气隙数量，提高了磁场利用率，能够适用于多自由度隔振平台，具有安装与控制更加方便的优点。

为了实现上述目的，本申请提出了一种用于航天器主动隔振平台的电磁作动器，包括用于与需要进行隔振的负载固定连接的磁轭组件和用于与振动干扰来源固定连接的线圈组件，所述线圈组件处于所述磁轭组件的气隙中；

所述磁轭组件包括相对设置的第一磁轭支撑板和第二磁轭支撑板，在所述第一磁轭支撑板上交叉固定设有第一铁轭和第二铁轭，二者之间的夹角为α，且0°＜α≤90°，所述第一铁轭上设有第一组永磁体，所述第一组永磁体包括n个永磁体，n为奇数，且n≥3，所述n个永磁体沿着所述第一铁轭的长方向间隔的分布在所述第一铁轭上，并且相邻的两个永磁体靠近第二磁轭支撑板的一端的磁极相反，所述第二铁轭上设有第二组永磁体，所述第二组永磁体包括m个永磁体，m为奇数，且m≥3，所述m个永磁体沿着所述第二铁轭的长方向间隔的分布在所述第二铁轭上，并且相邻的两个永磁体靠近第二磁轭支撑板的一端的磁极相反；所述第一铁轭和第二铁轭相交位置处的永磁体为第一组永磁体和第二组永磁体共用的永磁体；

在所述第二磁轭支撑板上交叉固定设有第三铁轭和第四铁轭，所述第三铁轭与第一铁轭的位置相对应，所述第四铁轭与第二铁轭的位置相对应，所述第三铁轭上设有第三组永磁体，所述第三组永磁体包括n个永磁体，其与第一组永磁体中的各永磁体一一对应，且相对应的两个永磁体相互靠近的一端的磁极相反，二者在其气隙处产生磁场，将所述第一组永磁体与第三组永磁体之间的n个气隙记作第一组气隙；所述第四铁轭上设有第四组永磁体，所述第四组永磁体包括m个永磁体，其与第二组永磁体中的各永磁体一一对应，且相对应的两个永磁体相互靠近的一端的磁极相反，二者在其气隙处产生磁场，将所述第二组永磁体与第四组永磁体之间的m个气隙记作第二组气隙；所述第三铁轭和第四铁轭相交位置处的永磁体为第三组永磁体和第四组永磁体共用的永磁体；

所述线圈组件包括相对设置的第一线圈支撑板和第二线圈支撑板，二者采用不导磁的材料制成，在所述第一线圈支撑板或第二线圈支撑板上缠绕第一线圈，所述第一线圈的缠绕方向与其中一组气隙的各磁场相匹配，使得在第一线圈通电的情况下，第一线圈处于所述磁轭组件各对应气隙磁场位置处的导线所产生的洛伦兹力的方向相同，将所述第一线圈支撑板和第二线圈支撑板相连接，使所述第一线圈支撑板和第二线圈支撑板将第一线圈夹紧。

在一些实施例中，所述n个永磁体沿着所述第一铁轭的长方向等间距的分布，所述m个永磁体沿着所述第二铁轭的长方向等间距的分布。

在一些实施例中，在所述第一铁轭、第二铁轭、第三铁轭、第四铁轭上均设有用于固定永磁体的凹槽。

在一些实施例中，所述第一组气隙和第二组气隙涉及的各气隙的长度相等。

在一些实施例中，所述气隙的长度比所述线圈组件的厚度大10mm～20mm。

在一些实施例中，在所述第一线圈支撑板和第二线圈支撑板之间设有采用不导磁的材料制成的中间隔板，所述第一线圈处在所述中间隔板的一侧，在所述中间隔板的另一侧缠绕第二线圈，所述第二线圈的缠绕方向与另一组气隙的各磁场相匹配，使得在第二线圈通电的情况下，第二线圈处于所述磁轭组件各对应气隙磁场位置处的导线所产生的洛伦兹力的方向相同，并且与第一线圈对应的洛伦兹力和与第二线圈对应的洛伦兹力之间的夹角为β，β＝α；将所述第一线圈支撑板和第二线圈支撑板相连接，使所述第一线圈支撑板和第二线圈支撑板将第一线圈和第二线圈夹紧。

本申请的该方案的有益效果在于上述用于航天器主动隔振平台的电磁作动器，通过重叠线圈可以将两个方向的力集中在一起，在面临多自由度隔振控制时使结构更加简化；通过增加每个自由度方向上的气隙数量，能够提高磁场利用率；同时线圈组件的安装方式更加灵活，可以通过是否安装中间隔板决定电磁作动器的单自由度或双自由度的使用模式；可以通过灵活改变线圈缠绕方向而改变线圈出力方向。

附图说明

图1示出了实施例中用于航天器主动隔振平台的电磁作动器的结构示意图。

图2示出了实施例中磁轭组件的结构示意图。

图3示出了实施例中磁轭组件的部分结构示意图。

图4示出了实施例中磁轭组件中心截面位置处的磁铁方向及磁场回路示意图。

图5示出了实施例中线圈组件的结构示意图。

图6示出了实施例中线圈组件的部分结构的爆炸示意图。

图7示出了实施例中竖直线圈的缠绕方式示意图。

图8示出了实施例中用于航天器主动隔振平台的电磁作动器的使用状态示意图。

附图标记：100-磁轭组件，200-线圈组件，300-浮台，400-基台，1-第一磁轭支撑板，2-第二磁轭支撑板，3-第一铁轭，4-第二铁轭，5-第三铁轭，6-第四铁轭，7-第一组永磁体，8-第二组永磁体，9-第三组永磁体，10-第四组永磁体，11-第一共用永磁体，12-第二共用永磁体，13-第一固定件，14-第一连接件，21-第一线圈支撑板，22-第二线圈支撑板，23-中间隔板，24-第一线圈，25-第二线圈，26-第二固定件，27-第二连接件。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式作进一步的说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

如图1-7所示，本申请所涉及的用于航天器主动隔振平台的电磁作动器包括用于与需要进行隔振的负载固定连接的磁轭组件100和用于与振动干扰来源固定连接的线圈组件200，所述线圈组件200处于所述磁轭组件100的气隙中，所述电磁作动器由所述磁轭组件100产生匀强磁场，由所述线圈组件200通电产生洛伦兹力来完成控制力的输出。

所述磁轭组件100包括相对设置的第一磁轭支撑板1和第二磁轭支撑板2，在所述第一磁轭支撑板1和第二磁轭支撑板2上均设有第一连接件14，在本实施例中，所述第一连接件14可以采用螺钉，通过所述第一连接件14能够使所述磁轭组件100与需要进行隔振的负载固定连接。

在所述第一磁轭支撑板1上交叉固定设有第一铁轭3和第二铁轭4，二者之间的夹角为α，且0°＜α≤90°，在本实施例中，通过第一固定件13将第一铁轭3和第二铁轭4固定在所述第一磁轭支撑板1上，所述第一固定件13可以采用螺栓等，所述第一铁轭3上设有第一组永磁体7，所述第一组永磁体7包括n个永磁体，n为奇数，且n≥3，所述n个永磁体沿着所述第一铁轭3的长方向等间距的分布在所述第一铁轭3上，并且相邻的两个永磁体靠近第二磁轭支撑板2的一端的磁极相反，在本实施例中，在所述第一铁轭3上设有用于固定永磁体的凹槽；所述第二铁轭4上设有第二组永磁体8，所述第二组永磁体8包括m个永磁体，m为奇数，且m≥3，所述m个永磁体沿着所述第二铁轭4的长方向等间距的分布在所述第二铁轭4上，并且相邻的两个永磁体靠近第二磁轭支撑板2的一端的磁极相反；所述第一铁轭3和第二铁轭4相交位置处的永磁体为第一组永磁体7和第二组永磁体8共用的永磁体，记作第一共用永磁体11。

在所述第二磁轭支撑板2上交叉固定设有第三铁轭5和第四铁轭6，所述第三铁轭5与第一铁轭3的位置相对应，所述第四铁轭6与第二铁轭4的位置相对应，所述第三铁轭5上设有第三组永磁体9，所述第三组永磁体9包括n个永磁体，其与第一组永磁体7中的各永磁体一一对应，且相对应的两个永磁体相互靠近的一端的磁极相反，二者在其气隙处产生磁场，将所述第一组永磁体7与第三组永磁体9之间的n个气隙记作第一组气隙；所述第四铁轭6上设有第四组永磁体10，所述第四组永磁体10包括m个永磁体，其与第二组永磁体8中的各永磁体一一对应，且相对应的两个永磁体相互靠近的一端的磁极相反，二者在其气隙处产生磁场，将所述第二组永磁体8与第四组永磁体10之间的m个气隙记作第二组气隙；所述第三铁轭5和第四铁轭6相交位置处的永磁体为第三组永磁体9和第四组永磁体10共用的永磁体，记作第二共用永磁体12。所述第一组气隙和第二组气隙涉及的各气隙的长度相等。

所述线圈组件200处于所述磁轭组件100的所有气隙中，气隙的长度比所述线圈组件200的厚度大10mm～20mm，以便保证气隙中的磁场强度足够大的同时，电磁作动器能有足够大的行程。

所述线圈组件200包括相对设置的第一线圈支撑板21和第二线圈支撑板22，二者采用不导磁的材料制成，在所述第一线圈支撑板21和第二线圈支撑板22上均设有第二连接件27，在本实施例中，所述第二连接件27可采用螺钉，通过所述第二连接件27可以使所述线圈组件200与振动干扰来源固定连接。

当电磁作动器为单自由度使用模式时，在所述第一线圈支撑板21或第二线圈支撑板22上缠绕第一线圈24，在本实施例中，所述第一线圈支撑板21上缠绕第一线圈24，所述第一线圈24的缠绕方向与其中一组气隙的各磁场相匹配(即所述第一组气隙的各磁场或者第二组气隙的各磁场)，使得在第一线圈24通电的情况下，第一线圈24处于所述磁轭组件各对应气隙磁场位置处的导线所产生的洛伦兹力的方向相同，这是因为相邻两个气隙位置处的磁场方向相反，当切割磁场的电流方向也相反时，产生的洛伦兹力的方向便相同，因此只要缠绕线圈时满足以上条件即可，这样便叫做所述第一线圈24的缠绕方向与其中一组气隙的各磁场相匹配。通过第二固定件26使所述第一线圈支撑板21和第二线圈支撑板22相连接，进而使所述第一线圈支撑板21和第二线圈支撑板22将第一线圈24夹紧。

当电磁作动器为双自由度使用模式时，在所述第一线圈支撑板21和第二线圈支撑板22之间设有采用不导磁的材料制成的中间隔板23，所述第一线圈24处在所述中间隔板23的一侧，在所述中间隔板23的另一侧缠绕第二线圈25，在本实施例中，所述第二线圈25处在所述中间隔板23与第二线圈支撑板22之间，所述第二线圈25的缠绕方向与另一组气隙的各磁场相匹配(即所述第二组气隙的各磁场或者第一组气隙的各磁场)，使得在第二线圈25通电的情况下，第二线圈25处于所述磁轭组件各对应气隙磁场位置处的导线所产生的洛伦兹力的方向相同，并且与第一线圈24对应的洛伦兹力和与第二线圈25对应的洛伦兹力之间的夹角为β，β＝α。通过第二固定件26使所述第一线圈支撑板21和第二线圈支撑板22相连接，进而使所述第一线圈支撑板21和第二线圈支撑板22将第一线圈24和第二线圈25夹紧。当电磁作动器为双自由度使用模式时，由于第一线圈24和第二线圈25的缠绕方向不同，因此通入适当电流即可产生沿两个方向的作用力，二者之间的夹角即为所述第一铁轭3和第二铁轭4之间的夹角，根据需要的各个角度的出力大小要求可以适当选择合适夹角。

需要注意的是，由于磁轭组件100产生的磁场范围较小，在安装时应注意磁轭组件100与线圈组件200的相对位置，应尽量保证平衡位置时第一线圈24以及第二线圈25的中心刚好处在对应的气隙中心处。

在本实施例中，n＝m＝3，α为90°，且所述第一铁轭3水平设置，所述第二铁轭4竖直设置，所述第一线圈24为竖直线圈(由于第一线圈24通电的情况下，第一线圈24处于所述磁轭组件各对应气隙磁场位置处的导线所产生的洛伦兹力的方向沿竖直方向，也就是说，该洛伦兹力的方向与第二铁轭4的方向相对应)，所述第二线圈25为水平线圈(由于第二线圈25通电的情况下，第二线圈25处于所述磁轭组件各对应气隙磁场位置处的导线所产生的洛伦兹力的方向沿水平方向，也就是说，该洛伦兹力的方向与第一铁轭3的方向相对应)。当n＝m＝3时，所述第一线圈24由竖直方向的三个气隙提供磁场，第二线圈25由水平方向的三个气隙提供磁场，其中处于中心位置处的气隙为共用气隙。

通过采用多组永磁体产生多个气隙，相比于单个磁场气隙，可以使线圈以更小的电流产生相同大小的作用力，从而减小电流对磁场的影响，获得更高的控制精度，另一方面也提高了电磁作动器的出力范围。

以空间六自由度主动隔振平台为例，说明上述实施例中双自由度集成的电磁作动器的应用。由于本申请所涉及的电磁作动器最多可控制两个方向的控制力，所以进行空间中的六自由度隔振最少需要三个电磁作动器，它们的布置方式如图8所示，三个电磁作动器沿圆周等距分布，它们的磁轭组件100固定在浮台300上，以保证磁轭组件100和线圈组件200之间产生的作用力可以传递到负载，线圈组件200固定在基台400上。每个电磁作动器可以产生沿竖直方向和水平方向两个方向上的控制力，当三个电磁作动器共同作用时，可以控制浮台300六个自由度方向上的运动，从而达到抑制振动的目的。

本申请所涉及的用于航天器主动隔振平台的电磁作动器，通过重叠线圈可以将两个方向的力集中在一起，在面临多自由度隔振控制时使结构更加简化；通过增加每个自由度方向上的气隙数量，能够提高磁场利用率；同时线圈组件的安装方式更加灵活，可以通过是否安装中间隔板决定电磁作动器的单自由度或双自由度的使用模式；可以通过灵活改变线圈缠绕方向而改变线圈出力方向；通过控制线圈中电流大小来控制产生电磁力的大小，且在非多自由度耦合的情况下，电流大小与力的大小有着良好的线性度。

本申请所涉及的电磁作动器适用于使用主动控制技术来控制航天器的微振动。此外，该电磁作动器的使用用途不局限于微重力空间航天器结构的六自由度隔振平台，可以根据使用环境与要求进行不同方式的安装，实现不同自由度隔振平台应用。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，根据本申请的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于航天器主动隔振平台的电磁作动器，包括用于与需要进行隔振的负载固定连接的磁轭组件和用于与振动干扰来源固定连接的线圈组件，所述线圈组件处于所述磁轭组件的气隙中，其特征在于：

所述磁轭组件包括相对设置的第一磁轭支撑板和第二磁轭支撑板，在所述第一磁轭支撑板上交叉固定设有第一铁轭和第二铁轭，二者之间的夹角为α，且0°＜α≤90°，所述第一铁轭上设有第一组永磁体，所述第一组永磁体包括n个永磁体，n为奇数，且n≥3，所述n个永磁体沿着所述第一铁轭的长方向间隔的分布在所述第一铁轭上，并且相邻的两个永磁体靠近第二磁轭支撑板的一端的磁极相反，所述第二铁轭上设有第二组永磁体，所述第二组永磁体包括m个永磁体，m为奇数，且m≥3，所述m个永磁体沿着所述第二铁轭的长方向间隔的分布在所述第二铁轭上，并且相邻的两个永磁体靠近第二磁轭支撑板的一端的磁极相反；所述第一铁轭和第二铁轭相交位置处的永磁体为第一组永磁体和第二组永磁体共用的永磁体；

在所述第二磁轭支撑板上交叉固定设有第三铁轭和第四铁轭，所述第三铁轭与第一铁轭的位置相对应，所述第四铁轭与第二铁轭的位置相对应，所述第三铁轭上设有第三组永磁体，所述第三组永磁体包括n个永磁体，其与第一组永磁体中的各永磁体一一对应，且相对应的两个永磁体相互靠近的一端的磁极相反，二者在其气隙处产生磁场，将所述第一组永磁体与第三组永磁体之间的n个气隙记作第一组气隙；所述第四铁轭上设有第四组永磁体，所述第四组永磁体包括m个永磁体，其与第二组永磁体中的各永磁体一一对应，且相对应的两个永磁体相互靠近的一端的磁极相反，二者在其气隙处产生磁场，将所述第二组永磁体与第四组永磁体之间的m个气隙记作第二组气隙；所述第三铁轭和第四铁轭相交位置处的永磁体为第三组永磁体和第四组永磁体共用的永磁体；

所述线圈组件包括相对设置的第一线圈支撑板和第二线圈支撑板，二者采用不导磁的材料制成，在所述第一线圈支撑板或第二线圈支撑板上缠绕第一线圈，所述第一线圈的缠绕方向与其中一组气隙的各磁场相匹配，使得在第一线圈通电的情况下，第一线圈处于所述磁轭组件各对应气隙磁场位置处的导线所产生的洛伦兹力的方向相同，将所述第一线圈支撑板和第二线圈支撑板相连接，使所述第一线圈支撑板和第二线圈支撑板将第一线圈夹紧。

2.根据权利要求1所述的用于航天器主动隔振平台的电磁作动器，其特征在于：所述n个永磁体沿着所述第一铁轭的长方向等间距的分布，所述m个永磁体沿着所述第二铁轭的长方向等间距的分布。

3.根据权利要求1所述的用于航天器主动隔振平台的电磁作动器，其特征在于：在所述第一铁轭、第二铁轭、第三铁轭、第四铁轭上均设有用于固定永磁体的凹槽。

4.根据权利要求1所述的用于航天器主动隔振平台的电磁作动器，其特征在于：所述第一组气隙和第二组气隙涉及的各气隙的长度相等。

5.根据权利要求4所述的用于航天器主动隔振平台的电磁作动器，其特征在于：所述气隙的长度比所述线圈组件的厚度大10mm～20mm。

6.根据权利要求1或5所述的用于航天器主动隔振平台的电磁作动器，其特征在于：在所述第一线圈支撑板和第二线圈支撑板之间设有采用不导磁的材料制成的中间隔板，所述第一线圈处在所述中间隔板的一侧，在所述中间隔板的另一侧缠绕第二线圈，所述第二线圈的缠绕方向与另一组气隙的各磁场相匹配，使得在第二线圈通电的情况下，第二线圈处于所述磁轭组件各对应气隙磁场位置处的导线所产生的洛伦兹力的方向相同，并且与第一线圈对应的洛伦兹力和与第二线圈对应的洛伦兹力之间的夹角为β，β＝α；将所述第一线圈支撑板和第二线圈支撑板相连接，使所述第一线圈支撑板和第二线圈支撑板将第一线圈和第二线圈夹紧。

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