CN115988725A - 一种用于高真空等离子体环境的磁体位置调节机构 - Google Patents

Abstract

一种用于高真空等离子体环境的磁体位置调节机构，属于机械传动技术领域。所述结构包括线圈本体、传动机构和固定支撑机构；所述线圈本体、传动机构和固定支撑机构分为上下两部分，线圈本体被约束固定在真空内部，其垂直方向的运动由传动机构控制，固定支撑机构安装在罐体上，起到固定支撑传动机构和使线圈有且仅有垂直方向的运动自由度的作用；线圈本体的垂直运动通过上下各一套传动机构控制线圈运动，顶部传动机构通过固定架安装于罐体上，底部传动机构同样通过固定架安装在罐体上，固定架固定在地基上的地脚螺栓上；上下线圈各依靠驱动单元同步实现运动。本发明的位置调节机构结构紧凑，系统集成度高，运行稳定可靠。

Description

一种用于高真空等离子体环境的磁体位置调节机构

技术领域

本发明属于机械传动技术领域，具体涉及一种用于高真空等离子体环境的磁体位置调节机构。

背景技术

在空间等离子体环境模拟装置中，磁体系统是最关键的部分之一，用来提供研究空间等离子体环境的特点和相关物理过程所需要的背景磁场。背景磁场可以对等离子体加以约束和驱动，并且其位形和大小需可调控，以便开展磁层顶三维磁重联、波-离子相互作用以及空间等离子体的演化等具体问题的研究。地球磁层的磁场环境模拟可以由磁鞘线圈、磁控线圈、偶极线圈、磁扰动线圈和磁镜场线圈所组成的磁体系统来实现，磁体系统整体安装固定在真空罐上。为了实现不同的磁场位形模拟需求，磁鞘线圈、磁控线圈和磁镜场线圈均需要能够垂直运动，并实现精准的位置调节。另外，由于磁体系统均采用脉冲功率电源进行供电，以建立强磁场环境，故在空间等离子体环境模拟实验过程中，背景磁场是瞬态的，持续时间只有数百微秒，这对于磁体的垂直运动机构的稳定性和耐冲击性能也提出了较高的要求。所以，实现磁鞘线圈、磁控线圈和磁镜场线圈在垂直方向稳定精准的位置调节，是具有一定的技术难度的。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种用于高真空等离子体环境的磁体位置调节机构，以在空间等离子体环境模拟装置中实现不同的磁场位形，满足等离子体物理实验的需求。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种用于高真空等离子体环境的磁体位置调节结构，所述结构包括线圈本体、传动机构和固定支撑机构；所述线圈本体、传动机构和固定支撑机构分为上下两部分，线圈本体被约束固定在真空内部，其垂直方向的运动由传动机构控制，固定支撑机构安装在罐体上，起到固定支撑传动机构和使线圈有且仅有垂直方向的运动自由度的作用；线圈本体的垂直运动通过上下各一套传动机构控制线圈运动，顶部传动机构通过固定架安装于罐体上，底部传动机构同样通过固定架安装在罐体上，固定架固定在地基上的地脚螺栓上；上下线圈各依靠驱动单元同步实现运动。

进一步地，所述线圈本体为磁鞘线圈、磁控线圈或磁镜场线圈中的一种；其中，磁鞘线圈的数目为偶数个，共有四个，上下各有两个，在相类似的空间等离子体环境模拟装置中，磁鞘线圈可被设计为两个，上下各一个的结构；磁控线圈采用鱼骨架的结构，上下各一个；磁镜场线圈与磁鞘线圈类似，其数目为上下各一个。

进一步地，所述传动机构包括驱动电机、换向器、T型螺纹丝杠、蜗轮蜗杆升降机、波纹管、线圈支腿、光栅尺、限位开关和缓冲垫；驱动电机最大扭矩不小于43Nm，通过底座和螺栓安装在横梁上，或者直接安装在横梁上；换向器的总减速和蜗轮蜗杆升降机的减速比相匹配，总减速比不小于48，可提升重物的质量不小于15t；驱动电机和换向器以及蜗轮蜗杆升降机之间通过T型螺纹丝杠相连接，并通过底座和螺栓或者直接安装在横梁上，T型螺纹丝杠具有机械自锁的功能，防止线圈运动结束后的爬行；蜗轮蜗杆传动具有自锁功能；波纹管起到密封和伸缩的作用，线圈支腿的一端通过法兰固定在波纹管的活动法兰上，活动法兰通过密封圈与密封法兰相连接，达到密封的目的，另一端连接线圈；选用封装成型的绝对值光栅尺进行电机的位置闭环控制，并选配2个限位开关进行上下极限位置限位；缓冲垫采用三元乙丙橡胶，安装于升降机垂直方向的主要受力部位；通过上述传动机构，实现磁体位置精确度大于等于0.1mm，运动速度不小于1mm/s。

进一步地，所述固定支撑机构包括固定架、横梁、底座、升降机固定架、环向筋板、线圈固定横梁、罐体、固定板和导向柱；固定支撑机构直接或间接安装在罐体上，负责支撑线圈垂直方向的运动和为传动机构提供支撑和固定；横梁安装在罐体外侧，一端与环向筋板相连接；环向筋板以周向环绕的方式焊接在罐体外侧，用以最大程度的减轻真空罐的变形；固定架、升降机固定架直接安装在横梁上或者通过底座安装在横梁上；线圈固定横梁安装在罐体内侧，负责为线圈支腿提供垂直方向的约束；导向柱与线圈固定横梁的作用类似，安装在罐体内侧，通过应力缓冲件与线圈支腿相连接。

本发明相对于现有技术的有益效果为：本发明通过一套驱动电机和换向器的组合，实现磁体线圈垂直方向上的位置调节，通过固定支撑机构，使传动机构和线圈避免受到磁场环境的影响。本发明所提出的位置调节机构结构紧凑，系统集成度高，运行稳定可靠。

附图说明

图1为磁鞘线圈位置调节机构整体示意图；

图2为上半部分磁鞘线圈位置调节机构放大图；

图3为磁鞘线圈一位置调节机构示意图；

图4为磁鞘线圈二位置调节机构示意图；

图5为磁控线圈位置调节机构整体示意图；

图6为上半部分磁控线圈位置调节机构放大图；

图7为磁镜场线圈整体位置调节机构示意图；

图8为上半部分磁镜场线圈位置调节机构放大图；

其中，1-上固定架，2-底座，3-横梁，4-导向柱，5-十字滑套，6-环向筋板，7-过渡中心柱，8-磁鞘线圈支腿，9-磁鞘线圈一，10-磁鞘线圈二，11-罐体，12-下固定架，13-缓冲垫，14-光栅尺，15-限位开关，16-波纹管，17-蜗轮蜗杆升降机，18-换向器，19-T型螺纹丝杠，20-驱动电机，21-升降机支撑板，22-线圈横梁固定架，23-线圈固定横梁，24-磁控线圈一，25-磁控线圈二，26-磁控线圈支腿，27-支腿固定横梁，28-磁镜场线圈一，29-线圈固定架，30-磁镜场线圈二，31-磁镜场线圈支腿，32-升降机固定架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

磁体是等离子体模拟实验中提供背景磁场的必要组件。针对不同的实验需求，要针对磁体本身的位置或磁体间的相对位置进行调节，以产生不同的背景磁场，本发明所给出的位置调节机构，只有一个自由度。针对空间环境等离子体模拟装置中的磁体位置调节需求，给出了三个实施例。

实施例1：

本实施例为空间等离子体环境模拟装置中的磁鞘线圈提供一种垂直方向的位置调节机构，如图1～4所示，包括上固定架1，底座2，横梁3，导向柱4，十字滑套5，环向筋板6，过渡中心柱7，磁鞘线圈支腿8，磁鞘线圈一9，磁鞘线圈二10，罐体11，下固定架12，缓冲垫13，光栅尺14，限位开关15，波纹管16，蜗轮蜗杆升降机17，换向器18，T型螺纹丝杠19，驱动电机20，升降机支撑板21，升降机固定架32。由于上下磁鞘线圈的位置调整机构基本相同，所以本实施例以上磁鞘线圈的位置调整机构为例进行详细阐述。其中上固定架1固定在横梁3上，负责支撑稳定位置调节结构。底座2安装在横梁3上，其目的在于加高以方便安装传动机构。横梁3两端连接在环向筋板6上，驱动电机20和换向器18安装在底座2上，并与蜗轮蜗杆升降机17通过T型螺纹丝杠19相连接。蜗轮蜗杆升降机17安装在升降机支撑板21上，由升降机固定架32与上固定架1连接固定，通过蜗轮蜗杆传动平稳抬升磁鞘线圈。导向柱4的一端通过连接法兰固定在罐体内表面上，另一端与过渡中心柱7相连接。过渡中心柱7为过渡段，用于磁鞘线圈的拆卸与安装。每组线圈伸出四根线圈支腿，线圈支腿通过波纹管密封穿过真空罐罐体11，与传动机构相连。本实施例中，阐述的是总共四个磁鞘线圈的情况，上下各有两个，其中磁鞘线圈一9和磁鞘线圈二10的位置调整机构分别如图3和图4所示，两组线圈的传动机构的构造是几乎相同的。在驱动电机20的驱动下，蜗轮蜗杆升降机17带动磁鞘线圈支腿8垂直上下运动，实现线圈位置的调整，磁鞘线圈在导向柱4和十字滑套5的约束下，避免了受到电磁力矩而倾斜，而缓冲垫13则缓冲了电磁力带来的垂直方向的机械冲击。通过光栅尺14可以实现线圈位置的精准调控，其测量精度优于0.01mm。限位开关15与光栅尺14安装在一起，用于磁鞘线圈上下极限位置限位。上述磁鞘线圈的位置调节机构，可以实现磁鞘线圈在垂直方向上300mm的最大运动行程。

实施例2：

本实施例为空间等离子体环境模拟装置中的磁控线圈提供一种垂直方向的位置调节机构，如图5和6所示，包括上固定架1，底座2，横梁3，环向筋板6，罐体11，下固定架12，缓冲垫13，光栅尺14，限位开关15，波纹管16，蜗轮蜗杆升降机17，换向器18，T型螺纹丝杠19，驱动电机20，线圈横梁固定架22，线圈固定横梁23，磁控线圈一24，磁控线圈二25，磁控线圈支腿26，支腿固定横梁27，升降机固定架32。同样的，由于上下磁控线圈的位置调整机构基本相同，所以本实施例以上磁控线圈的位置调整机构为例进行详细阐述。其中上固定架1固定在两截罐体的横梁3上。磁控线圈的传动机构均安装在横梁3上。本实施例中传动机构的组成与实施例1中磁鞘的传动机构基本一致，均是采用单个驱动电机20经由T型螺纹丝杠19带动蜗轮蜗杆升降机17带动单个线圈垂直运动来实现位置调节的，并采用波纹管16和缓冲垫13来进行密封和缓冲机械冲击。本实施例中同样采用光栅尺14来实现磁控线圈位置的精准调控，测量精度优于0.01mm。限位开关15与光栅尺14安装在一起。不同于实施例1的地方在于，本实施例采用了线圈固定横梁23和线圈横梁固定架22相结合的方式，对磁控线圈进行导向和限位，并避免磁控线圈受到电磁力矩而倾斜。上述磁控线圈的位置调节机构，可以实现磁控线圈在垂直方向上500mm的最大运动。

实施例3：

本实施例为空间等离子体环境模拟装置中的磁镜场线圈提供一种垂直方向的位置调节机构，如图7和8所示，包括横梁3，导向柱4，环向筋板6，罐体11，下固定架12，缓冲垫13，光栅尺14，限位开关15，波纹管16，蜗轮蜗杆升降机17，换向器18，T型螺纹丝杠19，驱动电机20，磁镜场线圈一28，线圈固定架29，磁镜场线圈二30，磁镜场线圈支腿31，升降机固定架32。同样的，由于上下磁镜场线圈的位置调整机构基本相同，所以本实施例以上磁镜场线圈的位置调整机构为例进行详细阐述。磁镜场线圈的位置调节机构组件均安装固定在横梁3上，组成和工作方式与实施例1和实施例2中的磁鞘线圈和磁控线圈传动机构的基本一致，同样为单个驱动电机20经由T型螺纹丝杠19带动蜗轮蜗杆升降机17带动单个线圈垂直运动来实现位置调节，并采用波纹管16和缓冲垫13来进行密封和缓冲机械冲击。本实施例中同样采用光栅尺14来实现磁控线圈位置的精准调控，测量精度优于0.01mm。限位开关15与光栅尺14安装在一起。与实施例1和实施例2不同的是，本实施例中，磁镜场线圈在罐体内部的导向限位方式采用的两根导向柱4和线圈固定架29组合方式。导向柱4通过固定法兰垂直固定在罐体11的内表面上，线圈固定架29以滑动接触的方式安装在导向柱4上，即保证了磁镜场线圈在垂直方向的运动，又避免了传动机构受到电磁力矩发生倾斜。上述磁镜场线圈的位置调节机构，可以实现磁镜场线圈在垂直方向上800mm的最大运动行程。

Claims (4)

1.一种用于高真空等离子体环境的磁体位置调节结构，其特征在于：所述结构包括线圈本体、传动机构和固定支撑机构；所述线圈本体、传动机构和固定支撑机构分为上下两部分，线圈本体被约束固定在真空内部，其垂直方向的运动由传动机构控制，固定支撑机构安装在罐体上，起到固定支撑传动机构和使线圈有且仅有垂直方向的运动自由度的作用；线圈本体的垂直运动通过上下各一套传动机构控制线圈运动，顶部传动机构通过固定架安装于罐体上，底部传动机构同样通过固定架安装在罐体上，固定架固定在地基上的地脚螺栓上；上下线圈各依靠驱动单元同步实现运动。

2.根据权利要求1所述的一种用于高真空等离子体环境的磁体位置调节结构，其特征在于：所述线圈本体为磁鞘线圈、磁控线圈或磁镜场线圈中的一种，数目均为偶数个。

3.根据权利要求1所述的一种用于高真空等离子体环境的磁体位置调节结构，其特征在于：所述传动机构包括驱动电机、换向器、T型螺纹丝杠、蜗轮蜗杆升降机、波纹管、线圈支腿、光栅尺、限位开关和缓冲垫；驱动电机最大扭矩不小于43Nm，通过底座和螺栓安装在横梁上，或者直接安装在横梁上；换向器的总减速和蜗轮蜗杆升降机的减速比相匹配，总减速比不小于48，提升重物的质量不小于15t；驱动电机和换向器以及蜗轮蜗杆升降机之间通过T型螺纹丝杠相连接，并通过底座和螺栓或者直接安装在横梁上，T型螺纹丝杠具有机械自锁的功能；蜗轮蜗杆传动具有自锁功能；波纹管起到密封和伸缩的作用，线圈支腿的一端通过法兰固定在波纹管的活动法兰上，活动法兰通过密封圈与密封法兰相连接，另一端连接线圈；选用封装成型的绝对值光栅尺进行电机的位置闭环控制，并选配2个限位开关进行上下极限位置限位；缓冲垫采用三元乙丙橡胶，安装于升降机垂直方向的主要受力部位。

4.根据权利要求1所述的一种用于高真空等离子体环境的磁体位置调节结构，其特征在于：所述固定支撑机构包括固定架、横梁、底座、升降机固定架、环向筋板、线圈固定横梁、罐体、固定板和导向柱；固定支撑机构直接或间接安装在罐体上，负责支撑线圈垂直方向的运动和为传动机构提供支撑和固定；横梁安装在罐体外侧，一端与环向筋板相连接；环向筋板以周向环绕的方式焊接在罐体外侧；固定架、升降机固定架直接安装在横梁上或者通过底座安装在横梁上；线圈固定横梁安装在罐体内侧，负责为线圈支腿提供垂直方向的约束；导向柱与线圈固定横梁的作用类似，安装在罐体内侧，通过应力缓冲件与线圈支腿相连接。

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