基于可变磁场电磁线圈的一种磁悬浮试验台起消旋机构的制作方法

本实用新型专利发明涉及卫星物理仿真以及微小力测量等领域，具体的，该发明是基于可变磁场电磁线圈的一种磁悬浮试验台起消旋机构。

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。

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，完全克服气浮台对大气环境强依赖性的特点。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微小推力的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也是一个必须解决的难题，即仿真试验台的起消旋。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。综合考虑前面提到的各种因素，我们提出了本实用新型专利，即基于可变磁场电磁线圈的一种磁悬浮试验台起消旋机构，以解决上述提到的各种问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明设计了基于可变磁场电磁线圈的一种磁悬浮试验台起消旋机构，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，起旋机构可通过切断电磁线圈电流实现磁场置零，确保起消旋机构退出仿真平台，不会影响磁悬浮仿真试验台的转动，保证了试验浮台在测试过程中只受到卫星等航天器的作用。

所述的电磁起消旋机构包括电机旋转模块、电磁相互作用模块以及线圈供电模块。电机旋转模块包括悬挂杆、电机固定架、直流电机以及直流电机调节器；电磁相互作用模块包含电磁线圈骨架，电磁线圈，电磁铁芯，电涡流板以及支撑杆；线圈供电模块包含阳极盘、阳极电刷、阴极盘以及阴极电刷。

电机旋转模块是起消旋机构的动力来源，依靠直流电机的大扭矩力克服电磁相互作用力，带动浮台旋转。

悬挂杆位于起消旋装置的顶部，通过穿舱孔悬挂并紧固于真空舱上壁面，并用橡胶圈密封。除了悬挂整个电机旋转模块，同时也起到固定供电模块中阳极盘与阴极盘的作用。

电机固定架主要实现直流电机的固定。固定架的上部与悬挂杆紧固连接，下部用于固定和安装直流电机。固定架应该保证足够的高度，以确保电机安装过程中不会接触悬挂杆螺柱以及留有电机控制系统的布线空间。

旋转机构中的核心模块为电机控制系统。电机控制系统主要为电机执行任务的指令发出模块，由操作人员在舱外通过操控无刷电机调速器实现对电机的正反转控制，转速控制。直流无刷电机调速器通过航空插头内部的穿舱线与内部的电机通信。

电磁相互作用模块是起消旋装置的执行机构之一，是磁场源。该模块上部连接电机转轴，跟随电机做无差跟随旋转，下部通电螺线管线圈产生磁场与电涡流板相互作用。

电磁线圈骨架是电磁铁芯与电磁线圈的固定装置，骨架上部与电机转轴连接，下部是三个均匀分布的翼架，用以固定电磁铁芯以及电磁线圈。

电磁铁芯由硅钢片组装而成，该设计可有效降低电磁铁芯内部的无效涡流，降低热损耗，并且可以有效的降低起消旋装置脱离时对仿真试验台的影响。

通电螺线管线圈绕制在电磁铁芯表面，通以直流电产生磁场。

电涡流板是铝制金属板，是起消旋装置的执行机构之一。位于其上方运动的磁场可在电涡流内部产生电流环，并在磁场环境下产生安培力，带动浮台旋转。

支撑杆是电涡流板与浮台之间的联接件，电涡流板与浮台上端均与其刚性连接，实现两者之间无差转动。

线圈供电模块主要为旋转的电磁线圈提供直流电流。并且可以通过改变线圈中电流的大小改变磁场强度，进而控制电磁线圈与电涡流板之间的相互作用力。

阳极盘通过穿舱线连接至舱外的直流电源阳极，并固定于悬挂杆合适位置。

阳极电刷上部的碳刷与阳极盘接触取电，下部固定于电磁线圈骨架的翼架外端。三个电磁线圈的阳极端与阳极电刷连接。

阴极盘通过穿舱线连接至舱外的直流电源阴极，并固定于悬挂杆合适位置。

阴极电刷上部的碳刷与阴极盘接触取电，下部固定于另外一个电磁线圈骨架的翼架外端。三个电磁线圈的阴极端与阴极电刷连接。

本发明的优点如下：

(1)、基于可变磁场电磁线圈的一种磁悬浮试验台起消旋机构，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)、基于可变磁场电磁线圈的一种磁悬浮试验台起消旋机构，其磁场可通过控制通电螺线管中电流的大小实现无级调节，可变磁场的引入使得该起消旋机构在不用调节电磁体与电涡流板之间的气隙即可实现相互作用力的大小调节。

(3)、基于可变磁场电磁线圈的一种磁悬浮试验台起消旋机构，其电磁线圈骨架设计为扇状结构，可同时搭载三组电磁线圈，确保有足够的作用力以带动浮台旋转。电磁线圈骨架上的电刷的设计和布置可以确保外部电源系统对电磁线圈的供电稳定性。

(4)、基于可变磁场电磁线圈的一种磁悬浮试验台起消旋机构，可重复性高，当需要在真空舱内做多组工况下的实验，可通过旋转电机以及电磁线圈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)、基于可变磁场电磁线圈的一种磁悬浮试验台起消旋机构，起消旋任务完成后，可切断通电螺线管线圈中的电流，使得磁场强度归零，由此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：将可变磁场电磁线圈用于真空舱内部超导仿真试验台的起消旋，可在不改变电磁体与电涡流板之间的气隙大小的情况下，通过改变螺线管线圈中电流的大小控制磁场强度的值，进而改变相互作用力的大小。该方案大大降低了真空舱内起消旋装置的复杂程度，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仿真试验台的起消旋任务。整个执行过程噪声低，非接触，可重复，可以解决真空舱内部难以实现起消旋的难题，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是本发明，即基于可变磁场电磁线圈的一种磁悬浮试验台起消旋机构整体装配图；

1-悬挂杆、2-阳极盘、3-阳极电刷、4-阳极电刷支撑杆、5-阴极盘、6-阴极电刷、7-阴极电刷支撑杆、8-电机固定架、9-直流电机、10-电磁线圈骨架、11-电磁线圈；12-电磁铁芯、13-电涡流板、14-支撑杆、15-推力器、16-磁悬浮试验台、17-真空舱。

图2是旋转电磁线圈结构及供电图。

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。

本发明即基于可变磁场电磁线圈的一种磁悬浮试验台起消旋机构，利用电磁体与电涡流板之间的涡流效应产生电磁相互作用力实现真空舱内仿真试验台的可重复性、低噪音以及非触式起消旋任务。本发明通过调节旋转电机的转动方向、螺线管中电流的大小以及通断实现对浮台的起消旋控制。该装置原理简单、结构设计简洁精巧、控制简便，可在真空环境下工作。

前面所述的起消旋装置如图1所示，主要包括三部分，即电机旋转模块、电磁相互作用模块以及线圈供电模块。

电机旋转模块包括悬挂杆、电机固定架、直流电机以及直流电机调节器。

悬挂杆位于起消旋装置的顶部，通过穿舱孔悬挂并紧固于真空舱上壁面，并用橡胶圈密封。除了悬挂整个电机旋转模块，同时也起到固定供电模块中阳极盘与阴极盘的作用。悬挂杆的长度为110mm。

电机固定架主要实现直流电机的固定。由两个形状如同字母”l”的铝制零件组成。固定架的上部与悬挂杆紧固连接，下部用于固定和安装直流电机。固定架应该保证足够的高度，以确保电机安装过程中不会接触悬挂杆螺柱以及留有电机控制系统的布线空间。

直流电机以及电机控制系统是整个旋转电机模块的核心模块。电机采用直流无刷电机，型号为jga25-2148，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。

电机控制系统主要为电机执行任务的指令发出模块，由操作人员在舱外通过操控无刷电机调速器实现对电机的正反转控制，转速控制。直流无刷电机调速器通过航空插头内部的穿舱线与内部的电机通信。

电磁相互作用模块是起消旋装置的执行机构之一，是磁场源。包含电磁线圈骨架，电磁线圈，电磁铁芯，电涡流板以及支撑杆。该模块上部连接电机转轴，跟随电机做无差跟随旋转，下部通电螺线管线圈产生磁场与电涡流板相互作用。

如图2所示，电磁线圈骨架是电磁铁芯与电磁线圈的固定装置，骨架上部与电机转轴连接，下部是三个均匀分布的翼架，每个相差120度。用以固定电磁铁芯以及电磁线圈。

电磁铁芯由硅钢片组装而成，高度为45mm，直径为10mm。硅钢片高度为45mm，宽度各异，组装为一个柱体，该设计可有效降低电磁铁芯内部的无效涡流，降低热损失，并且可以有效的降低起消旋装置脱离时对仿真试验台的影响。

通电螺线管线圈绕制在电磁铁芯表面，通以直流电产生磁场。线圈由漆包线绕制而成，匝数为40，采用直径为1mm的漆包线。

电涡流板是铝制金属板，其直径为150mm,厚度为1mm，是起消旋装置的执行机构之一。位于其上方运动的磁场可在电涡流内部产生电流环，并在磁场环境下产生安培力，带动浮台旋转。

支撑杆是电涡流板与浮台之间的联接件，电涡流板与浮台上端均与其刚性连接，实现两者之间的无差转动。

线圈供电模块主要为旋转的电磁线圈提供直流电流。主要包含阳极盘、阳极电刷、阴极盘以及阴极电刷。该设计可以提高外部直流电源对电磁线圈供电的可靠性。通过改变线圈中电流的大小改变磁场强度，进而控制电磁线圈与电涡流板之间的相互作用力。

阳极盘通过穿舱线连接至舱外的直流电源阳极，并固定于悬挂杆合适位置。阳极盘直径为150mm，厚度为5mm，材料为金属铜板。

阳极电刷上部的碳刷与阳极盘接触取电，下部固定于电磁线圈骨架的翼架外端。三个电磁线圈的阳极端与阳极电刷连接。整个阳极电刷跟随电磁线圈旋转，并保证导电的可靠性。

阴极盘通过穿舱线连接至舱外的直流电源阴极，并固定于悬挂杆合适位置。阴极盘直径为110mm，厚度为5mm，材料为金属铜板。

阴极电刷上部的碳刷与阴极盘接触取电，下部固定于另外一个电磁线圈骨架的翼架外端。三个电磁线圈的阴极端与阴极电刷连接。整个阴极电刷跟随电磁线圈旋转，并保证导电的可靠性。

工作前，先通过起浮机构使得磁悬浮试验台稳定悬浮，由于起浮过程需要抬起仿真试验台进行超导块的磁化过程，因此电磁铁芯下端与电涡流板上表面之间应该保证足够的气隙宽度，不影响磁悬浮试验台的起浮过程。同时，气隙宽度也不应过大，否则会大大降低起消旋执行机构间电磁作用力。

工作时，首先根据工作任务设定真空舱外部的直流电机调节器的参数，包括电机的转速，转向等，确保浮台平稳悬浮以后启动电机，可以观察到此时三个电磁线圈跟随电机转轴做无差转动。由于此时线圈并未通电，没有磁场，没有与电涡流板之间的相互作用力，因此浮台并未转动。当电机达到设定转速后，控制真空舱外直流电源，逐渐从0开始增加输入到螺线管线圈中的直流电流。当电流达到一定大小的时候，浮台会跟随电磁线圈转动。控制电流大小，使得浮台工作在设定转动频率，实现起旋。此时，应该立即关断输入螺线管线圈中的直流电流，使得电涡流板上方的磁场置零，确保起旋机构的退出，不影响仿真试验台的工作过程。

第一阶段的实验任务完成后，需要对浮台消旋，便于开启下一阶段的实验任务。首先应该通过外部直流电机调节器调整直流电机的转向，与浮台转向相反。调整电机转速至某一特定值，此时开启直流电源输入，产生磁场，与电涡流板之间的相互作用力实现对浮台的制动，即消旋。注意起消旋过程均需要先开启旋转直流电机，否则会增大电机的启动转矩，不利于直流电机的启动。