CN112865481A - 一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，解决了现有技术中作动器自由度少的问题，具有三自由度，能有效保证作动力的有益效果，具体方案如下：一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，包括定子基座，定子基座的一端敞口设置，定子基座内侧设置内支撑件，定子基座内支撑件环向设置外壁，内支撑件和外壁之间设置第一空间；悬浮体，悬浮体包括多组充磁永磁体，多组充磁永磁体依次连接，且多组充磁永磁体设于定子基座第一空间内，每一组充磁永磁体均包括沿着定子基座轴向设置的轴向充磁永磁体和沿着定子基座径向设置的多个径向充磁永磁体，径向充磁永磁体与轴向充磁永磁体连接，且相邻两径向充磁永磁体之间设置纯铁。
Description
技术领域
本发明涉及微振动隔振领域，尤其是一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
航天器在运行过程中，星上设备工作时会产生一种振幅为毫米级、微米级甚至纳米级，频率为0.01Hz～150Hz的微振动的微振动，如动量轮工作、卫星姿态调整、太阳翼转动等引起的颤振响应，这些微振动的存在导致某些精密仪器无法正常工作、影响高分辨率对地观测精度以及科学实验的结果。此外，在机械加工行业，随着微纳米技术的发展，产品的加工精度逐渐从微米级、亚微米级到纳米级、甚至亚纳米级，突破了传统加工的界限，超精密加工、光学仪器、微电子机械***和超声电机等相关领域的研究不断提升。但是环境中的微振动成为制约微纳米技术进一步发展的瓶颈。传统应用的主动隔振方法对于隔离宏观振动具有较好的效果，但是无法隔离幅值为毫米级、频率为0.01～10Hz以及频率低于0.01Hz的振动。磁悬浮隔振技术以其非接触式、宽频带、大位移等特点，在隔离空间微幅振动应用中取得了良好的效果。但是现有的磁悬浮作动器自由度数较少，为了隔离空间六自由度的微振动，需要6-8个作动器共同控制才能达到目的。此外，当前的磁悬浮作动器控制行程和承载力都较小，难以满足低频环境下大承载力的应用需求。
专利CN106953551A“磁悬浮重力补偿器”，解决当前空气弹簧重力补偿器应用于真空环境时装置结构复杂的问题，利用磁悬浮技术研制了结构简单、力波动小、力密度高、损耗低等优点的磁悬浮重力补偿器。但是该重力补偿器仅具有1个自由度，通常用于运动质量的补偿，作为悬浮支撑部分的辅助支撑，不能替代磁悬浮作动器在低频微振动隔振控制中的作用。另外，长时间工作后由于线圈绕组通电引入发热问题。
专利CN106917844A“大推力主动隔振装置”提出了一种基于海尔贝克永磁阵列的大推力主动隔振装置，采用直线电机原理，使处于强磁场中的通电线圈产生较大的推力，与重力抵消，达到减振的目的。虽然该装置较同等体积的设计具有更大的输出力，但是该装置本身体积较大，并且仅能实现单自由度隔振。另外由于其采用主被动混合隔振，并未充分利用磁悬浮技术非接触式的特点，非线性较强。
专利CN107740842A“磁悬浮低频减振器”针对由于机械***惯量不匹配而带来的低频共振问题，设计了一种实现重载下对微波振动的隔离和控制、提升承载机械结构低频抗振性能的磁悬浮低频减振器，解决了传统橡胶传感器对低频控制效果差的缺陷，自适应调节励磁线圈电流值，实现隔振器阻尼调控。但是该减振器为适应不同方向的隔振控制，需要利用对称性转换安装方式，实际应用时，仍然具有局限性，无法实现多自由度同时控制。
专利CN103453062A“零刚度磁悬浮主动隔振器及其构成的六自由度隔振***”提出了一种由永磁被动隔振单元、主动隔振单元和安全限位组件都成的零刚度磁悬浮作动器。该隔振器可以施加水平和垂直方向的控制力，在水平方向具有零刚度，在垂直方向具有准零刚度，此外可承受一定的负载。采用六个该隔振器共同作用才可以隔离六自由度低频振动。但是该隔振器结构复杂，采用的磁体数量多，质量大，有效载荷承载能力相对较小。
此外，国内外有学者提出了具有2个自由度的磁悬浮作动器(1.Rongqiang L,FeiY,Xingke M,et al.Research on the 2-degree-of-freedom electromagnetic actuatorin space[J].Advances in Mechanical Engineering,2018,10(1):168781401775026.2.Ravaud R,Lemarquand G,Lemarquand V,et al.Analyticalcalculation of the magnetic field created by permanent-magnet rings[J].IEEETransactions on Magnetics,2008,44(8):1982-1989.)，但在实现空间多自由度隔振时仍然需要3个及以上的作动器共同作用，并且作动器的数量越多，控制力之间的耦合作用越复杂，控制精度越低，这对于空间任务的执行有较大的影响。
因此，现有技术中磁悬浮作动器只能实现2个自由度的运动，无法具有更多的自由度，存在控制精度较低的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，有效解决当前磁悬浮作动器自由度少、磁感应强度不足等缺点，可用于地面1g重力场中的微振动隔振，满足极低频带范围内的微振动隔振控制需求以及小体积、高集成的磁悬浮隔振***结构要求。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，包括：
定子基座，定子基座的一端敞口设置，定子基座内侧设置内支撑件，定子基座内支撑件环向设置外壁，内支撑件和外壁之间设置第一空间；
悬浮体，悬浮体包括多组充磁永磁体，多组充磁永磁体依次连接，且多组充磁永磁体设于定子基座第一空间内，每一组充磁永磁体均包括沿着定子基座轴向设置的轴向充磁永磁体和沿着定子基座径向设置的多个径向充磁永磁体，径向充磁永磁体与轴向充磁永磁体连接，且相邻两径向充磁永磁体之间设置纯铁，最后一组充磁永磁体的一侧设置轴向充磁永磁体；
其中，每一组充磁永磁体的环向内侧、外侧均通过定子基座设置竖直方向驱动线圈，每一组充磁永磁体环向内侧通过定子基座内支撑件设置水平方向驱动线圈。
如上所述的一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，所述竖直方向驱动线圈位于所述径向充磁永磁体的环向，竖直方向驱动线圈的设置高度与径向充磁永磁体的宽度是相同的。
如上所述的一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，所述水平方向驱动线圈位于所述轴向充磁永磁体的内侧，水平驱动线圈的设置高度与轴向充磁永磁体的宽度是相同的。
如上所述的一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，所述定子基座外壁设置卡槽用于安装部分所述的竖直方向驱动线圈，另一部分竖直方向驱动线圈通过定子基座内支撑件安装。
如上所述的一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，所述悬浮体包括三组充磁永磁体，第一组充磁永磁体同浮子平台连接，最后一组充磁永磁体在径向充磁永磁体的侧部固连轴向充磁永磁体，形成Halbach(海尔贝克)阵列。
如上所述的一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，所述竖直方向驱动线圈与水平方向驱动线圈交错设置，从定子基座的一端至另一端，共设置4组水平方向驱动线圈和3组竖直水平方向驱动线圈；
水平方向驱动线圈和竖直水平方向驱动线圈依次交替设置，这样配合Halbach(海尔贝克)阵列，可以形成8个磁回路，每个磁回路中都设计有线圈，充磁永磁体的性能可以得到充分的利用，给各线圈通电后，线圈切割磁感应产生洛伦兹力的作用，通过改变通电电流的大小和方向，可以改变作动器输出力的大小和方向。
如上所述的一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，所述竖直方向驱动线圈为环形，所述水平方向驱动线圈包括两组半环形线圈。
如上所述的一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，从定子基座的一端至另一端，位于中部的水平方向驱动线圈中两半环形线圈设置方向与外侧水平方向驱动线圈设置方向垂直。
如上所述的一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，相邻两轴向充磁永磁体的充磁方向相反，充磁强度相同。
如上所述的一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，每一组所述充磁永磁体中相邻两径向充磁永磁体的充磁方向相反，充磁强度相同。
上述本发明的有益效果如下：
1)本发明磁悬浮作动器的设置，采用依次交替的磁路排列，使得磁体组件可以形成多个磁场回路，充磁永磁体的性能得到充分利用，并通过Halbach阵列得到进一步增强。
2)本发明三自由度磁悬浮作动器利用有限的体积和空间可以产生分别沿着x、y、z三个方向的作用力，与同体积和质量的作动器相比，力的维度高，作动力大；可以将三个作动器的安装布局空间压缩，利用一个作动器实现三个作动器的功能。
3)本发明三自由度磁悬浮作动器的磁场是恒定的，线圈是独立的，各自由度之间互不干扰，作动力是互相解耦的，每个自由度可以单独控制。
4)本发明三自由度磁悬浮作动器可以单独应用于要求具有三自由度的隔振控制场合，也可以应用于要求三自由度的精密定位场合。
5)本发明三自由度磁悬浮作动器在应用于要求六自由度隔振控制场合时，仅仅需要2个作动器即可实现功能，而当前普遍应用的单自由度作动器，需要八个作动器才能实现六自由度隔振控制功能。
6)本发明三自由度磁悬浮作动器具有参数灵活的特点，其三个自由度的设计参数可根据实际需要灵活调整。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器原理示意图。
图2为本发明一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器中悬浮体分解示意图。
图3为本发明一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器中悬浮体装配示意图。
图4为本发明一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器悬浮体磁场仿真示意图一。
图5为本发明一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器悬浮体磁场仿真示意图二。
图6为本发明一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器中定子基座各驱动线圈结构分解示意图。
图7为本发明一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器中定子基座装配示意图。
图8为本发明一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器中定子基座纵向剖面示意图。
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。
其中：1-浮子平台，2-第一轴向充磁永磁体，3-第一径向充磁永磁体，4-第一纯铁，5-第二径向充磁永磁体，6-第二轴向充磁永磁体，7-第三径向充磁永磁体，8-第二纯铁，9-第四径向充磁永磁体，10-第三轴向充磁永磁体，11-第五径向充磁永磁体，12-第三纯铁，13-第六径向充磁永磁体，14-第四轴向充磁永磁体，15-定子基座，16-第一水平方向驱动线圈，17-第一竖直方向驱动线圈，18-第二竖直方向驱动线圈，19-第二水平方向驱动线圈，20-第三竖直方向驱动线圈，21-第四竖直方向驱动线圈，22-第三水平方向驱动线圈，23-第五竖直方向驱动线圈，24-第六竖直方向驱动线圈，25-第四水平方向驱动线圈，26-内支撑件，27-外壁。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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发明的限制。
术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在作动器自由度少的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器。
本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，包括：
定子基座，定子基座的一端敞口设置，定子基座内侧设置内支撑件，定子基座内支撑件环向设置外壁，内支撑件和外壁之间设置第一空间；
悬浮体，悬浮体包括多组充磁永磁体，多组充磁永磁体依次连接，且多组充磁永磁体设于定子基座第一空间内，每一组充磁永磁体均包括沿着定子基座轴向设置的轴向充磁永磁体和沿着定子基座径向设置的多个径向充磁永磁体，径向充磁永磁体与轴向充磁永磁体连接，且相邻两径向充磁永磁体之间设置纯铁，最后一组充磁永磁体的一侧设置轴向充磁永磁体；
其中，每一组充磁永磁体的环向内侧、外侧均通过定子基座设置竖直方向驱动线圈，每一组充磁永磁体环向内侧通过定子基座内支撑件设置水平方向驱动线圈。
进一步地，轴向充磁永磁体和径向充磁永磁体均为圆环形充磁永磁体，采用型号为N50的钕铁硼充磁永磁体，其剩磁1.45T，矫顽力907000A/m。
轴向充磁永磁体和径向充磁永磁体与纯铁之间，充磁永磁体与浮动平台通过高性能金属胶粘到一起，而且第一轴向充磁永磁体与浮子平台1直接连接。
竖直方向驱动线圈位于径向充磁永磁体的环向，竖直方向驱动线圈的设置高度与径向充磁永磁体的宽度是相同的；水平方向驱动线圈位于轴向充磁永磁体的内侧，水平驱动线圈的设置高度与轴向充磁永磁体的宽度是相同的。
悬浮体包括三组充磁永磁体，第一组充磁永磁体同浮子平台连接，最后一组充磁永磁体在径向充磁永磁体的侧部固连轴向充磁永磁体，形成Halbach(海尔贝克)阵列。
进一步地，竖直方向驱动线圈与水平方向驱动线圈交错设置，从定子基座的一端至另一端，共设置4组水平方向驱动线圈和3组竖直水平方向驱动线圈；
水平方向驱动线圈和竖直水平方向驱动线圈依次交替设置，这样配合Halbach(海尔贝克)阵列，可以形成8个磁回路。
具体地，第一纯铁4固定在第一径向充磁永磁体3和第二径向充磁永磁体5中间，第二纯铁8固定在第三径向充磁永磁体7和第四径向充磁永磁体9中间，第三纯铁12固定在第五径向充磁永磁体11和第六径向充磁永磁体13中间。
参考图2和图3所示，第二轴向充磁永磁体6、第三轴向充磁永磁体10、第四轴向充磁永磁体14分别与各自相邻的径向充磁永磁体组合依次固连在一起。由图4和图5可知，通过多组充磁永磁体的设置，可以形成8个磁回路，每个磁回路中都设计有线圈，充磁永磁体的性能可以得到充分的利用，给线圈通电后，线圈切割磁感应产生洛伦兹力的作用，通过改变通电电流的大小和方向，可以改变作动器输出力的大小和方向。
在本实施例中，第一轴向充磁永磁体2，第二轴向充磁永磁体6，第三轴向充磁永磁体10，第四轴向充磁永磁体14的尺寸参数相同，充磁强度也相同。各轴向充磁永磁体内径为100mm，外径为130mm，高度20mm。
其中第二轴向充磁永磁体6和第三轴向充磁永磁体10充磁方向为竖直向下。第一轴向充磁永磁体2和第四轴向充磁永磁体14充磁方向为竖直向上。
第一径向充磁永磁体3、第三径向充磁永磁体7、第五径向充磁永磁体11的尺寸参数相同，内径为100mm，外径为110mm，高度20mm，充磁强度也相同。
第二径向充磁永磁体5、第四径向充磁永磁体9、第六径向充磁永磁体13的尺寸参数相同，内径为120mm，外径为130mm，高度20mm，充磁强度也相同。
其中，第一径向充磁永磁体3、第四径向充磁永磁体9、第五径向充磁永磁体11的充磁方向为水平向左，第二径向充磁永磁体5、第三径向充磁永磁体7、第六径向充磁永磁体13的充磁方向为水平向右。
进一步，第一纯铁4、第二纯铁8、第三纯铁12的尺寸参数相同，选用DT4，内径为110mm，外径为120mm，高度20mm。
在本实施例中，参考图6和图7所示，根据磁场分布，考虑驱动方向要求，设置第一水平方向驱动线圈16、第二水平方向驱动线圈19、第三水平方向驱动线圈22、第四水平方向驱动线圈25为半圆环形线圈。第一竖直方向驱动线圈17、第二竖直方向驱动线圈18、第三竖直方向驱动线圈20、第四竖直方向驱动线圈21、第五竖直方向驱动线圈23、第六竖直方向驱动线圈为圆环形线圈24。
定子基座采用铝合金材料线切割而成，水平方向驱动线圈和竖直方向驱动线圈缠绕在定子基座(参考图8所示)的内支撑件和外壁，定子基座设置底座，内支撑件和外壁从定子基座底座延伸向上设置，外壁基本呈环形，从内支撑件的一端至另一端，依次设置第一水平方向驱动线圈16、第一竖直方向驱动线圈17、第二水平方向驱动线圈19、第三竖直方向驱动线圈20、第三水平方向驱动线圈22、第五竖直方向驱动线圈23和第四水平方向驱动线圈25，内支撑件相邻两驱动线圈的设置高度是相同的；故内支撑件具有设定的高度，内支撑件的结构与缠绕于其的各驱动线圈结构形式相匹配。
另外，定子基座的外壁设置三处卡槽，各卡槽分别用于缠绕第二竖直方向驱动线圈18、第四竖直方向驱动线圈21和第六竖直方向驱动线圈24，这三个驱动线圈的设置直径相同，且大于第五竖直方向驱动线圈23的设置直径；第一竖直方向驱动线圈17、第三竖直方向驱动线圈20、第五竖直方向驱动线圈23这三个驱动线圈的设置直径是相同的。
在本实施例中，悬浮***于定子基座第一空间中，作动器的控制行程为±2.5mm。
需要注意的是，采用2个三自由度磁悬浮作动器间隔设定距离设置，可斜对角安装，两个磁悬浮作动器的定子基座均固定于下平面，浮子平台均固定于上平面，即可实现空间六自由度的微振动隔振。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，其特征在于，包括：
定子基座，定子基座的一端敞口设置，定子基座内侧设置内支撑件，定子基座内支撑件环向设置外壁，内支撑件和外壁之间设置第一空间；
悬浮体，悬浮体包括多组充磁永磁体，多组充磁永磁体依次连接，且多组充磁永磁体设于定子基座第一空间内，每一组充磁永磁体均包括沿着定子基座轴向设置的轴向充磁永磁体和沿着定子基座径向设置的多个径向充磁永磁体，径向充磁永磁体与轴向充磁永磁体连接，且相邻两径向充磁永磁体之间设置纯铁，最后一组充磁永磁体的一侧设置轴向充磁永磁体；
其中，每一组充磁永磁体的环向内侧、外侧均通过定子基座设置竖直方向驱动线圈，每一组充磁永磁体环向内侧通过定子基座内支撑件设置水平方向驱动线圈。
2.根据权利要求1所述的一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，其特征在于，所述竖直方向驱动线圈位于所述径向充磁永磁体的环向。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，其特征在于，所述水平方向驱动线圈位于所述轴向充磁永磁体的内侧。
4.根据权利要求1或2所述的一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，其特征在于，所述定子基座外壁设置卡槽用于安装部分所述的竖直方向驱动线圈。
5.根据权利要求1或2所述的一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，其特征在于，所述悬浮体包括三组充磁永磁体，第一组充磁永磁体同浮子平台连接，最后一组充磁永磁体在径向充磁永磁体的侧部固连轴向充磁永磁体。
6.根据权利要求5所述的一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，其特征在于，所述竖直方向驱动线圈与水平方向驱动线圈交错设置，从定子基座的一端至另一端，共设置4组水平方向驱动线圈和3组竖直水平方向驱动线圈；
水平方向驱动线圈和竖直水平方向驱动线圈依次交替设置。
7.根据权利要求1所述的一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，其特征在于，所述竖直方向驱动线圈为环形，所述水平方向驱动线圈包括两组半环形线圈。
8.根据权利要求1所述的一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，其特征在于，从定子基座的一端至另一端，位于中部的水平方向驱动线圈中两半环形线圈设置方向与外侧水平方向驱动线圈设置方向垂直。
9.根据权利要求1所述的一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，其特征在于，相邻两轴向充磁永磁体的充磁方向相反，充磁强度相同。
10.根据权利要求1所述的一种具有三自由度隔振功能的磁悬浮作动器，其特征在于，每一组所述充磁永磁体中相邻两径向充磁永磁体的充磁方向相反，充磁强度相同。
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