CN1330955C - 单轴磁悬浮转台 - Google Patents

Abstract

单轴磁悬浮转台由力矩电机、下保护轴承、下径向/轴向一体化位移传感器、下径向磁悬浮轴承、下底座、下轴向磁悬浮轴承、芯轴、上轴向磁悬浮轴承、上径向磁悬浮轴承、上径向/轴向一体化位移传感器、上底座、上保护轴承、角位置编码器和工作台组成，力矩电机的转子部分、下径向磁悬浮轴承的转子部分、下轴向磁悬浮轴承的转子部分、芯轴、上轴向磁悬浮轴承的转子部分、上径向磁悬浮轴承的转子部分、角位置编码器的转动部分和工作台为转动部分，其余为静止部分，定子和转子之间通过径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承实现非机械接触的稳定悬浮。本发明显著降低了摩擦力矩、提高了控制精度和***的安全性、减小了整个转台***的体积、重量和噪声。

Description

单轴磁悬浮转台

技术领域

本发明涉及单轴磁悬浮转台，可用来进行航天器动力学仿真和航天器执行机构等元件性能的高精度测试，还可以进行惯导***的标定以及建立相应的误差模型。

背景技术

航天器动力学仿真转台和航天器执行机构测试转台(以下统称为转台)都是一种高精度设备，要求摩擦力矩小，测试精度高。它的模拟和测试精度直接影响航天器执行机构对航天器姿态的控制精度和稳定度。目前，转台一般为采用空气静压轴承和机械轴承支承，由于空气静压轴承在结构设计上非常复杂，加工制造精度要求非常高，且需要一套气源装置(包括空气压缩机、储气筒、干燥机、过滤器等)，这就导致空气静压轴承需要专业人员来维护，而且由于有高压气体，所以存在安全隐患，振动噪声大、占用空间大，维护费用高，运输难度大等缺点；而对于机械轴承支承的转台，存在机械摩擦力矩大，非线性严重，控制***导致复杂，控制精度低等缺点。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，将磁悬浮技术应用于转台***中，提供一种单轴磁悬浮转台，可用来进行航天器动力学仿真和航天器执行机构等元件性能的高精度测试，还可以进行惯导***的标定以及建立相应的误差模型，该测试设备具有无机械接触、低摩擦力矩、安全、精度高等优点。

本发明的技术解决方案为一种单轴磁悬浮转台，其特征在于：主要由力矩电机、下保护轴承、下径向/轴向一体化位移传感器、下径向磁悬浮轴承、下底座、下轴向磁悬浮轴承、芯轴、上轴向磁悬浮轴承、上径向磁悬浮轴承、上径向/轴向一体化位移传感器、上底座、上保护轴承、角位置编码器和工作台组成，其中力矩电机的转子部分、下径向磁悬浮轴承的转子部分、下轴向磁悬浮轴承的转子部分、芯轴、上轴向磁悬浮轴承的转子部分、上径向磁悬浮轴承的转子部分、角位置编码器的转动部分和工作台为转台的转动部分，其余为转台的静止部分，定子和转子之间通过径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承实现非机械接触稳定悬浮；上轴向磁悬浮轴承和下轴向磁悬浮轴承位于单轴磁悬浮转台的中部，其静止部分分别与上底座和下底座连接在一起，向外依次为上径向磁悬浮轴承和下径向磁悬浮轴承、上径向/轴向一体化位移传感器和下径向/轴向一体化位移传感器、上保护轴承和下保护轴承、工作台和力矩电机，在工作台的下面安装有角位置编码器；上径向磁悬浮轴承和下径向磁悬浮轴承的静止部分分别与上底座和下底座连接在一起，其转子部分与芯轴连接在一起。

上述方案的原理是：单轴磁悬浮转台通过上径向磁悬浮轴承和下径向磁悬浮轴承保持转台***的转动部分与静止部分的径向间隙及力矩电机定、转子径向间隙均匀，通过上轴向磁悬浮轴承和下轴向磁悬浮轴承保持转台***的转动部分与转台***的静止部分轴向对齐，同时保持力矩电机的定、转子轴向对齐。当转台***的转动部分受到某一因素的干扰后，使转台***转动部分的径向或轴向间隙发生变化时，上径向/轴向一体化位移传感器和下径向/轴向一体化位移传感器将及时检测出径向或轴向间隙的变化，发出检测信号给外加控制器，外加控制器通过增加或减小上径向磁悬浮轴承和下径向磁悬浮轴承，或上轴向磁悬浮轴承和下轴向磁悬浮轴承的电磁线圈中的电流，增大或减小上径向磁悬浮轴承和下径向磁悬浮轴承，或上轴向磁悬浮轴承和下轴向磁悬浮轴承的磁力，从而保持转台***的静止部分与转动部分的径向和轴向间隙均匀，消除干扰的影响，维持转台***的正常稳定运转。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明由于采用了磁悬浮轴承技术，即消除了机械轴承的摩擦力矩，提高了控制精度，又减小了转台***的体积、振动噪声，提高了***的可靠性、安全性和可维护性。

附图说明

图1为本发明所述的单轴磁悬浮转台结构示意图；

图2为本发明所述的永磁偏置主动式外磁钢径向磁轴承的剖面图；

图3为本发明所述的永磁偏置主动式内磁钢径向磁轴承的剖面图；

图4为本发明所述的径向电磁轴承的剖面图；

图5为本发明所述的轴向电磁轴承的剖面图；

图6为本发明所述的永磁偏置主动式外磁钢轴向磁轴承的剖面图；

图7为本发明所述的永磁偏置主动式内磁钢轴向磁轴承的剖面图；

图8为本发明所述的径向/轴向一体化位移传感器的剖面图；

图9为本发明所述的力矩电机轴向剖面图；

图10为本发明所述的保护轴承配置方案轴向剖面图。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要由力矩电机1、下保护轴承2、下径向/轴向一体化位移传感器3、下径向磁悬浮轴承4、下底座5、下轴向磁悬浮轴承6、芯轴7、上轴向磁悬浮轴承8、上径向磁悬浮轴承9、上径向/轴向一体化位移传感器10、上底座11、上保护轴承12、角位置编码器13和工作台14组成。其中力矩电机1的转子部分、下径向磁悬浮轴承4的转子部分、下轴向磁悬浮轴承6的转子部分、芯轴7、上轴向磁悬浮轴承8的转子部分、上径向磁悬浮轴承9的转子部分、角位置编码器13的转动部分和工作台14为转动部分，其余为静止部分，定子和转子之间通过径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承实现非机械接触稳定悬浮；上轴向磁悬浮轴承8和下轴向磁悬浮轴承6位于单轴磁悬浮转台的中部，其静止部分分别与上底座11和下底座5连接在一起，向外依次为上径向磁悬浮轴承9和下径向磁悬浮轴承4，其静止部分分别与上底座11和下底座5连接在一起，其转动部分与芯轴7连接在一起；上保护轴承12和下保护轴承2分别位于芯轴7的端部，在上保护轴承12和上径向磁悬浮轴承9之间为上径向/轴向一体化位移传感器10，在下保护轴承2和下径向磁悬浮轴承4之间为下径向/轴向一体化位移传感器3，力矩电机1处于转台***的最下端，工作台14处于转台***的最上端，在工作台的下面安装有角位置编码器13，根据需要可以在单轴磁悬浮转台的下端安装导电环进行信号和能量的传输。

在图1所述的角位置编码器13可以是光电编码器，也可以是旋转变压器。

本发明的上径向磁悬浮轴承9和下径向磁悬浮轴承4为非机械接触轴承，可以是磁力相等的对称结构，也可是磁力不等的非对称结构。可以是永磁偏置的、电磁控制的主动式磁悬浮轴承，如图2所示的永磁偏置主动式外磁钢径向磁轴承、图3所示的永磁偏置主动式内磁钢径向磁轴承；也可以是纯电励磁的磁悬浮轴承，如图4所示的主动式径向电磁轴承，还可以是只有永磁的被动式磁悬浮轴承。

在图2所述的永磁偏置主动式外磁钢径向磁轴承中，它主要由定子铁心41、外导磁环42、隔磁环43、激磁线圈44、永磁体45、转子铁心46、内导磁环47和磁气隙48组成，其中转子铁心46和内导磁环47为转动部分，其余为静止部分。

在图3所述的永磁偏置主动式内磁钢径向磁轴承中，它主要由定子铁心41′、外导磁环42′、隔磁环43′、激磁线圈44′、转子铁心45′、内导磁环46′、永磁体47′和磁气隙48′组成。其中转子铁心45′、内导磁环46′和永磁体47′为转动部分，其余为静止部分。

在图4所述的径向电磁轴承中，它主要由定子铁心41″、激磁线圈42″、磁气隙44′和转子铁心43″组成，其中转子铁心43″为转动部分，其余为静止部分。

本发明的上轴向磁悬浮轴承8和下轴向磁悬浮轴承6均为非机械接触轴承，可以是纯电励磁的磁轴承，如图5所示的轴向电磁轴承；也可以是永磁偏置电磁控制的轴向磁轴承，如图6所示的永磁偏置主动式外磁钢轴向磁轴承、图7所示的永磁偏置主动式内磁钢轴向磁轴承；还可以是被动式磁悬浮轴承。

在图5所述的轴向电磁轴承中，它主要由激磁线圈83、轴承体84、磁气隙82和转子体81组成，其中转子体81为转动部分，其余为静止部分。

在图6所述的永磁偏置主动式外磁钢轴向轴承中，它主要由导磁环86′、磁气隙82′、永磁体85′、激磁线圈83′、轴承体84′和转子体81′组成，其中转子体81′为转动部分，其余为静止部分。

在图7所述的永磁偏置主动式内磁钢轴向轴承中，它主要由导磁环86″、磁气隙82″、永磁体85″、激磁线圈83″、轴承体84″和转子体81″组成，其中转子体81″为转动部分，其余为静止部分。

本发明的上径向/轴向一体化位移传感器10和下径向/轴向一体化位移传感器3为一种非接触式位移传感器，作为上径向磁悬浮轴承9、下径向磁悬浮轴承4、上轴向磁悬浮轴承8和下轴向磁悬浮轴承6的位移传感器，可以是图8所示的电涡流传感器，也可以是电容式位移传感器。

在图8所述的径向/轴向一体化位移传感器中，它主要由两个轴向位移传感器探头35、36和四个径向位移传感器探头31、32、33、34组成，其中的4个径向探头31～34分别探测相互垂直的X和Y方向位移信号，另外两个轴向探头35和36探测Z方向位移信号，通过数学运算消除轴向探测信号误差，这6个通道的前置放大器和探头集成一体，能够探测正交垂直的三个方向的位移信号，及时检测出径向或轴向间隙的变化，发出检测信号给外加控制器。

本发明的力矩电机1为单轴磁悬浮转台的驱动部分，可以是图9所示的永磁无刷直流力矩电机，也可以是永磁同步力矩电机。

在图9所述的力矩电机中，它主要由定子铁心87、定子线圈89、永磁体91、转子铁心93和磁气隙95组成，其中定子铁心87和定子线圈89为静止部分，其余为转动部分。

本发明的上保护轴承12和下保护轴承2是上径向磁悬浮轴承9、下径向磁悬浮轴承4、上轴向磁悬浮轴承8、下轴向磁悬浮轴承6和力矩电机1的保护装置，在上径向磁悬浮轴承9、下径向磁悬浮轴承4、上轴向磁悬浮轴承8和下轴向磁悬浮轴承6的调试过程中起保护作用，可以是图10所示的成对使用的角接触球轴承配置方案，也可以是成对使用的深沟球轴承配置方案，也可以是两种配置方案的组合。

在图10所述的保护轴承配置方案轴向剖面图中，它主要由锁紧螺母21、轴承座22、上机械轴承23、下机械轴承24、内调整垫圈25和外调整垫圈26组成。

Claims (5)

1、单轴磁悬浮转台，其特征在于：主要由力矩电机(1)、下保护轴承(2)、下径向/轴向一体化位移传感器(3)、下径向磁悬浮轴承(4)、下底座(5)、下轴向磁悬浮轴承(6)、芯轴(7)、上轴向磁悬浮轴承(8)、上径向磁悬浮轴承(9)、上径向/轴向一体化位移传感器(10)、上底座(11)、上保护轴承(12)、角位置编码器(13)和工作台(14)组成，其中力矩电机(1)的转子部分、下径向磁悬浮轴承(4)的转子部分、下轴向磁悬浮轴承(6)的转子部分、芯轴(7)、上轴向磁悬浮轴承(8)的转子部分、上径向磁悬浮轴承(9)的转子部分、角位置编码器(13)的转动部分和工作台(14)为转台的转动部分，其余为转台的静止部分，定子和转子之间通过径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承实现非机械接触稳定悬浮；上轴向磁悬浮轴承(8)和下轴向磁悬浮轴承(6)位于单轴磁悬浮转台的中部，其静止部分分别与上底座(11)和下底座(5)连接在一起，向外依次为上径向磁悬浮轴承(9)和下径向磁悬浮轴承(4)、上径向/轴向一体化位移传感器(10)和下径向/轴向一体化位移传感器(3)、上保护轴承(12)和下保护轴承(2)、工作台(14)和力矩电机(1)，在工作台的下面安装有角位置编码器(13)；上径向磁悬浮轴承(9)和下径向磁悬浮轴承(4)的静止部分分别与上底座(11)和下底座(5)连接在一起，其转子部分与芯轴(7)连接在一起。

2、根据权利要求1所述的单轴磁悬浮转台，其特征在于：所述的上径向磁悬浮轴承(9)、上轴向磁悬浮轴承(8)、下径向磁悬浮轴承(4)和下轴向磁悬浮轴承(6)均为非机械接触的磁悬浮轴承，可以是纯电励磁的磁悬浮轴承，或永磁偏置控制的主动磁悬浮轴承、或电磁控制的主动式磁悬浮轴承，或永磁的被动式磁悬浮轴承。

3、根据权利要求1所述的单轴磁悬浮转台，其特征在于：所述的上轴向磁悬浮轴承(8)和下轴向磁悬浮轴承(6)是磁力相等的对称结构，或磁力不相等的非对称结构。

4、根据权利要求1或3所述的单轴磁悬浮转台，其特征在于：所述的的力矩电机(1)为无刷直流力矩电机，或永磁同步力矩电机。

5、根据权利要求1所述的单轴磁悬浮转台，其特征在于：所述的角位置编码器(13)为光电编码器，或旋转变压器。

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