大承載低擾動(dòng)六自由度磁卸載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

王舒雁 吳 芊 楊 磊 崔曉海

1.北京控制工程研究所,北京 100194 2.精密轉(zhuǎn)動(dòng)與傳動(dòng)長(zhǎng)壽命技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100194 3.中南大學(xué),長(zhǎng)沙410083

0 引言

空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)具有振動(dòng)隔離、高指向精度、高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn),可有效提升旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上載荷的精度?？臻g磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)固定于衛(wèi)星平臺(tái)艙,為載荷艙提供精密支承并驅(qū)動(dòng)載荷艙旋轉(zhuǎn),對(duì)轉(zhuǎn)軸位置和姿態(tài)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制。其復(fù)雜的控制方法和控制效果必須借助實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整和驗(yàn)證。其中,用于將磁懸浮旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行地面重力卸載的裝置,對(duì)實(shí)現(xiàn)控制方法的精準(zhǔn)優(yōu)化及整個(gè)系統(tǒng)的高精度性能驗(yàn)證至關(guān)重要。

為了消除重力影響,地面重力卸載裝置被應(yīng)用于航天機(jī)構(gòu)的地面測(cè)試。地面重力卸載的主要方法有水浮法、懸吊法、氣浮法、磁懸浮等[1-8]。

水浮法因需要被浮件浸入液體中,航天器產(chǎn)品中表面和內(nèi)部的電子裝備對(duì)水類(lèi)等液體較為敏感,容易引起零件腐蝕和系統(tǒng)失效,水浮法不能滿(mǎn)足產(chǎn)品安全可靠的試驗(yàn)要求。懸吊法是采用導(dǎo)軌等對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行吊掛重力補(bǔ)償,適用于中小型機(jī)構(gòu)的二維平面展開(kāi),且吊裝體的硬性連接和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦力,均會(huì)引入較大的附加干擾,無(wú)法滿(mǎn)足空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的地面試驗(yàn)要求。氣浮法有氣球懸吊法和氣浮支承法。氣球懸吊法是用充氦氣的氣球吊掛產(chǎn)品,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)。但由于氣球體積大,運(yùn)動(dòng)速度慢,不適用于大質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)頻率較快的產(chǎn)品;氣浮支承式主要通過(guò)氣浮的方法在光滑的平臺(tái)上將目標(biāo)物托起來(lái),通過(guò)抵消托舉力與重力實(shí)現(xiàn)重力卸載。其利用氣體壓力,由氣膜浮起物體,使物體可以在一定的空間自由移動(dòng)。氣浮支撐式卸載不僅因?yàn)榧庸ぁ⒀b配以及氣體的黏滯阻力等因素會(huì)導(dǎo)致被卸載機(jī)構(gòu)產(chǎn)生額外的力和力矩[9],而且氣膜厚度的變化也會(huì)引起承載能力的變化,這些變化量均會(huì)引入附加的力和力矩?？紤]到實(shí)際系統(tǒng)還要適用于熱真空試驗(yàn),氣浮法卸載原理的裝置均無(wú)法滿(mǎn)足要求。與傳統(tǒng)的機(jī)械懸吊和氣浮軸承等支撐方式相比,磁懸浮重力補(bǔ)償具有無(wú)機(jī)械摩擦、支撐力較大、定位準(zhǔn)確度高而且兼容高真空環(huán)境等優(yōu)勢(shì)。

馬國(guó)亮提出的一種基于音圈電機(jī)的主動(dòng)懸吊方法[10]結(jié)合了磁懸浮和吊裝兩種方法,其原理為音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)凱夫拉繩索吊起環(huán)形結(jié)構(gòu)。對(duì)于這種柔性結(jié)構(gòu)的振動(dòng),一般視為多自由度系統(tǒng),具有多個(gè)頻率和模態(tài),易引入額外擾動(dòng)。劉凱提出的零剛度磁懸浮重力補(bǔ)償器[11],采用主、被動(dòng)磁懸浮[12-13]利用洛侖茲力[14-15]實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和定位,通過(guò)永磁體間的相互作用[16-17]產(chǎn)生的磁斥力和磁吸力實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的重力補(bǔ)償。其補(bǔ)償器具有較低的固有頻率和良好的隔振性能,但也存在輸出力非線(xiàn)性、平衡點(diǎn)唯一、載重比偏低等局限。

針對(duì)空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)高精度地面卸載驗(yàn)證需求,需要研制相應(yīng)的大承載、低擾動(dòng)、高效率的磁懸浮卸載機(jī)構(gòu)。

1 磁卸載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間,為滿(mǎn)足大慣量載荷(相機(jī))精準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)成像,需要空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)時(shí)時(shí)隔離、消除星上產(chǎn)品工作時(shí)產(chǎn)生的各種干擾力矩和振動(dòng)。如:動(dòng)量輪等執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的擾振力、旋轉(zhuǎn)載荷艙不平衡量產(chǎn)生的干擾力和力矩、旋轉(zhuǎn)載荷艙在軌道上運(yùn)行帶來(lái)的陀螺力矩[4]等干擾。為滿(mǎn)足空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)在地面實(shí)現(xiàn)上述力矩、振動(dòng)等模擬干擾噪聲的試驗(yàn)測(cè)試,對(duì)重力卸載裝置的基本要求是不能引入額外的力、力矩和阻尼等。因此在設(shè)計(jì)卸載裝置時(shí)需要考慮的主要要求如下:

1)不能給空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)額外的擾動(dòng)力矩?？臻g磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定度為0.001(°)/s,重力卸載裝置如果給系統(tǒng)引入額外時(shí)變的擾動(dòng)力矩,會(huì)影響空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)精度。

2)不能給空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)軸姿態(tài)控制引入附加外力?？臻g磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)要求轉(zhuǎn)軸偏擺不超過(guò)5″,對(duì)懸浮機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸引入時(shí)變的干擾力,會(huì)引起轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)矢量的偏轉(zhuǎn),從而影響磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)指向精度。

3)卸載裝置無(wú)法施加外部冷卻設(shè)備,需要與產(chǎn)品一起經(jīng)歷長(zhǎng)期的環(huán)境試驗(yàn)考核。

針對(duì)上述要求,本文設(shè)計(jì)了一種可以為磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中心軸及外殼分別提供近零擾動(dòng)、近零阻尼、可旋轉(zhuǎn)磁卸載的精密機(jī)構(gòu)。

2 磁卸載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 磁卸載機(jī)構(gòu)的工作原理

磁卸載機(jī)構(gòu)是基于洛侖茲力原理的直驅(qū)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),其原理與音圈直線(xiàn)電機(jī)類(lèi)似。采用這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)需中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)即可獲得直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),避免了由于中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)造成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪聲高、響應(yīng)慢等不足,在有效抑制振動(dòng)[18]的同時(shí),能在豎直方向上提供較高精度的支撐力[19-20]。其工作原理較為簡(jiǎn)單,即通電線(xiàn)圈(導(dǎo)體)在磁場(chǎng)中產(chǎn)生推力,推力的大小與施加在線(xiàn)圈的電流成比例,其產(chǎn)生的洛倫茲力為:f=Bli(B為磁場(chǎng)強(qiáng)度,l為線(xiàn)圈的有效長(zhǎng)度,i表示電流)。輸出力與電流成線(xiàn)性關(guān)系,在磁密均勻性好(B為恒值)的前提下,輸出力與位置無(wú)關(guān),可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的重力支撐。

理想情況下,在軌工作的空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的懸浮轉(zhuǎn)動(dòng)件(動(dòng)子)相對(duì)于定子件僅有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng),但實(shí)際工作中其動(dòng)子和定子間的運(yùn)動(dòng)不僅有軸向、徑向的平動(dòng)(均為±0.5mm)運(yùn)動(dòng)還有相對(duì)的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),為確保產(chǎn)品在地面試驗(yàn)的真實(shí)有效性,需要地面磁卸載機(jī)構(gòu)在被懸浮件產(chǎn)生上述運(yùn)動(dòng)時(shí),不產(chǎn)生額外的附加力和力矩,因此需要保證洛侖茲力中的磁場(chǎng)強(qiáng)度B在上述軸向和徑向位移范圍內(nèi)為恒值。

在磁卸載機(jī)構(gòu)的外形和體積固定的情況下,為獲得較大的輸出力,不僅要提高磁場(chǎng)強(qiáng)度B,而且需用較大的電流i,大電流的引入會(huì)使機(jī)構(gòu)的功耗增加,發(fā)熱量變大,隨之產(chǎn)生的過(guò)高溫升會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)造成損壞。為滿(mǎn)足磁卸載機(jī)構(gòu)在無(wú)散熱措施情況下,長(zhǎng)時(shí)間輸出大于130kg的承載力,進(jìn)行了沿徑向雙并聯(lián)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了軸向輸出力的疊加,從而獲得較大的輸出力,其原理如圖1所示。同時(shí),由于內(nèi)、外兩組通電工作線(xiàn)圈放置于不同的表面上,擴(kuò)大了線(xiàn)圈工作時(shí)的散熱面,降低了磁卸載機(jī)構(gòu)工作時(shí)的溫升,規(guī)避了通常需要額外散熱的繁瑣措施。

圖1 磁卸載機(jī)構(gòu)工作原理示意圖

2.2 磁卸載機(jī)構(gòu)的電、磁設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)線(xiàn)圈工作磁場(chǎng)強(qiáng)度B恒定的設(shè)計(jì)目標(biāo),在設(shè)計(jì)卸載裝置時(shí)主要采取了以下措施:1)采用雙邊釹鐵硼永磁體設(shè)計(jì),在有限空間內(nèi)獲得較大和恒定的磁場(chǎng)強(qiáng)度。雙邊永磁體極性相反,共同為線(xiàn)圈產(chǎn)生氣隙磁勢(shì)。雙邊永磁體有效提高了工作氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度,也保證了磁場(chǎng)強(qiáng)度在徑向方向的均勻性,如圖2所示。由圖2可知,雙邊磁體磁場(chǎng)密度的大小和均勻性均得到了明顯的提升。(圖2為單雙邊永磁體的仿真對(duì)比圖)。2)每塊永磁體采用無(wú)縫拼接。無(wú)縫拼接的磁體保證了磁場(chǎng)強(qiáng)度在圓周方向的一致性,更有利于保證工作磁場(chǎng)強(qiáng)度在其工作氣隙三維空間內(nèi)的一致性,可有效消除被測(cè)產(chǎn)品在旋轉(zhuǎn)工作時(shí)產(chǎn)生的擾動(dòng)力矩。如圖3所示,無(wú)縫拼接磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度在圓周方向均勻性更好。圖3為有縫與無(wú)縫拼接磁體的磁場(chǎng)仿真對(duì)比圖。

圖2 單、雙邊永磁體的磁場(chǎng)仿真對(duì)比圖

圖3 無(wú)縫、有縫拼接磁體的磁場(chǎng)仿真對(duì)比圖

考慮到導(dǎo)電體和導(dǎo)磁體在磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生隨運(yùn)動(dòng)速率變化的洛侖茲力和磁滯阻力,轉(zhuǎn)動(dòng)件中所選材料均應(yīng)采用不導(dǎo)電材料和不導(dǎo)磁的材料,以消除轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶來(lái)的附加阻尼力和擾動(dòng)力。因此,磁卸載機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈骨架摒棄了傳統(tǒng)的金屬材料,選用高強(qiáng)度、耐高溫的聚酰亞胺膜塑料材料。

2.3 磁卸載機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

據(jù)此設(shè)計(jì)的磁卸載機(jī)構(gòu)為兩個(gè)在徑向方向并聯(lián)的磁浮機(jī)構(gòu),采用大徑向尺寸內(nèi)部嵌套小徑向尺寸機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方式,如圖4所示。這種雙結(jié)構(gòu)的磁卸載機(jī)構(gòu)采用嵌套式結(jié)構(gòu),將內(nèi)、外兩組繞組線(xiàn)圈放置于不同的表面上,擴(kuò)大了轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈工作時(shí)的散熱面,降低了磁卸載機(jī)構(gòu)工作時(shí)的溫升。

圖4 雙磁路并聯(lián)磁卸載機(jī)構(gòu)半剖圖

磁卸載機(jī)構(gòu)為分體式結(jié)構(gòu),分為定子磁鋼部件和轉(zhuǎn)子繞組部件兩部分,每部分均分為內(nèi)、外兩套結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱(chēng)“雙結(jié)構(gòu)”),即定子磁鋼部件包含內(nèi)磁鋼部件和外磁鋼部件;轉(zhuǎn)子繞組部件包含內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組部件和外繞組部件。為滿(mǎn)足空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的6自由度運(yùn)動(dòng)需求(三方向平動(dòng)空間(0.5mm),雙結(jié)構(gòu)磁卸載結(jié)構(gòu)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)行程設(shè)定為(3mm,雙邊徑向活動(dòng)機(jī)械間隙為1.5mm,均大于產(chǎn)品的實(shí)際最大位移量,可滿(mǎn)足產(chǎn)品的工作需求。

2.4 磁卸載機(jī)構(gòu)磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)和仿真

雙結(jié)構(gòu)磁卸載機(jī)構(gòu)的定子磁鋼部件內(nèi)每個(gè)單邊設(shè)計(jì)為24塊釹鐵硼永磁體(雙邊共48塊,雙結(jié)構(gòu)共采用了96塊永磁體)無(wú)縫拼接,永磁體厚10mm,導(dǎo)磁環(huán)厚12mm。對(duì)定子磁鋼部件氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度的仿真值為0.515T,在徑向方向和有效的軸向方向基本為恒值。計(jì)算可得“雙結(jié)構(gòu)”的內(nèi)、外輸出力系數(shù)分別為238.7N/A和393.8N/A。在“雙結(jié)構(gòu)”工作電流均為2.25A的情況下,其輸出力分別達(dá)到537.08N和886.05N,總輸出力為1423.1N,可完成空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的地面重力卸載任務(wù)。

2.5 磁卸載機(jī)構(gòu)熱設(shè)計(jì)和仿真

雙結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子繞組選用耐高溫的聚酰亞胺漆包線(xiàn),雙股并繞。計(jì)算動(dòng)子線(xiàn)圈部件的重量約為20kg,為達(dá)到凈輸出力1200N,則需要磁卸載機(jī)構(gòu)輸出力大于1400N,可計(jì)算磁卸載機(jī)構(gòu)輸出力在輸出力為1400N情況下的特性參數(shù)如表1所示。同時(shí),鑒于Qy-2 0.62漆包線(xiàn)的一級(jí)降額電流值為2.25A,轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈最大允許工作電流均為4.5A,根據(jù)其最大允許工作電流可計(jì)算磁卸載機(jī)構(gòu)可輸出的最大力,并計(jì)算在最大輸出力情況下電機(jī)的特性參數(shù)值,如表1中所示。

表1 不同工況下電機(jī)主要參數(shù)對(duì)應(yīng)表

根據(jù)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的原理[21],當(dāng)電機(jī)外徑尺寸為500mm時(shí),其允許的電負(fù)荷值和熱負(fù)荷值分別在370(460(A/cm)和2250(2900(A/cm)×(A/mm2)之間?！半p結(jié)構(gòu)”磁卸載機(jī)構(gòu)的電負(fù)荷和熱負(fù)荷的設(shè)計(jì)計(jì)算值(如表1)均滿(mǎn)足航天器降額使用的要求,其降額值均小于0.32。

磁卸載機(jī)構(gòu)在工作時(shí),其發(fā)熱體為雙結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈,轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈繞制在聚酰亞胺膜塑料的非金屬材料骨架上,其骨架的導(dǎo)熱系數(shù)為0.1～0.35[W/(m×K)],轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈部件處于定子磁鋼部件的凹型槽內(nèi),與定子磁鋼部件的單邊間距為1.5mm,凹槽內(nèi)空氣對(duì)流很少,主要散熱方式為熱輻射。

建立磁卸載機(jī)構(gòu)的熱模型,設(shè)置散熱形式為轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈對(duì)定子磁鋼內(nèi)部的輻射散熱和定子磁鋼部件外圓與空氣的對(duì)流散熱。仿真計(jì)算在“雙結(jié)構(gòu)”繞組工作電流為2.14A和2A時(shí),電機(jī)的熱分布情況,其主要發(fā)熱源為轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈,其熱仿真圖如圖5所示。由仿真結(jié)果可知,轉(zhuǎn)子線(xiàn)包的最高溫度96℃在轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈骨架的頂部,轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈處的溫度低于85℃,其仿真結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo),可保證在不采取額外散熱的措施下,機(jī)構(gòu)工作的安全可靠。

圖5 轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈熱分布圖

3 地面重力卸載系統(tǒng)的構(gòu)建

3.1 地面重力卸載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地面重力卸載系統(tǒng)有定子組件、轉(zhuǎn)子組件、導(dǎo)電環(huán)及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)和導(dǎo)電環(huán)控制電路四部分。

地面重力卸載系統(tǒng)的定子組件由固定水平支架、定子安裝轉(zhuǎn)接支架、空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)定子部件轉(zhuǎn)接工裝、磁卸載機(jī)構(gòu)的定子磁鋼部件、空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)定子部件組成。地面重力卸載系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子組件由空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)部件、轉(zhuǎn)子安裝轉(zhuǎn)接板、磁卸載機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子線(xiàn)包部件組成。

考慮到磁卸載機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)子線(xiàn)包部件的重量(實(shí)際重量16.8kg)遠(yuǎn)小于定子磁鋼部件(110kg),因此選定磁卸載機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)子線(xiàn)包部件與被測(cè)空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件固聯(lián)。磁卸載機(jī)構(gòu)的定子磁鋼部件與空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的定子部件固定聯(lián)接。磁卸載機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈在通以恒定電流后,通電線(xiàn)圈在定子磁鋼部件產(chǎn)生的永磁場(chǎng)下,產(chǎn)生平行于軸向方向的電磁力,將固聯(lián)在轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈部件上的空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)部件帶動(dòng)浮起。

空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)分為外殼體組件和中心軸組件,工作時(shí)兩個(gè)組件相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。在地面測(cè)試試驗(yàn)時(shí),選擇懸浮外殼組件或是懸浮中心軸組件均可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)懸浮外殼體組件時(shí),定義外殼體組件為空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)部件、中心軸組件為空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)定子部件;當(dāng)懸浮中心軸組件時(shí),定義中心軸組件為空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)組件、外殼體組件為空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)定子組件。

由于空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)外殼體組件上帶有與外設(shè)備通訊的信號(hào)線(xiàn)及電源供電線(xiàn),懸浮外殼體組件的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜些(其結(jié)構(gòu)如圖6所示),比懸浮中心軸組件時(shí)需多配置兩部分組件,分別為導(dǎo)電環(huán)及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)、導(dǎo)電環(huán)控制電路。

1.固定水平支架 2.定子安裝轉(zhuǎn)接支架 3.中心軸轉(zhuǎn)接工裝 4.磁卸載機(jī)構(gòu)定子磁鋼部件 5.空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中心軸組件 6.轉(zhuǎn)子安裝轉(zhuǎn)接板 7.磁卸載機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子線(xiàn)包部件 8.空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)外殼體組件 9.導(dǎo)電環(huán)及其驅(qū)動(dòng)電機(jī) 10.導(dǎo)電環(huán)驅(qū)動(dòng)控制電路圖6 空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)地面重力卸載系統(tǒng)構(gòu)建圖

3.2 地面重力卸載系統(tǒng)的具體實(shí)施方法

1)懸浮外殼體組件方案

將空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)外殼體組件的所有電連接引出線(xiàn)和磁卸載機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子線(xiàn)包部件的引線(xiàn)由地面卸載系統(tǒng)中心軸的中心通孔中引出,再由導(dǎo)電環(huán)引出后與空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)外測(cè)設(shè)備和兩路外置電源相連接。

兩路外置電源輸出線(xiàn)分別連接磁卸載機(jī)構(gòu)“內(nèi)、外”結(jié)構(gòu)的繞組引出線(xiàn)上,兩路外置電源采用恒流源,使電源輸入“內(nèi)、外”結(jié)構(gòu)內(nèi)繞組線(xiàn)圈中的電流保持一致且恒定,以保證磁卸載機(jī)構(gòu)輸出力穩(wěn)定不變。在“內(nèi)、外”結(jié)構(gòu)工作電流均為2A的情況下,其輸出合力為1150N,使空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的外殼體組件起浮。通過(guò)測(cè)試設(shè)備驅(qū)動(dòng)空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)控制導(dǎo)電環(huán)驅(qū)動(dòng)電路使導(dǎo)電環(huán)旋轉(zhuǎn),其旋轉(zhuǎn)速度與空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)外殼體組件轉(zhuǎn)動(dòng)速度保持一致,以避免不同步旋轉(zhuǎn)引起電連接線(xiàn)絞合。

2)懸浮中心軸組件方案

由于空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中心軸組件中無(wú)電信號(hào)引線(xiàn),因此懸浮中心軸組件時(shí),不需要導(dǎo)電環(huán)及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制電路。將空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)外殼體組件的所有電連接引出線(xiàn)和磁卸載機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子線(xiàn)包部件的引線(xiàn)直接與空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)外測(cè)設(shè)備和兩路外置電源相連接。其它工作情況與懸浮外殼組件方案相同。

4 測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

4.1 磁卸載機(jī)構(gòu)承載試驗(yàn)

在地面試驗(yàn)中,分別做了懸浮空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)外殼體組件和中心軸組件的測(cè)試。

1)懸浮中心軸組件:中心軸組件實(shí)測(cè)重量103kg,雙結(jié)構(gòu)磁卸載機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈部件16.8kg,雙結(jié)構(gòu)磁卸載機(jī)構(gòu)實(shí)際負(fù)載119.8kg,“內(nèi)、外”結(jié)構(gòu)線(xiàn)圈工作電流分別為2.14A和2A,輸出懸浮力1180.38N,總功耗為183.2W,持續(xù)通電3小時(shí)后,內(nèi)、外線(xiàn)圈本體溫度分別為64.5℃和62.4℃,其實(shí)際工作中電機(jī)內(nèi)的溫度均在其允許工作溫度范圍內(nèi),確保了在不采取額外散熱的措施下,懸浮設(shè)備工作的安全可靠。

2)懸浮旋轉(zhuǎn)外殼體組件:外殼體組件實(shí)測(cè)重量130kg,雙結(jié)構(gòu)磁卸載機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈組件16.8kg,雙結(jié)構(gòu)磁卸載機(jī)構(gòu)實(shí)際懸浮146.8kg負(fù)載,雙結(jié)構(gòu)磁卸載機(jī)構(gòu)內(nèi)、外線(xiàn)圈工作電流分別為2.715A和2.74A,輸出懸浮力1570N,總功耗為324.2W,持續(xù)通電0.5h后,內(nèi)、外線(xiàn)圈本體溫度均達(dá)到65℃,持續(xù)通電1h后,內(nèi)、外圈本體溫度達(dá)到80℃,考慮到設(shè)備使用的一級(jí)降額,在線(xiàn)圈本體溫度達(dá)到85℃時(shí)需停機(jī)適當(dāng)降溫后使用。

4.2 磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)隔振試驗(yàn)

在地面懸浮外殼體組件和中心軸組件的試驗(yàn)中,為測(cè)試試驗(yàn)磁卸載機(jī)構(gòu)的隔振效果,在基座上安裝激振器,使用信號(hào)發(fā)生器給激振器提供0～100Hz掃頻信號(hào)(頻率線(xiàn)性增加,持續(xù)100s)。在基座和懸浮件上安裝加速度計(jì)(如圖7所示),采集基座和懸浮轉(zhuǎn)子上加速度計(jì)的數(shù)據(jù),分析在磁卸載機(jī)構(gòu)不工作和工作時(shí)對(duì)空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的隔振效果。

圖7 磁卸載機(jī)構(gòu)隔振試驗(yàn)系統(tǒng)圖

實(shí)測(cè)曲線(xiàn)如圖8和9所示,對(duì)比實(shí)測(cè)懸浮轉(zhuǎn)子的測(cè)試曲線(xiàn),可得到磁卸載機(jī)構(gòu)在工作時(shí),對(duì)外界的振動(dòng)抑制達(dá)到了95%,表明磁卸載結(jié)構(gòu)的隔振效果很好,同時(shí)也說(shuō)明了磁卸載機(jī)構(gòu)沒(méi)有給空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)系統(tǒng)引入明顯的外界擾動(dòng)力。

圖8 磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)振動(dòng)隔離效果驗(yàn)證(磁卸載機(jī)構(gòu)不工作情況下)

圖9 磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)振動(dòng)隔離效果驗(yàn)證(磁卸載機(jī)構(gòu)工作情況)

通過(guò)地面試驗(yàn)驗(yàn)證,雙結(jié)構(gòu)磁卸載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可滿(mǎn)足空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的地面卸載要求,但由于空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)外殼體組件的實(shí)際重量比預(yù)估值大,因此在長(zhǎng)期懸浮外殼體組件時(shí),需要間歇式工作以保證卸載系統(tǒng)工作的安全可靠。

5 結(jié)論

雙結(jié)構(gòu)磁卸載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可滿(mǎn)足大承載六自由度運(yùn)動(dòng)的空間磁懸浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的地面卸載要求,試驗(yàn)結(jié)果證明其隔振效果好。雙結(jié)構(gòu)磁卸載機(jī)構(gòu)的安裝裝配要求精度不高,安裝裝配簡(jiǎn)單。工作時(shí),僅需為“內(nèi)、外”結(jié)構(gòu)內(nèi)的兩組線(xiàn)圈提供一定的恒定電流,亦可保證輸出穩(wěn)定、無(wú)附加外力和阻力的懸浮力。