一种微重力模拟用气-磁混合结构的悬吊装置
技术领域
本发明属于航空航天微重力模拟结构设计领域，尤其涉及到具有气-磁混合结构的新型悬吊装置。
背景技术
在当前复杂的国际形势下，航空领域的探索与应用具有重要的战略意义，同时也会对国计民生各方面产生深远的影响。航天器在轨运行时的引力环境与地球表面差异很大，导致空间机构的动力学模型相差较大。对动力学环境预示和控制的不充分，可直接导致航天任务失败。因此，为了验证航天器的各项性能指标，需要在地面进行全面系统的测试与评估。然而机械臂、太阳翼和卫星天线等大型可展机构，普遍尺寸非常庞大，这些可展机构在航天器发射时处于收缩折叠状态，当进入预定轨道时按照指令要求展开为最终形态。这些机构能否顺利展开直接关系到航天任务的成败，因此，必须研制大尺寸下微阻力、低刚度、低扰动的快速装配的微重力模拟技术，在地面提前进行相关技术的模拟实验。
常用的微重力模拟方法中，主要分为气悬浮法和悬吊法两种。但是在微重力模拟过程中存在一些实际问题：大跨度、高水平度平行导轨的安装、调试依赖于手工操作，而且实际试验时需要增设多个独立的悬挂点，即需要安装多层二自由度导轨，导致安装工期增大；多层桁架悬挂点间存在干涉、大跨度导轨形变等现象；系统通用性不强，需要为每种展开机构量身定制悬挂系统，造价较高。
发明内容
为了克服现有技术问题，本发明的目的是提出一种微重力模拟用气-磁混合结构的新型悬吊装置，具有较好的实用性，适合应用于微重力模拟场合的快速装配。技术方案如下：
一种微重力模拟用气-磁混合结构的悬吊装置，包括永磁电磁混合模块，气体止推轴承，底部外壳和导磁平台，其中，
所述永磁电磁混合模块包括永磁体，铁芯和电磁线圈，所述永磁体与铁芯固定连接，切向充磁，NS极交替排列；每个铁芯的上端面均开设有多个用于缠绕电磁线圈的线圈槽；
所述的气体止推轴承包括轴承外壳和多孔石墨板，所述轴承外壳的上端面上设有环状槽，所述轴承外壳的底面沿轴向开设有供气孔，所述供气孔与环状槽相通；所述多孔石墨板为环形，与所述轴承外壳上端面的环状槽的尺寸相配合并相互连接；
导磁平台位于永磁电磁混合模块和气体止推轴承的上方，所述的气体止推轴承的主体为环形，包覆在永磁电磁混合模块的外部，所述气体止推轴承的上表面高于所述永磁电磁混合模块的上表面，使得永磁电磁混合模块的工作气隙厚度大于气体止推轴承的工作气膜厚度；
进一步地，所述气体止推轴承和所述永磁电磁混合模块的上表面均为光滑表面，所述的导磁平台的下端面光滑。
本发明的技术效果如下：
1.微重力模拟用气-磁混合结构的新型悬吊装置中永磁体使用内嵌式结构，使得聚磁能力强，有助于提高气隙磁通密度，进而提高磁吸力。
2.微重力模拟用气-磁混合结构的新型悬吊装置因永磁体不直接承受垂直方向的作用力，减小磁体脱离的风险，有助于提高整个装置的可靠性。
3.微重力模拟用气-磁混合结构的新型悬吊装置可以悬挂在导磁平台随载荷二自由度移动，实现天线、太阳能电池板等大型可展机构的微重力模拟，整个系统安装简单调试方便，有利于缩短微重力模拟的周期。
附图说明
图1：气-磁混合悬吊装置整体装配爆炸图。
图2：气-磁混合悬吊装置剖面图。
图3：气体止推轴承外壳剖面图。
图4：永磁电磁混合模块结构示意图。
图5：吊环结构示意图。
图中标号名称为：1-永磁电磁混合模块；2-气体止推轴承；3-底部外壳；4-轴承外壳；5-多孔石墨板；6-环状槽；7-供气孔；8-永磁体；9-铁芯；10-电磁线圈；11-控制电路单元；12-传感单元；13-导磁平台；14-吊环槽。
具体实施方式
本发明提出了微重力模拟用气-磁混合结构的新型悬吊装置设计，下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1-4所示，一种微重力模拟用气-磁混合结构的新型悬吊装置，包括永磁电磁混合模块1，气体止推轴承2，底部外壳3和导磁平台13。
如图3所示，气体止推轴承2包括轴承外壳4和多孔石墨板5，轴承外壳4由铝合金材料制成，轴承外壳4的上端面上开设有环状槽6，轴承外壳4的底面沿轴向开设有供气孔7，供气孔7与环状槽6相通；多孔石墨板5与轴承外壳4上端面的环状槽配合，并用环氧胶粘接，可使得供气面积大，压力场分布均匀。
如图4所示，为便于观察，隐藏了正对的一个线圈，一个铁芯。永磁电磁混合模块1包括永磁体8，铁芯9，电磁线圈10，控制电路单元11和传感单元12。永磁体8均为长方体形状，嵌入铁芯9下部，切向充磁，NS极交替排列；铁芯9的上端面上开设有六个线圈槽，槽的截面为矩形，相邻槽之间夹角均成60度；电磁线圈10缠绕在线圈骨架，进而嵌在线圈槽内，相邻线圈通入大小相等，方向相反的控制电流；控制电路单元11固定在底部外壳3下端面；传感单元12设置在铁芯9内部。
气体止推轴承2上表面要进行研磨处理使得上表面光滑，因为气体止推轴承2的工作气膜厚度一般是在几十um数量级，而永磁电磁混合模块1的工作气隙厚度一般要大于气体止推轴承2的工作气膜厚度，所以气体止推轴承2的上表面要略高于永磁电磁混合模块1的上表面，本方案中高度差设为0.5mm。永磁电磁混合模块1和气体止推轴承2均通过多组螺丝螺接固定在底部外壳3上，如图2所示。
底部外壳3最下部开有吊环槽14，将如图5所示的吊环螺接在吊环槽14中，使得负载可以悬挂在吊环上。导磁平台13由铸铁材料制成，通过钢结构桁架固定在离地合适高度，且导磁平台13的下端面要进行研磨处理，使下端面光滑。
工作原理为：初始状态时，永磁电磁混合模块1产生的磁路通过下表面研磨好的导磁平台13闭合，产生向上的吸力，且吸力大于悬吊装置自重和负载重量，使气体止推轴承2上端面附在导磁平台13上。此时磁吸力提供了预载荷至气体止推轴承2上，气体止推轴承的气隙为零，而磁路气隙长度初始值非零。通过供气孔7给气体止推轴承2通气后，产生的斥力将推动悬吊装置使其处于悬浮状态，此时在气体止推轴承2上端面和导磁平台13之间形成一层气膜。由于气膜的自润滑特性，悬吊装置的水平移动阻力极小，不会影响下方展开机构的水平受力，并能跟随下方展开机构的运动轨迹，并通过主动或被动方式实现重力补偿。
当悬吊装置受到垂直方向的扰动力时，悬吊装置的工作模式可分为两种情况(假设扰动力方向向上)：
(1)当扰动力在一定范围内时，扰动力和永磁电磁混合模块1产生的吸力叠加后大于气体止推轴承2产生的斥力、悬吊装置自重、负载重力之和，悬吊装置产生向上的位移，气膜压缩，由于气体止推轴承2的刚度大，此时气体止推轴承2产生的斥力快速增大，抵消了向上的扰动力，悬吊装置仍能保持悬浮状态。
(2)当扰动力大到一定程度时，增大了悬吊装置与导磁平台13的间隙，永磁力减小，将导致悬吊装置脱落，此时，传感单元12检测到间隙大于预设值后，及时反馈到控制电路单元11，进而给电磁线圈10通电，最终电磁线圈10产生电磁吸力和永磁体8产生的永磁吸力，共同实现悬吊装置的稳定。
本发明中部件的组合和组配、永磁体磁极的排列方式、线圈的结构以及通电方式均是可根据实际状况变化的，这些变形和应用都应该属于本发明的范围内。
