一种磁力矩演示系统及其演示方法
【专利摘要】一种磁力矩演示系统，包括轴心线沿竖直方向设置的轴承(1)，以及轴心线沿水平方向设置的用于模拟航天器磁力矩器的线圈(2)，轴承(1)的外圈(12)或内圈(11)与演示平台固定在一起，同时线圈与轴承的内圈(11)或外圈(12)固定在一起，轴承内圈(11)或外圈(12)用于模拟航天器本体，线圈(2)沿水平方向的外围成中心对称式分布有若干块磁极相间的用于模拟地球磁场的永磁体(3)，轴承内圈(11)或外圈连接有用于检测内圈或外圈实际转动角度的角位移传感器。本发明充分的摸拟了航天器的空间环境，辨识出的摩擦力矩可用于得到线圈电流与线圈角度之间的数学关系，实现对航天器姿态控制的模拟。
【专利说明】
一种磁力矩演示系统及其演示方法
技术领域
[0001] 本发明涉及航天器演示系统，特别的，涉及一种磁力矩演示系统及其演示方法。
【背景技术】
[0002] 磁力矩器是在航天器(星体）中得到广泛应用的主动控制系统。磁力矩控制系统的 工作原理就是以载流线圈和地球磁场的相互作用而产生的力矩作控制力矩，使航天器姿态 发生改变。
[0003] 如何在地面直观、逼真的模拟通过磁力矩器控制航天器姿态的过程，对于航天器 的研究有着重要作用，对于院校的动量矩定理教学、航天器控制系统教学、航天器姿态教学 效果也有着重要的影响力。
[0004] 现有技术中，关于航天器磁力矩器的演示系统较少提及，中国专利 201010296537.9公开了一种航天器姿态控制半物理仿真系统，其主要是利用气浮转台进行 模拟，该方法需要气浮台提供基础平台，造价昂贵，运行成本高，且没有完全克服摩擦；同 时，未设置模拟地磁的强磁场，磁力矩器执行效果难以观察。
【发明内容】
[0005] 本发明目的在于提供一种磁力矩演示系统及其演示方法，以解决【背景技术】中提出 的问题。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种磁力矩演示系统，包括轴心线沿竖直方向设 置的轴承1，以及轴心线沿水平方向设置的用于模拟航天器磁力矩器的线圈2,所述轴承1的 外圈12或内圈11与演示平台固定在一起，同时线圈2与轴承1的内圈11或外圈12固定在一 起，与线圈2固定在一起的轴承内圈11或外圈12用于模拟航天器本体，线圈2沿水平方向的 外围成中心对称式分布有若干块磁极相间的用于模拟地球磁场的永磁体3，线圈2通电后产 生磁场，与外围布置的永磁体3的磁场产生相互作用，当作用力矩大于轴承内圈11与轴承外 圈12之间的摩擦力矩时，线圈2可以在水平面内发生旋转运动，轴承内圈11或外圈连接有用 于检测内圈或外圈实际转动角度的角位移传感器。
[0007] 所述磁力矩演示系统设有控制器，线圈2及角位移传感器均由控制器电连接控制， 控制器用于接收角位移传感器所反馈的线圈2的实际转动角度，并根据线圈2的实际转动角 度结合线圈所受到的磁力矩，计算出轴承1的内圈与外圈之间的摩擦阻力矩，将摩擦阻力矩 辨识后输入到控制器的控制系统设计模型中，从而提供较准确的控制系统。
[0008] 进一步的，轴承1的内圈与外圈之间还设有用于将线圈2的线缆转接到演示平台上 的桌面控制系统的滑环，其中滑环转子51与轴承内圈或外圈固连，同时滑环定子52与轴承 外圈或内圈固连，线圈2的线缆接到滑环转子上，滑环定子及角位移传感器的线缆直接和设 置在演示平台上的桌面控制系统连接，从而使可转动部分的线缆通过滑环转接到演示平 台，避免线圈2转动过程中发生线缆缠绕现象。
[0009] 进一步的，所述线圈2内设有增强线圈磁力的铁芯。根据所述磁力矩演示系统，本 发明还提供了 一种磁力矩演示方法，包括以下步骤：
[0010] 1、根据电磁铁吸力公式
（式V)计算通电线圈2对存在于其磁场 中的导磁材料的吸引力Fz，根据力的相互作用，Fz也等于导磁材料对线圈的作用力，本发明 中，导磁材料即为永磁体3，FZ即为永磁体对线圈的作用力，式1中μ〇为空气磁导率，N为线圈 匝数，S为永磁体到线圈轴向端部的距离（即永磁体与线圈之间的气隙长度），Α为线圈极面 积(本发明中线圈极面积即为线圈2中单匝线圈围成的圆面积），i为线圈通电电流；
[0011 ] 2、对于线圈、铁芯及永磁体，根据动量矩定理有：（Fe+FP)s〇 = Tf+Jco (式2)，另根据 永磁体磁力公式有：
（式3),其中为永磁体中磁性材料的相对磁 导率，S为永磁体磁极表面积，δΜ为永磁体沿线圈轴向方向的厚度，H。为永磁体中磁性材料的 矫顽力，Tf为轴承内外圈之间的摩擦力矩，FP为永磁体对铁芯的作用力，so为线圈轴向端部 到轴承轴心线的距离，J为线圈与铁芯的转动惯量，ω为线圈与铁芯的转动角速度（由角位 移传感器测得）；
[0012] 3、将式1与式3代入式2得
（g4) 即为辨识出的摩擦力矩，将辨识出的摩擦力矩代入式2,即得出线圈电流与转动角速度之间 的数学关系，即得到演示系统的控制规律，从而方便通过线圈电流来控制线圈的角度，让线 圈以某一规律运动或者停留在某一固定角度上，即对线圈的位置进行控制，实现对航天器 姿态控制的模拟。
[0013] 受永磁体3的结构及布置位置的影响，永磁体3对线圈提供的磁场强度也不是绝对 均匀的，因此线圈每个转动周期中，各个位置的动摩擦力矩均会有所不同，另外各个初始启 动位置所需克服的最大静摩擦力矩也有所不同。
[0014] 因此，进一步的，所述演示方法还包括步骤4:
[0015] 不断改变线圈的初始启动位置，线圈在不同的启动位置开始转动后，根据线圈的 转动速度，线圈每转动X度的角度，改变一次线圈电流的方向，使线圈保持连续旋转，再根据 式4计算不同初始启动位置的动摩擦力矩大小，其中X = 360/永磁体数量。
[0016] 进一步的，所述演示方法还包括步骤5:
[0017] 让线圈停在任一位置，逐渐加大线圈电流，若线圈开始移动，则得到线圈克服该位 置处的最大静摩擦力矩所需要的初始启动电流io;
[0018] 不断改变线圈的初始启动位置，并测量线圈克服该处最大静摩擦力矩所需要的初 始启动电流i〇,再按式4计算不同的初始启动位置下线圈所需克服的最大静摩擦力矩(此时 由于线圈与铁芯的转动角速度ω等于0)，从而得到不同启动位置的静摩擦力矩大小。
[0019] 进一步的，所述演示方法还包括步骤6:
[0020] 根据步骤4和/或步骤5所得的离散动摩擦力矩数值和/或离散静摩擦力矩数值结 合线圈角度建立动摩擦力矩和/或静摩擦力矩与线圈初始启动位置（即初始角度)之间的数 学关系模型，方便根据不同的线圈位置调节电流，同时根据不同的启动位置设置初始启动 电流i 〇，实现对航天器姿态控制的更精准的模拟。
[0021] 有益效果：
[0022] 本发明的演示系统通过水平设置的线圈模拟磁力矩器，并将线圈与低阻尼的轴承 内圈或外圈固定在一起，充分的摸拟了航天器的空间环境，本发明的演示方法通过将轴承 内外圈之间的摩擦力矩辨识出来，辨识出的摩擦力矩可用于输入到控制系统模型中得到线 圈电流与线圈转过角度之间的数学关系，从而通过线圈电流控制线圈的位置，实现对航天 器姿态控制的模拟。
[0023] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。 下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
【附图说明】
[0024] 构成本申请的一部分的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。在附图中：
[0025] 图1是本发明优选实施例的磁力矩演示系统整体结构示意图；
[0026]图2是本发明优选实施例的磁力矩演示系统俯视示意图。
[0027] 图中：1-轴承，11-轴承内圈，12-轴承外圈，2-线圈，3-永磁体，51-滑环转子，52-滑 环定子。
【具体实施方式】
[0028] 以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限 定和覆盖的多种不同方式实施。
[0029] 参见图1~图2的一种磁力矩演示系统，包括轴心线沿竖直方向设置的轴承1，以及 轴心线沿水平方向设置的用于模拟航天器磁力矩器的线圈2,本实施例中，轴承1的外圈12 与演示平台固定在一起，同时线圈2与轴承1的内圈11固定在一起，与线圈2固定在一起的轴 承内圈11用于模拟航天器本体，线圈2沿轴承径向方向的外围成中心对称式分布有六块磁 极相间的永磁体3，六块永磁体沿轴承径向方向两两相对，且相对的两块永磁体磁极相反而 相互吸引，从而在线圈外围模拟成地球磁场，线圈2通电后产生磁场，与外围布置的永磁体3 的磁场产生相互作用，当作用力矩大于轴承内圈11与轴承外圈12之间的摩擦力矩时，线圈2 可以在水平面内发生旋转运动，轴承内圈11或外圈连接有用于检测内圈或外圈实际转动角 度的角位移传感器。
[0030] 本实施例中的磁力矩演示系统设有控制器，线圈2及角位移传感器均由控制器电 连接控制，控制器用于接收角位移传感器所反馈的线圈2的实际转动角度，并根据线圈2的 实际转动角度结合线圈所受到的磁力矩，计算出轴承1的内圈与外圈之间的摩擦阻力矩，将 摩擦阻力矩辨识后输入到控制器的控制系统设计模型中，从而提供较准确的控制系统。
[0031] 本实施例中，轴承1的内圈与外圈之间还设有用于将线圈2的线缆转接到演示平台 上的桌面控制系统的滑环，其中滑环转子51与轴承内圈或外圈固连，同时滑环定子52与轴 承外圈或内圈固连，线圈2的线缆接到滑环转子上，滑环定子及角位移传感器的线缆直接和 设置在演示平台上的桌面控制系统连接，从而使可转动部分的线缆通过滑环转接到演示平 台，避免线圈2转动过程中发生线缆缠绕现象。
[0032]本实施例中，线圈2内设有增强线圈磁力的铁芯（图中未示出）。一种磁力矩演示方 法，包括以下步骤：
[0033] 1、根据电磁铁吸力公式 （式十算通电线圈2对存在于其磁场 中的导磁材料的吸引力Fz，根据力的相互作用，Fz也等于导磁材料对线圈的作用力，本发明 中，导磁材料即为永磁体3，FZ即为永磁体对线圈的作用力，式1中μ〇为空气磁导率，N为线圈 匝数，S为永磁体到线圈轴向端部的距离（即永磁体与线圈之间的气隙长度），Α为线圈极面 积(本发明中线圈极面积即为线圈2中单匝线圈围成的圆面积），i为线圈通电电流；
[0034] 2、对于线圈、铁芯及永磁体，根据动量矩定理有：（Fe+FP)so = Tf+Jco (式2)，另根据 永磁体磁力公式有：
（式3)，其中为永磁体中磁性材料的相对磁
导率，S为永磁体磁极表面积，δΜ为永磁体沿线圈轴向方向的厚度，H。为永磁体中磁性材料的 矫顽力，Tf为轴承内外圈之间的摩擦力矩，Fp为永磁体对铁芯的作用力，SQ为线圈轴向端部 到轴承轴心线的距离，J为线圈与铁芯的转动惯量，ω为线圈与铁芯的转动角速度（由角位 移传感器测得）；
[0035] 3、将式1与式3代入式2得 4) 即为辨识出的摩擦力矩，将辨识出的摩擦力矩代入式2,即得出线圈电流与转动角速度之间 的数学关系，即得到演示系统的控制规律，从而方便通过线圈电流来控制线圈的角度，让线 圈以某一规律运动或者停留在某一固定角度上，即对线圈的位置进行控制，实现对航天器 姿态控制的模拟。
[0036] 本实施例中的演示方法还包括步骤4:
[0037] 不断改变线圈的初始启动位置，线圈在不同的启动位置开始转动后，根据线圈的 转动速度，线圈每转动60度的角度，改变一次线圈电流的方向，使线圈保持连续旋转，再根 据式4计算不同初始启动位置的动摩擦力矩大小。
[0038] 本实施例中的演示方法还包括步骤5:
[0039] 让线圈停在任一位置，逐渐加大线圈电流，若线圈开始移动，则得到线圈克服该位 置处的最大静摩擦力矩所需要的初始启动电流io;
[0040] 不断改变线圈的初始启动位置，并测量线圈克服该处最大静摩擦力矩所需要的初 始启动电流io,再按式4计算不同的初始启动位置下线圈所需克服的最大静摩擦力矩(此时 由于线圈与铁芯的转动角速度ω等于0)，从而得到不同启动位置的静摩擦力矩大小。
[0041 ]本实施例中的演示方法还包括步骤6:
[0042]根据步骤4和/或步骤5所得的离散动摩擦力矩数值和/或离散静摩擦力矩数值结 合线圈角度建立动摩擦力矩和/或静摩擦力矩与线圈初始启动位置（即初始角度)之间的数 学关系模型，具体可使用有限元法进行分析，以方便根据不同的线圈位置调节电流，同时根 据不同的启动位置设置初始启动电流i〇,实现对航天器姿态控制的更精准的模拟。
[0043]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。
【主权项】
1. 一种磁力矩演示系统，其特征在于，包括轴屯、线沿竖直方向设置的轴承（1)，W及轴 屯、线沿水平方向设置的用于模拟航天器磁力矩器的线圈（2)，所述轴承（1)的外圈（12)或内 圈（11)与演示平台固定在一起，同时线圈（2)与轴承（1)的内圈（11)或外圈（12)固定在一 起，与线圈（2)固定在一起的轴承内圈（11)或外圈（12)用于模拟航天器本体，线圈（2)沿水 平方向的外围成中屯、对称式分布有若干块磁极相间的用于模拟地球磁场的永磁体(3 )，线 圈（2)通电后产生磁场，与外围布置的永磁体(3)的磁场产生相互作用，当作用力矩大于轴 承内圈（11)与轴承外圈（12)之间的摩擦力矩时，线圈（2)可W在水平面内发生旋转运动，轴 承内圈（11)或外圈连接有用于检测内圈或外圈实际转动角度的角位移传感器。2. 根据权利要求1所述的一种磁力矩演示系统，其特征在于，所述磁力矩演示系统设有 控制器，线圈（2)及角位移传感器均由控制器电连接控制，控制器用于接收角位移传感器所 反馈的线圈（2)的实际转动角度，并根据线圈（2)的实际转动角度结合线圈所受到的磁力 矩，计算出轴承（1)的内圈与外圈之间的摩擦阻力矩，将摩擦阻力矩辨识后输入到控制器的 控制系统设计模型中，从而提供较准确的控制系统。3. 根据权利要求1或2所述的一种磁力矩演示系统，其特征在于，轴承（1)的内圈与外圈 之间还设有用于将线圈（2)的线缆转接到演示平台上的桌面控制系统的滑环，其中滑环转 子巧1)与轴承内圈或外圈固连，同时滑环定子(52)与轴承外圈或内圈固连，线圈（2)的线缆 接到滑环转子上，滑环定子及角位移传感器的线缆直接和设置在演示平台上的桌面控制系 统连接，从而使可转动部分的线缆通过滑环转接到演示平台，避免线圈（2)转动过程中发生 线缆缠绕现象。4. 根据权利要求3所述的一种磁力矩演示系统，其特征在于，所述线圈2内设有增强线 圈磁力的铁忍。5. 根据权利要求1~4中任意一项所述磁力矩演示系统设置的一种磁力矩演示方法，其 特征在于，包括W下步骤： 1) 、根据电磁铁吸力公式：式1>计算通电线圈2对存在于其磁场中 的导磁材料的吸引力Fz，根据力的相互作用，Fz也等于导磁材料对线圈的作用力，所述导磁 材料即为永磁体(3)，Fz即为永磁体对线圈的作用力，式1中μ〇为空气磁导率，N为线圈应数，δ 为永磁体到线圈轴向端部的距离，A为线圈极面积，i为线圈通电电流； 2) 、对于线圈、铁忍及永磁体，根据动量矩定理有：（Fe+Fp)s〇 = Tf+Jw试2)，另根据永 磁体磁力公式有：（式扮，其中μτ为永磁体中磁性材料的相对磁导 率，S为永磁体磁极表面积，δη为永磁体沿线圈轴向方向的厚度，出为永磁体中磁性材料的矫 顽力，Tf为轴承内外圈之间的摩擦力矩，Fp为永磁体对铁忍的作用力，SO为线圈轴向端部到 轴承轴屯、线的距离，J为线圈与铁忍的转动惯量，ω为线圈与铁忍的转动角速度； 3) 、将式1与式3代入式2得即为 辨识出的摩擦力矩，将辨识出的摩擦力矩代入式2,即得出线圈电流与转动角速度之间的数 学关系，即得到演示系统的控制规律，从而方便通过线圈电流来控制线圈的角度，让线圈W 某一规律运动或者停留在某一固定角度上，即对线圈的位置进行控制，实现对航天器姿态 控制的模拟。6. 根据权利要求5所述的一种磁力矩演示方法，其特征在于，所述演示方法还包括步骤 4) : 不断改变线圈的初始启动位置，线圈在不同的启动位置开始转动后，根据线圈的转动 速度，线圈每转动X度的角度，改变一次线圈电流的方向，使线圈保持连续旋转，再根据式4 计算不同初始启动位置的动摩擦力矩大小，其中X = 360/永磁体数量。7. 根据权利要求6所述的一种磁力矩演示方法，其特征在于，所述演示方法还包括步骤 5) ： 让线圈停在任一位置，逐渐加大线圈电流，若线圈开始移动，则得到线圈克服该位置处 的最大静摩擦力矩所需要的初始启动电流io; 不断改变线圈的初始启动位置，并测量线圈克服该处最大静摩擦力矩所需要的初始启 动电流io,再按式4计算不同的初始启动位置下线圈所需克服的最大静摩擦力矩，从而得到 不同启动位置的静摩擦力矩大小。8. 根据权利要求7所述的一种磁力矩演示方法，其特征在于，所述演示方法还包括步骤 6) ： 根据步骤4和/或步骤5所得的离散动摩擦力矩数值和/或离散静摩擦力矩数值结合线 圈角度建立动摩擦力矩和/或静摩擦力矩与线圈初始启动位置之间的数学关系模型，方便 根据不同的线圈位置调节电流，同时根据不同的启动位置设置初始启动电流io,实现对航 天器姿态控制的更精准的模拟。
【文档编号】G09B23/18GK106097852SQ201610729962
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月25日
【发明人】汤国建, 郑伟, 刘鲁华, 张洪波, 邹东升
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学