用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置的制作方法

本发明涉及航天及机械领域，尤其涉及一种用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置。

背景技术：

用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置包括一个卫星载荷放置面，将卫星载荷放置到卫星载荷放置面之后，用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置可以通过自身的旋转带动载荷旋转。通常情况下，载荷需要放置在卫星载荷放置面的预定位置，若偏离预定位置，则可能产生载荷的重心偏离旋转轴线，从而导致用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置出现质量偏心或旋转偏心。在一些情况下载荷自身就是密度分布不均的，载荷放置到卫星载荷放置面之后，很难保证载荷与用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置的旋转轴线对齐。

当出现旋转偏心或质量偏心之后，会导致旋转的失衡，进而导致由于失衡引起的旋转机构的内部结构之间产生较为剧烈的碰撞或摩擦；尤其是当载荷的质量很大时，从而导致用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置的迅速损坏，进而导致用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置使用寿命缩短。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例期望提供一种用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置，期待解决现有用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置损坏速度快及使用寿命短的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供一种用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置，包括卫星平台、旋转机构、驱动机构及卫星载荷放置面：

所述旋转机构，包括定子、磁力转子及磁力轴承；

所述定子与所述卫星平台固定连接；

所述磁力转子与所述卫星载荷放置面固定连接；

所述磁力转子在所述驱动机构的驱动下，能够相对于所述定子旋转；

所述定子包括第一中空；

所述磁力转子包括转子轴，且能够产生第一磁力；

所述磁力轴承安装在所述第一中空内，且能够产生第二磁力；

所述磁力轴承包括第二中空；所述转子轴安装在所述第二中空内；

所述卫星载荷放置面用于承载卫星载荷，其中，至少在所述磁力转子转动时，所述第一磁力和所述第二磁力互为斥力。

可选地，所述转子轴的端部设置有卡和结构，所述转子轴延伸到所述第二中空的端部，所述卡和结构的外径大于所述第二中空的孔径；

所述磁力转子在所述第一磁力和所述第二磁力的作用下，沿轴向运动到预设距离之后，所述卡和结构与所述磁力轴承相互作用从而阻止所述磁力转子继续沿轴向运动。

可选地，所述用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置，还包括：

锁紧机构，一端固定在所述定子上，另一端在锁紧状态下与所述磁力转子固定；当处于非锁紧状态时，所述磁力转子在所述第一磁力和所述第二磁力的作用下，沿轴向运动与所述定子在轴向上分离。

可选地，所述用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置还包括：

磁力控制系统，与所述磁力轴承和/或所述磁力转子的至少其中之一连接，用于控制所述磁力轴承和所述磁力转子之间的磁力，从而提供抗径向偏转能力。

可选地，所述磁力转子内设置有第三中空；

在所述第三中空内设置有第一通信设备；

所述定子或所述卫星平台内设置有第四中空；

在所述第四中空内设置有第二通信设备；

其中，所述第一通信设备能够与所述第二通信设备进行信息交互。

可选地，所述第一通信设备和所述第二通信设备均为无线通信设备，所述第一通信设备和所述第二通信设备通过无线通信；

或者，

所述转子轴为中空轴，所述第一通信设备和所述第二通信设备之间通过位于经过所述转子轴内部的导线连接。

可选地，所述第三中空内还设置有第一供能设备；

和/或，

所述第四中空内还设置有第二供能设备；

其中，所述第一供能设备和/或第二供能设备，用于向位于卫星载荷放置面的卫星载荷进行供能。

可选地，所述转子轴为中空轴；

所述卫星载荷放置面的表明设置有与所述转子轴连通的开口；

所述第一供能设备和/或第二供能设备，通过经过所述转子轴内部及所述开口的导向为所述卫星载荷供能。

可选地，所述卫星载荷包括数据处理设备。

可选地，所述用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置还包括：

磁力控制系统，与所述磁力轴承和/或所述磁力转子的至少其中之一连接，用于控制所述磁力轴承和所述磁力转子之间的磁力，从而提供所述磁力转子在抗径向的偏转能力。

本发明实施例提供的用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置中，转子为能够产生第一磁力的磁力转子，轴承为能够产生第二磁力的轴承；第一磁力和第二磁力互为斥力，这样在磁力转子旋转的过程中，由于第一磁力和第二磁力的相互作用，可以减少磁力转子和定子及磁力轴承之间直接作用力或避免直接接触，从而可以减少旋转过程中相对摩擦导致的损坏，从而可以减缓损坏速率，延长使用寿命，尤其是在出现质量偏心时，效果尤其显著。

附图说明

图1为本发明实施例提供的第一种用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的第二种用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的第一种用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置的测试流程示意图；

图4为本发明实施例提供的第二种用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置的测试流程示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细阐述。

如图1及图2所示，本实施例提供一种用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置，包括卫星平台110、旋转机构120、卫星载荷放置面130及驱动机构140。

所述旋转机构120，包括定子121、磁力转子122及磁力轴承123；

所述定子121与所述卫星平台110固定连接；

所述磁力转子122与所述卫星载荷放置面130固定连接；

所述磁力轴承123安装在所述定子121和所述磁力转子122之间；

所述磁力转子122在所述驱动机构140的驱动下，能够相对于所述定子121旋转；

所述定子121包括第一中空；

所述磁力转子122包括转子轴1221，且能够产生第一磁力；

所述磁力轴承123安装在所述第一中空内，且能够产生第二磁力；

所述磁力轴承123包括第二中空；所述转子轴1221安装在所述第二中空内；

所述卫星载荷放置面130用于承载卫星载荷，其中，至少在所述磁力转子122转动时，所述第一磁力和所述第二磁力互为斥力。

在本实施例中所述卫星载荷放置面130上设置有卫星载荷安装位，可以用于固定或放置卫星载荷，这里的卫星载荷可为各种放置在卫星载荷放置面130平台上的物件。

在本实施例中所述驱动机构140可包括各种类型的驱动装置，这里的驱动装置可包括：电驱动装置、液压驱动装置和气动驱动装置等。所述电驱动装置可包括各种类型的驱动电机，例如，驱动马达等。

所述驱动机构140与所述磁力转子122传动连接，所述驱动机构140通过自身的运动向所述磁力转子122提供旋转力，所述磁力转子122在驱动机构140的驱动下，相对于所述定子121旋转。

在本实施例中所述定子121可包括：向第一方向凹陷的第一圆锥面；所述磁力转子122包括向第一方向凸起的第二圆锥面；所述第一圆锥面和所述第二圆锥面的圆锥幅度相适配。所述第一圆锥面和所述第二圆锥面相互配合，构成了定子121和磁力转子122之间的旋转面。

在本实施例中提供定子121和磁力转子122之间旋转缓冲的轴承为磁力轴承123，磁力轴承123产生的第二磁力与磁力转子122提供的第一磁力相互排斥，在磁力转子122相对于定子121旋转时，形成磁力转子122和定子121之间的间隙，避免磁力转子122和所述定子121或与磁力轴承123直接的接触和直接摩擦，或者，至少可以减少磁力转子122与定子121或磁力轴承123之间的相互作用力，从而避免或减少旋转过程中的磨损和损坏，从而延长用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置的使用寿命。总之，本实施例中所述第一磁力和第二磁力的相互作用力，相当于为所述磁力转子122提供了相对于磁力轴承123及定子121的浮力。

在一些实施例中，所述磁力转子122和所述磁力轴承123可包括磁力相反的永磁铁；所述永磁铁可以永久磁力，从而使得所述磁力转子122和磁力轴承123通过相反的磁力，减小或抵消旋转过程中之间的摩擦力。

在一些实施例中，所述磁力转子122和所述磁力轴承123中的至少一个可为充电磁力结构，通过向磁力转子122和/或磁力轴承123中的一个通电，使其产生磁力，最终使得磁力转子122和磁力轴承123之间产生相互排斥的第一磁力和第二磁力。

在本实施例中所述磁力轴承123可包括三个部分，第一部分与所述磁力转子122相对作用，第二部分与所述定子121固定；第三部分位于所述第一部分和第二部分之间，可包括：滚珠等各种使得第一部分和第二部分相对运动的结构。在本实施例中所述磁力轴承123的至少部分结构能够产生磁力。

在本实施例中所述磁力转子122可包括转子轴1221，及与所述转子轴1221相连的转子本体，转子本体及转子轴1221的至少一部分可包括磁力体，该磁力体可用于产生第一磁力。

在本实施例中所述磁力轴承123可用于磁力转子122产生悬浮力，故在本实施例中所述磁力轴承123又可称之为磁悬浮轴承。该磁悬浮轴承，提供磁力转子122在x轴及y轴平面内的平动和转动，仅允许所述磁力转子122在y轴方向的旋转，和y轴方向上小距离平动。故磁力轴承123至少提供了4个自由度的限定，y轴方向上的转动和平动。这里的y轴可为平行与磁力转子122的轴，x轴垂直于y轴。

在本实施例中所述磁力转子122构成了所述旋转机构的内关节的组成部分；所述定子121构成了旋转机构的外关节。

本实施例中由于转子为磁力转子122、轴承为磁力轴承123，通过相互之间产生的互斥磁力，可以减少旋转过程中的摩擦力，即便卫星载荷放置面上卫星载荷出现了偏心也不会出现较大力度的摩擦，从而减少磨损。本实施例提供的用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置的稳定旋转的精度可达到0.005°/s。

所述用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置还包括：

磁力控制系统，与所述磁力轴承123和/或所述磁力转子122的至少其中之一连接，用于控制所述磁力轴承123和所述磁力转子122之间的磁力，从而提供抗径向偏转能力。

在本实施例中所述磁力控制系统，可包括向通电磁体提供电能的系统，通过控制电流大小等控制磁力轴承123和磁力转子122之间的磁力大小，从而可以在卫星载荷的质量偏心较大时，提供较大的互斥磁力，在质量偏心较小时，提供较小的互斥磁力，从而减少或杜绝磁力转子和磁力轴承123之间的直接摩擦或较大力量的直接摩擦。

在本实施例中所述磁力控制系统可包括：传感器，可以用于检测卫星载荷的磁力偏心，还可包括各种控制器，该控制器可以控制磁力轴承123和磁力转子122之间的磁力大小。

这里的径向可为垂直于所述磁力转子122的旋转轴的平面的方向。轴向为磁力转轴的旋转轴所在的平面的方向。

可选地，所述转子轴1221的端部设置有卡和结构1222，所述转子轴1221延伸到所述第二中空的端部，所述卡和结构1222的外径大于所述第二中空的孔径；

所述磁力转子122在所述第一磁力和所述第二磁力的作用下，沿轴向运动到预设距离之后，所述卡和结构1222与所述磁力轴承123相互作用从而阻止所述磁力转子122继续沿轴向运动。

在本实施例中所述卡和结构1222的外径大于孔径，卡和结构1222的外径就无法穿透所述第二中空的孔径，就可以阻止所述磁力转子122进一步脱离所述磁力轴承123，使得所述磁力转子122在轴向(即z轴)方向上脱离定子121超过预设距离；但是同时使得磁力转子122可以在z轴上一定距离内脱离定子121，从而定子121与磁力转子122之间产生间隙，从而不用在相对摩擦。

在本实施例中所述预设距离等于所述转子轴1221的长度与第二中空的深度之差。所述转子轴1221的长度大于所述第二中空的深度。所述卡和结构1222可为所述转子轴1221向外延伸的外檐。所述外径为所述转子轴1221的外檐的最小直径。所述转子轴1221可与所述转子本体可拆卸连接，方便所述磁力转子122的组装。当然在有些实施例中，所述卡和结构1222不局限于外径大于空间的外檐，还可包括卡勾等结构。

可选地，所述用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置，还包括：

锁紧机构150，一端固定在所述定子121上，另一端在锁紧状态下与所述磁力转子122固定；当处于非锁紧状态时，所述磁力转子122在所述第一磁力和所述第二磁力的作用下，沿轴向运动与所述定子121在轴向上分离。

在本实施例中所述锁紧机构150可包括：机械手或机械卡勾等结构，可以通过自身的活动，使得当前旋转机构处于锁紧状态和非锁紧状态。在锁紧状态下，所述磁力转子122与所述定子121之间相对静止，不能相对旋转；在非锁紧状态下，所述磁力转子122与所述定子121之间可相对旋转。

在本实施例中锁紧机构150的一端固定在定子121上，另一端可以自动活动，在锁紧状态下与所述磁力转子122固定，在非锁紧状态下松开所述磁力转子122。

可选地，所述转子轴1221设置在所述磁力转子122的中间位置，并与磁力转子122的旋转轴重合。

将所述转子轴1221设置在磁力转子122的中间位置，可以使得磁力转子122自身不出现旋转偏心的问题，减少旋转过程中的摩擦现象。

可选地，所述磁力转子122内设置有第三中空；在所述第三中空内设置有第一通信设备；所述定子121或所述卫星平台110内设置有第四中空；在所述第四中空内设置有第二通信设备；其中，所述第一通信设备能够与所述第二通信设备进行信息交互。

在本实施例中所述第一通信设备和所述第二通信设备交互的信息，可包括：控制旋转机构旋转的旋转指令，也包括检测旋转机构旋转状况的状况信息。在一些实施例中，所述第一通信设备和所述第二通信设备，交互的信息还可包括卫星平台采集的各种信息。

在本实施例中所述第一通信设备和第二通信设备可为有线通信设备，也可以为无线通信设备。有线通信设备通过电缆或光缆进行信息交互。所述无线通信设备通过无线信号进行信息交互。

优选地，所述第一通信设备和所述第二通信设备均为无线通信设备，所述第一通信设备和所述第二通信设备通过无线通信。这里的无线通信设备可为：蓝牙无线通信设备、wifi通信设备、红外通信设备、紫外通信设备或激光通信设备等。

在一些实施例中，所述转子轴1221为中空轴，所述第一通信设备和所述第二通信设备之间通过位于经过所述转子轴1221内部的导线连接。

所述中空轴包括：轴壁及位于轴壁内的中空。在本实施例中转子轴1221为中空轴，则转子轴1221内部有中空。在本实施例中第一通信设备和第二通信设备至少一个为有线通信设备时，连接两个通信设备的导线，可以经过转子轴1221内部的中空连接；故转子轴1221还为导线提供走线空间。

在一些实施例中，如图2所示，所述第三中空内还设置有第一供能设备；和/或，所述第四中空内还设置有第二供能设备；其中，所述第一供能设备和/或第二供能设备，用于向位于卫星载荷放置面130的卫星载荷进行供能。

在本实施例中所述第一供能设备及第二供能设备都可为供电设备，可以用于向各种耗电设备提供电能。所述第一供能设备和第二供能设备均可为蓄电池或能够将光能或风能等自然能转换为电能的能量转换设备，可以向各种耗电设备提供电能。

可选地，所述转子轴1221为中空轴；所述卫星载荷放置面130的表面设置有与所述转子轴1221连通的开口；所述第一供能设备和/或第二供能设备，通过经过所述转子轴1221内部及所述开口的导向为所述卫星载荷供能。

在一些情况下，所述第一供能设备及所述第二供能设备的至少其中之一，还可以用于向驱动机构提供驱动原力等。

在一些实施例中所述卫星平台110可为卫星平台。

可选地，所述卫星载荷包括数据处理设备。所述数据处理设备用于处理卫星载荷的数据和/或图像和/或视频信息。当然在具体实现时，所述采集设备不局限于此。

如图3所示，本发明实施例还提供一种用于卫星载荷稳定旋转的磁悬浮支撑装置的测试方法，包括：

步骤s1：锁紧机构解除锁紧；

步骤s2：锁紧机构解除锁紧后，旋转机构从锁紧状态切换到磁力轴承支撑状态；

步骤s3：磁力控制系统控制磁力轴承及磁力转子之间的磁力作用，使得所述磁力转轴在轴向卫星载荷放置面方向运动，使得磁力转子与定子及磁力轴承相互分离；

步骤s4：在所述磁力转子与定子及磁力轴承分离之后，向磁力转子提供驱动力，驱动所述磁力转子相对于定子转动；

步骤s5：检测所述磁力转子相对于定子转动中的旋转状况，获得测试结果参数。

在一些实施例中，如4图所示，所述方法还包括：

步骤s6：根据所述测试结果参数，校准所述磁力控制系统的控制参数和/或调整所述磁力轴承和所述磁力转子；该控制参数为预先设置用于控制所述磁力转子和磁力轴承之间相互作用的参数。

步骤s7：测试结束，通过磁力控制系统逐步接触所述磁力轴承和所述磁力转子之间的磁力作用，使得所述磁力转子按照预设速度缓慢转换从旋转状态为所述磁力轴承的支撑状态，以避免所述磁力转子突然下降到磁力轴承上导致的相互膨胀和摩擦导致的损坏问题。

以下结合上述任意实施例提供一个具体示例：

在本示例中旋转机构采用混合磁悬浮方案，实现对旋转机构5个自由度的磁约束和一个自由度的电机驱动的旋转机构设计。即利用转子的永磁体被动稳定和永磁偏置电磁主动控制实现对旋转机构的5个自由度的磁悬浮约束，对旋转轴的径向平动进行主动控制、对轴向平动和径向偏转进行被动稳定。该旋转机构有以下特点：

在旋转机构的外缘增加独立的永磁被动轴向磁轴承，从而增加磁力转子的抗径向偏转能力，使系统相对简单可靠；

加装了径向的磁力控制系统，可实现对磁悬浮机构轴位置的精确控制，提高了磁悬浮的转子机构刚度；

许在轴向存在小量的平动位移量，可适应本示例的在轨磁悬浮与地面机械轴承支撑的转换设计需求。

本旋转机构的具体结构可如下：

磁力转子包括转子轴，转子轴成旋转机构的内关节。内关节延伸至与有效载荷的卫星载荷放置面连接，同时内关节的内部空间及结构应能够适应无线数据传输的通信设备及无线能量传输的供能设备的安装布局及空间要求。

定子，形成旋转机构的外关节，外关节与卫星平台连接，同时在外关节上安装相应的无线数据传输的通信设备及无线能量传输的供能设备。

在旋转机构的一个端面，将内关节相应与卫星载荷放置面对接；对接时采用的对接结构是卫星发射阶段卫星平台与有效载荷的卫星载荷放置面的连接结构，同时也作为卫星发射阶段旋转机构上端面的约束结构。

在旋转机构的另一个端面，同样设计有发射阶段旋转机构的约束机构。另外还设置一组以磁力轴承为主要承力部件的轴承支撑机构，用于旋转机构在地面测试阶段的运动测试，能够适应在地面重力影响下的有效载荷的旋转运动测试要求。

对于地面力学测试状态，利用旋转机构的锁紧机构将旋转机构锁紧，与卫星发射状态的旋转机构锁紧状态一致。

在本示例中，采取将旋转机构锁紧机构与卫星平台和卫星载荷放置面的连接结构和锁紧机构进行一体化设计的方案，设计特点如下：

设计旋转机构的上端面的内外檐结构，承担有效载荷与卫星平台之间的直接受力传递，并形成对旋转机构上端面的相对运动及转动的约束；

在旋转机构的下端面的内、外关节端面设计有相对运动约束机构，实现对旋转机构的下端面的相对运动约束。

为了同时满足旋转机构的大承载力锁紧和缓慢无冲击释放的特殊要求，将旋转机构的锁紧机构和同步释放机构分开进行设计，设计特点如下：

位于旋转机构上端面的内外缘结构及锁紧机构只承担大承载力的锁紧及锁紧力解除功能，与之配套的释放机构只承担无冲击的同步缓慢释放功能。通过步进电机、连杆机构等部件的驱动，分步实现大承载锁紧力的解除、以及缓慢无冲击释放。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。