专利名称：适用于南极天文望远镜的永磁悬浮支承轴系结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于南极地平式天文望远镜主轴磁悬浮支承结构。地平式望远镜主轴通常指望远镜的方位轴和高度轴，如图1所示。方位轴5垂直指向天顶，整个望远镜绕方位轴5旋转。望远镜镜筒1通过高度轴2支承在叉臂3上，镜筒绕高度轴旋转。高度轴与方位轴垂直正交，通过方位轴和高度轴的旋转就能实现望远镜对天上星体的跟踪观测。天文望远镜上主轴常用的支承轴承有机械轴承和液体静压轴承，当被支承负载较大时，机械轴承的静摩擦力矩和动摩擦力矩相差较大，由此导致被支承轴的爬行临界速度变大。而天文望远镜的运行速度非常低。当临界爬行速度大于望远镜所需的跟踪运行速度时，被支承轴就会出现“爬行”现象，影响望远镜的跟踪精度和观测能力。而液体静压轴承的摩擦系数只有机械轴承的十分之一，可大大降低轴系的临界爬行速度，使得望远镜能够工作在低速、超低速状态。另一方面，机械轴承的直径受到加工机床的限制，而液体静压轴承的直径可以做的很大，所以，中、大型望远镜主轴常用液体静压轴承支承。南极科考的数据表明南极地区大气稀薄、寒冷、干燥、尘埃少，而且风速小、大气湍流少、视宁度好，更重要的是在南极地区能够进行长达数月的连续天文观测(极夜)，且环境光污染少。这些特点使得南极的天文观察条件是地球上其他地方无法比拟的。所以，国际上天文界都在大力发展南极天文，我国也在南极的Dome A开始了相关的天文研究。但南极的最低温度达到-89° C，在这样的超低温条件下，望远镜上常用的液体静压轴承无法工作，因为，目前还没有适用于这样低温的液压油。机械轴承的使用也有困难，因为南极的地理纬度较高，望远镜的跟踪速度非常低，有的观测天区跟踪速度只有0. 5 " /s,在这样极低运行速度下，再加上轴承和润滑油脂受到超低温的影响，使得轴承在望远镜重量作用下，极易出现“爬行”现象，影响了望远镜的跟踪性能和限制了望远镜跟踪精度的进一步提高。为了解决以上的问题，本发明专利提出了一种适用于南极望远镜的轴系支承结构。即承重的轴承(如图1中方位轴的轴向轴承和高度轴的径向轴承)采用永磁斥力悬浮支承，动圈和定圈之间不接触，有2毫米左右的间隙，这样就不会存在因动、静摩擦力矩引起的低速爬行现象，而且也不需要润滑，避免了因润滑脂带来的问题。不承重只起定位作用的轴承(如图1中方位轴的径向轴承和高度轴的轴向轴承)，因为负载很小，不会有低速“爬行” 问题，所以，选用低膨胀系数、耐低温、自润滑的氮化硅陶瓷轴承。
背景技术：
由于南极特殊的环境，使得它成为地球上公认的最佳天文观测场所。美国、欧洲、 澳大利亚、日本等国家先后在南极安装了天文观测设备，如意大利为主的0.8米口径的 IRAIT红外望远镜、日本0. 4米口径的AIRT40光学/红外望远镜等。我国也于2008年在南极Dome A成功安装了我国研制的首台南极光学望远镜CSTAR，CSTAR是由4台0. 145米口径的大视场望远镜装在同一个机架上构成的小望远镜阵，主要进行变星监测及统计分析，寻找系外行星、超新星等天文观察。为了避免超低温引起的问题和降低CSTAR项目的风险， CSTAR望远镜的轴系是静止不动的。其余现有的南极望远镜主轴都采用机械轴承支承。但为了能使望远镜转动，对主轴的支承轴承采取了以下的措施
①.对支承轴承采用超低温润滑脂润滑，如意大利Solvay Solexis公司的!^mblinO zlht润滑脂，这种润滑脂价格昂贵，每公斤价格在4万元人民币左右。且在低速运转情况下，润滑效果不是很好。②.对所有的转动部件，如轴承、驱动齿轮、电机等，用20°C左右的热空气加温，热空气从控制室内用管道输送。以上两种方法是目前南极望远镜针对超低温的工作环境，对支承轴承所采用的主要措施。这些措施在望远镜成本、南极能源供应、大型望远镜发展上都受到制约。根据南极科考的数据，南极是地球上最佳的天文观测地点。目前世界上已有多个国家在南极安装了小型天文观测设备，如意大利为主的0. 8米口径的IRAIT红外望远镜、日本0.4米口径的AIRT40光学/红外望远镜等。我国也于2008年在南极Dome A安装了口径0. 145米的CSTAR望远镜阵。由于南极的环境温度极低，对传统天文望远镜主轴支承轴承(机械轴承、液体静压轴承)提出了严重的挑战。上述现有技术没有解决的技术问题有
① 机械轴承在使用过程中，需要润滑脂润滑。而南极的温度最低达到零下89°， 目前只有少数润滑脂能够使用在如此低的温度环境，如意大利Solvay Solexis公司的 !^mblinfelht润滑脂。但这些特殊润滑脂价格都非常昂贵。而且，在低速运行和超低温双重要求时，润滑性能不是很好。② 机械轴承在南极超低温的环境下，润滑脂的润滑性能和机械轴承尺寸受到影响，且机械轴承的摩擦系数相对较大(与静压轴承相比)，使得轴承在望远镜自身重量的作用下，动摩擦力矩和静摩擦力矩的差值较大，致使望远镜能够平稳运行的临界速度变大，即不发生低速“爬行”的临界速度变大。而由于南极地理纬度较高(80° 22' S)，望远镜的运行速度非常低，有的观测天区跟踪速度只有0. 5" /s,当望远镜要求的运行速度接近或低于支承轴承不发生“爬行”现象的临界速度时，被支承轴在运行时，将会发生“爬行” 现象，从而影响了望远镜的跟踪精度。同时这一问题也限制了南极望远镜口径的进一步增大，因为望远镜口径越大，则轴承上承担的重量越重，重量越重，轴承的摩擦力矩就越大，进而动摩擦力矩和静摩擦力矩的差值就越大，低速“爬行”的临界速度就越高，不利于望远镜的低速运行。③为了解决以上低温引起的轴承问题，目前，南极现有望远镜上通常采用的方法是从控制房间内，通过隔热管道向望远镜的支承轴承输送20°c的热空气。在南极能源供应非常困难的情况下，这种方法不是一个好方法。而且，这种方法对于目前的小型望远镜可能还适用，但随着望远镜口径的增大，单纯靠这种方法根本无法解决问题。液体静压轴承的摩擦系数约为机械轴承的十分之一，可大大降低“爬行”的临界速度。但目前还没有能够工作在-89°的液压油。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种适用于南极天文望远镜的永磁悬浮支承轴系结构。该结构采用永磁斥力悬浮支承，动圈和定圈之间不接触，有2毫米左右的间隙，这样就不会存在因动、静摩擦力矩引起的低速“爬行”现象，而且也不需要润滑， 避免了因润滑脂带来的问题。不承重只起定位作用的轴承(如图1中方位轴的径向轴承和高度轴的轴向轴承)，因为负载很小，不会有低速“爬行”问题，所以，选用低膨胀系数、耐低温、自润滑的氮化硅陶瓷轴承。完成上述发明任务的技术方案是，一种适用于南极天文望远镜的永磁悬浮支承轴系结构，天文望远镜的高度轴支承望远镜的整个镜筒，该高度轴上设置有高度轴的径向承重轴承与高度轴的轴向定位轴承；天文望远镜的方位转盘通过弹性连接板固联于中心定位轴上，该方位转盘、弹性连接板与中心定位轴连成一整体，组成方位轴系的转子；方位转盘上通过叉臂安放望远镜的高度轴及其支承的镜筒；驱动电机驱动方位轴系转子，从而驱动整个望远镜实现方位旋转；方位轴的支承轴系结构设置在所述的方位轴系的转子与望远镜机座之间，其特征在于，
所述高度轴的径向承重轴承采用永磁磁悬浮支承，该径向承重轴承的永磁磁悬浮支承由轴承动圈和固定磁板组成，轴承动圈是由若干块法向充磁的磁瓦拼接而成，通过螺钉固定在高度轴颈的外圈，与高度轴颈一起形成转子；固定磁板通过螺钉固定在轴承座上；该轴承动圈与固定磁板间的永磁斥力平衡望远镜镜筒的重量；所述高度轴的轴向定位轴承采用氮化硅陶瓷轴承定位；
所述方位轴的支承轴系结构由非承重定位轴承与承重的定位轴承组成，所述的非承重定位轴承采用低膨胀系数、耐低温、自润滑的氮化硅陶瓷轴承支承；所述承重的定位轴承采用永磁轴向轴承支承，该永磁轴向轴承由动磁圈与定磁圈组成，该动磁圈通过螺钉固定于方位转盘的底面；该定磁圈通过螺钉固定在底座的上表面；由所述动磁圈与定磁圈之间产生的永磁斥力平衡望远镜的重量。换言之，本发明的方位轴系支承结构如图2所示，方位转盘4通过弹性连接板6固联于中心定位轴7上，这三者连成一整体组成方位轴系的转子。方位转盘4上通过叉臂3 安放望远镜的高度轴及其支承的镜筒。驱动电机14驱动方位轴系转子，从而驱动整个望远镜实现方位旋转。整个望远镜的重量沿图2中坐标系的Y轴，作用在方位轴系转子上，由方位转盘下面的永磁轴向轴承支承。永磁轴向轴承由动磁圈(动圈)9和定磁圈(定圈)10组成，动磁圈 9通过螺钉固定于方位转盘4的底面，定磁圈10通过螺钉固定在底座11的上表面。由动磁圈与定磁圈之间产生的永磁斥力平衡望远镜的重量。动磁圈与定磁圈之间的距离可根据望远镜的重量进行计算设定，一般在2毫米左右。这一间隙可通过底座11下面的调整垫铁12 进行调整。调整的目的有两个一是在望远镜安装过程中，望远镜的部件是一个一个往上集成的，即开始的时候重量小，越来越重。因此，要求永磁轴向轴承的支承力也是从小变大的， 这一要求可通过调整垫铁调整动磁圈与定磁圈之间的间隙来实现；二是望远镜在使用过程中，重量也可能会有少量变化，这时也可通过调整垫铁改变间隙的大小，以达到改变永磁斥力的目的。图3和图4分别是永磁轴向轴承定圈和动圈的结构图。考虑到目前充磁机的尺寸，整圈充磁比较困难，因此，定圈和动圈都由小尺寸法向充磁的磁瓦15、17拼接而成。拼接工作需要通过专用工具完成，因为每小块之间都有较强的排斥磁力。拼接完后，用沉头螺钉16、18将每块磁瓦固定在底座11或方位转盘4上。与传统用胶固定磁瓦相比，此处用螺钉固定，有利于以后的更换、维护。高度轴支承望远镜的整个镜筒(如图1所示)，图6-1、6_2是镜筒一边的支承结构。 与方位轴相反，高度轴在径向(图6-1、6-2中Y方向)是承担镜筒重量的，而在轴向(图6-1、 6-2中X方向)只是起定位作用。因此，径向承重采用永磁磁悬浮支承，轴向定位采用氮化硅陶瓷轴承定位。径向承重轴承由轴承动圈21和固定磁板23组成，轴承动圈是由若干块法向充磁的磁瓦拼接而成，通过螺钉22固定在高度轴颈20的外圈，与高度轴颈一起形成转子。固定磁板23通过螺钉固定在轴承座M上。轴承动圈与固定磁板间的永磁斥力平衡望远镜镜筒
的重量。本发明在承重方向采用永磁斥力支承，非承重定位采用低膨胀系数、耐低温、自润滑的氮化硅陶瓷轴承支承。通过这套支承结构，解决了南极望远镜机械轴承润滑问题、热胀冷缩问题、重载下低速爬行问题以及液体静压轴承无法使用的问题。为南极望远镜向高精度跟踪和大口径发展创造了条件。
图1为望远镜主轴示意图，图中镜筒1，高度轴2，叉臂3，方位转盘4，方位轴5 ； 图2为方位轴支承结构图，图中方位转盘4，弹性连接板6，定位轴7，定位陶瓷轴承8，
叉臂3，轴向轴承动圈9，轴向轴承定圈10，底座11，调整垫铁12，定位轴承座13，驱动电机 14；
图3为定圈结构图，图中底座11，永磁磁瓦15，固定螺钉16 ； 图4为动圈结构图，图中方位转盘4，永磁磁瓦17，固定螺钉18 ； 图5为动圈和定圈磁瓦对应图，图中动圈磁瓦17，定圈磁瓦15 ； 图6-1、图6-2分别为高度轴支承结构图，图中望远镜镜筒1，轴向定位陶瓷轴承19， 高度轴20，径向轴承动圈21，动圈固定螺钉22，径向轴承定板23，轴承座M，叉臂3。
具体实施例方式实施例1，适用于南极天文望远镜的永磁悬浮支承轴系结构，参照图2 方位转盘4 通过弹性连接板6固联于中心定位轴7上，该方位转盘4、弹性连接板6与中心定位轴7连成一整体，组成方位轴系的转子；方位转盘4上通过叉臂3安放望远镜的高度轴及其支承的镜筒；驱动电机14驱动方位轴系转子，从而驱动整个望远镜实现方位旋转；所述的磁悬浮支承轴系结构设置在所述的方位轴系的转子与望远镜底座11之间。非承重定位轴承采用低膨胀系数、耐低温、自润滑的氮化硅陶瓷轴承8支承。承重的定位轴承采用永磁轴向轴承支承，该永磁轴向轴承由动磁圈(动圈)9和定磁圈(定圈)10组成，动圈通过螺钉固定于方位转盘4的底面；定圈通过螺钉固定在底座11的上表面；由动圈9和定圈10之间产生的永磁斥力平衡望远镜的重量。通过调整垫铁12，可以调整轴承动圈9和定圈10之间的间隙。为了保证在运行过程中，磁斥力的波动量尽量小，动圈磁瓦的接缝与定圈磁瓦的接缝不能相同，应错开一定的角度，例如，错开45度，不能相互平行。如图5所示。方位轴系除了轴向支承外，还需要径向中心定位，如图2所示。径向中心定位轴承考虑如下径向(图2中X方向)与望远镜重力方向(图2中Y方向)垂直，所以望远镜自身重量在径向没有作用力。径向的作用力主要来自于外界的风载，而据南极科考的资料表明， 我国南极Dome A的平均风速才2米/秒，由此产生的风载比较小。即使用机械轴承，也不会产生低速“爬行”问题。但要选择摩擦系数较小的机械轴承。南极的温差比较大，轴承的热变形越小越好，即轴承材料的热膨胀系数要比较小。不需要使用润滑脂润滑，即所谓的自润滑轴承。根据以上的分析，氮化硅陶瓷轴承能够满足以上的要求。氮化硅陶瓷轴承摩擦系数小于轴承钢30%，热膨胀系数小于轴承钢20%，硬度是轴承钢的1倍，抗压是轴承钢的5-7倍。高度轴支承结构
高度轴支承望远镜的整个镜筒(如图1所示)，图6是镜筒一边的支承结构。与方位轴相反，高度轴在径向(图6-1、6-2中Y方向)是承担镜筒重量的，而在轴向(图6-1、6-2中X 方向)只是起定位作用。因此，径向承重采用永磁磁悬浮支承，轴向定位采用氮化硅陶瓷轴承定位。径向承重轴承由轴承动圈21和固定磁板23组成，轴承动圈是由若干块法向充磁的磁瓦拼接而成，通过螺钉22固定在高度轴颈20的外圈，与高度轴颈一起形成转子。固定磁板23通过螺钉固定在轴承座M上。轴承动圈与固定磁板间的永磁斥力平衡望远镜镜筒的重量。由于叉臂3上的空间有限，此处没有加轴承动圈和固定磁板间隙的调整机构。不过，两者之间的间隙可通过磨削垫片厚度的方法进行调整。为了保证高度轴运行的平稳性， 径向轴承永磁定板的长度至少应大于两个动圈磁瓦的宽度。轴向定位采用低膨胀系数、耐低温、自润滑的氮化硅陶瓷轴承的分析与方位轴支承相同，不再螯述。
权利要求
1.一种适用于南极天文望远镜的永磁悬浮支承轴系结构，天文望远镜的高度轴支承望远镜的整个镜筒，该高度轴上设置有高度轴的径向承重轴承与高度轴的轴向定位轴承；天文望远镜的位转盘通过弹性连接板固联于中心定位轴上，该方位转盘、弹性连接板与中心定位轴连成一整体，组成方位轴系的转子；方位转盘上通过叉臂安放望远镜的高度轴及其支承的镜筒；驱动电机驱动方位轴系转子，从而驱动整个望远镜实现方位旋转；方位轴的支承轴系结构设置在所述的方位轴系的转子与望远镜机座之间，其特征在于，所述高度轴的径向承重轴承采用永磁磁悬浮支承，该径向承重轴承的永磁磁悬浮支承由轴承动圈和固定磁板组成，轴承动圈是由若干块法向充磁的磁瓦拼接而成，通过螺钉固定在高度轴颈的外圈，与高度轴颈一起形成转子；固定磁板通过螺钉固定在轴承座上；该轴承动圈与固定磁板间的永磁斥力平衡望远镜镜筒的重量；所述高度轴的轴向定位轴承采用氮化硅陶瓷轴承定位；所述方位轴的支承轴系结构由非承重定位轴承与承重的定位轴承组成，所述的非承重定位轴承采用低膨胀系数、耐低温、自润滑的氮化硅陶瓷轴承支承；所述承重的定位轴承采用永磁轴向轴承支承，该永磁轴向轴承由动磁圈与定磁圈组成，该动磁圈通过螺钉固定于方位转盘的底面；该定磁圈通过螺钉固定在底座的上表面；由所述动磁圈与定磁圈之间产生的永磁斥力平衡望远镜的重量。
2.根据权利要求1所述的适用于南极天文望远镜的永磁悬浮支承轴系结构，其特征在于，所述永磁轴向轴承的动圈和定圈是由若干法向充磁的小磁瓦拼接而成的。
3.根据权利要求2所述的适用于南极天文望远镜的永磁悬浮支承轴系结构，其特征在于，所述永磁轴向轴承动磁圈与定磁圈的小磁瓦的拼接接缝彼此错开一定的角度。
4.根据权利要求1或2或3所述的适用于南极天文望远镜的永磁悬浮支承轴系结构， 其特征在于，所述永磁轴向轴承的动磁圈与定磁圈之间的间隙约2毫米。
5.根据权利要求4所述的适用于南极天文望远镜的永磁悬浮支承轴系结构，其特征在于，在所述的望远镜底座下面设有调整垫铁。
6.根据权利要求4所述的适用于适用于南极天文望远镜的永磁悬浮支承轴系结构，其特征在于，所述径向轴承定磁板的长度至少大于两个动磁圈小磁瓦的宽度。
全文摘要
适用于南极天文望远镜的永磁悬浮支承轴系结构，高度轴上设置有径向承重轴承与轴向定位轴承；方位轴的支承轴系结构设置在方位轴系的转子与望远镜机座之间，特征是高度轴的径向承重轴承采用永磁磁悬浮支承，轴承动圈与固定磁板间的永磁斥力平衡望远镜镜筒的重量；高度轴的轴向定位轴承采用氮化硅陶瓷轴承定位；方位轴的非承重定位轴承采用氮化硅陶瓷轴承支承；方位轴的承重定位轴承采用永磁轴向轴承支承，永磁轴向轴承动磁圈与定磁圈之间产生的永磁斥力平衡望远镜的重量。本发明解决了南极望远镜机械轴承润滑问题、热胀冷缩问题、重载下低速爬行问题及液体静压轴承无法使用的问题。为南极望远镜向高精度跟踪和大口径发展创造了条件。
文档编号F16C32/04GK102162910SQ201110097930
公开日2011年8月24日 申请日期2011年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者刘亮, 王国民 申请人:中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所