专利名称：磁悬浮万向动量球装置及其实现方法
技术领域：
本发明涉及航天器或机器人姿态控制的角动量交换技术，尤其涉及一种磁悬浮万向动量球装置及其实现方法。
背景技术：
航天器在飞行过程中受到各种干扰力矩作用，导致航天器姿态发生变化，必须进行姿态控制。其中常用的一类为角动量交换系统，包括“单自由度系统”和“多自由度系统”。“单自由系统”每个自由度仅能调节一个方向的姿态，如动量轮，为保证三个自由度可调，需至少安装三个动量轮。同时考虑到系统冗余还需增加额外的飞轮，导致系统重量、体积和功耗增加。“多自由度系统”则由单一部件进行多个方向的角动量调节，但现有的方法和装置能力存在明显不足，仅能进行小角度的偏转轴调整。如1988年美国Downer James R在专利中发明的磁悬浮动量轮，通过将驱动电机和控制电机均设计为球冠形内定子和球外形外转子结构，控制电机通过对定子上控制线圈的选择性激励，与转子上的永磁磁铁相互作用，实现对转子转向的控制，但仅能实现最大10° 20°的偏转，角动量调节、控制能力有限。而理想的“多自由度系统”可实现360°调节。现有的“多自由度系统”大多采用主轴可偏转动量轮方法，实现一定角度范围的角动量控制。但存在如下缺点I、采用动量飞轮作为旋转结构，转动惯量方向单一；2、虽然部分多自由度系统可在一定范围内偏转，但偏转角度太小，无法实现任意方向偏转；3、采用接触式的电机动力装置，使得存在摩擦力，不仅降低效率、还增加了累积误差。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提出一种磁悬浮万向动量球装置及其实现方法，可实现任意方向旋转。为了解决上述问题，本发明提供一种磁悬浮万向动量球装置，包括动量球、位置控制电磁系统、旋转控制电磁系统、球体状态检测系统和中央控制系统，其中，所述动量球用于旋转，由软磁材料制成；所述位置控制电磁系统，位于所述动量球的外部，用于对所述动量球产生任意方向的磁力，使其不与任何部件接触、实现稳定悬浮；所述旋转控制电磁系统，位于所述动量球的外部，用于对所述动量球产生可朝任意方向旋转的转动力矩，实现对球体的非接触转动控制；所述球体状态检测系统，用于检测所述动量球的运行状态；所述中央控制系统与所述位置控制电磁系统、旋转控制电磁系统和球体状态检测系统相连，用于对所述位置控制电磁系统、旋转控制电磁系统和球体状态检测系统进行控制，并接收所述球体状态检测系统检测到的动量球的运行状态数据。优选地，上述磁悬浮万向动量球装置还具有以下特点所述位置控制电磁系统包括4个以上的U型磁体，所述U型磁体由软磁材料制成，在所述U型磁体上设置有绕制的线圈，通过控制所述线圈通过的电流，使所述动量球不与任何部件接触、实现稳定悬浮。优选地，上述磁悬浮万向动量球装置还具有以下特点所述位置控制电磁系统包括6个U型磁体，每2个组成一对、3对相互垂直排列于动量球外部。优选地，上述磁悬浮万向动量球装置还具有以下特点所述位置控制电磁系统包括4个U型磁体,等间距分布于所述动量球周围。优选地，上述磁悬浮万向动量球装置还具有以下特点所述旋转控制电磁系统包括4个以上的极靴磁体，所述极靴磁体由软磁材料制成，在所述极靴磁体上设置有绕制的线圈，通过控制所述线圈通过的电流，实现对球体的非接触转动控制。优选地，上述磁悬浮万向动量球装置还具有以下特点所述旋转控制电磁系统包括6个极靴磁体，每2个组成一对、3对相互垂直排列于动量球外部，并与所述位置控制电磁系统的U型磁体均匀隔开。优选地，上述磁悬浮万向动量球装置还具有以下特点所述旋转控制电磁系统包括4个极靴磁体，等间距分布于所述动量球周围，并与所述位置控制电磁系统的U型磁体均匀隔开。优选地，上述磁悬浮万向动量球装置还具有以下特点所述动量球的运行状态包括所述动量球所在的空间位置和转动的方向与转速。为了解决上述问题，本发明还提供一种磁悬浮万向动量球装置的实现方法，包括 中央控制系统获知每一时刻动量球所需改变的角动量，根据所述动量球当前的转动状态，计算出每一时刻旋转控制电磁系统的每个极靴磁体上线圈的电流，通过控制电流对所述动量球对转速状态进行控制；中央控制系统从球体状态检测系统获知所述动量球当前的位置信息，计算出每一时刻位置控制电磁系统的每一个U型磁体上线圈的电流，通过控制电流对所述动量球的位置状态进行控制。通过本发明可实现零摩擦、零阻力、精确可控的万向磁悬浮动量球，本发明具有如下优点I、采用动量球代替动量轮,可实现任意方向旋转；2、通过旋转磁场产生使球体旋转的磁力，实现无接触式、无阻力、精确转动控制；3、通过磁力实现球体磁悬浮，彻底消除摩擦力。
图1是本发明实施例的单个U型磁体示意图2是本发明实施例的位置控制电磁系统的6个U型磁体分布图；图3是本发明实施例的单个极靴磁体示意图；图4 是本发明实施例的一对极靴磁体示意图；图5是本发明实施例的XY平面极靴磁体示意图；图6是本发明实施例的六点驱动磁体分布示意图；图7是本发明实施例的六点驱动的位置与转动控制电磁系统的磁体分布示意图；图8是本发明实施例的四点驱动电磁系统磁体分布示意图；图9是本发明实施例的四点驱动的位置与转动控制电磁系统的磁体分布示意图。
具体实施例方式下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。本发明主要设计思路为以磁性球体作为角动量的存储载体，通过控制球体的旋转速度和自旋轴指向，实现对角动量大小和方向的控制，从而只需一个球体便可代替三个动量飞轮，实现航天器三个轴的姿态控制；通过若干个绕有线圈的软磁磁体产生磁场，利用磁场与软磁球体的磁力，控制磁性球体位置、实现磁悬浮；通过若干个绕有线圈的软磁磁体、按照一定的工作方式产生旋转磁场，通过旋转磁场与磁性球体的相互作用产生旋转力矩、控制球体的转速。本发明中将涉及到的基本技术原理包括如下几点I、软磁磁体(软磁合金或其他软磁材料制成)，被通电线圈磁化后将产生较强的磁场；2、不同的软磁磁体具有不同的磁路。本发明中主要涉及以下两种软磁磁体U型磁体具有较好的磁闭合回路、能产生较大磁吸力、用于控制动量球(软磁磁性材料制成)保持稳定悬浮；极靴磁体用于产生旋转磁场、控制动量球的转速。3、当磁性材料被磁化后，将产生一个磁感应强度为B的磁场和大小为F的磁力，与线圈匝数N、电流大小I、间隙d、截面积A的关系可近似描述为(Ic1为比例系数)
I2..I-=^1N2A- I I )
1 dr4、当磁性球体在旋转磁场中将受到一个转动力矩M,与磁性球体转速《球体、旋转磁场转速《 、磁场磁感应强度B的关系可近似描述为(k2为比例系数)M=k2B (w 麵—o 球体)(2)本发明提出一种磁悬浮万向动量球系统，包括动量球、位置控制电磁系统、旋转控制电磁系统、球体状态检测系统和中央控制系统，其中，所述动量球用于旋转，由软磁材料制成，如纯铁；在制作时需保证球体具有圆度的精确性和密度的均匀性；所述位置控制电磁系统，位于所述动量球的外部，用于对所述动量球产生任意方向的磁力，使其不与任何部件接触、实现稳定悬浮；所述旋转控制电磁系统，位于所述动量球的外部，用于对所述动量球产生可朝任意方向旋转的转动力矩，实现对球体的非接触转动控制；
所述球体状态检测系统，用于检测所述动量球的运行状态，包括球体所在的空间位置和转动的方向与转速；所述中央控制系统与所述位置控制电磁系统、旋转控制电磁系统和球体状态检测系统相连，用于对所述位置控制电磁系统、旋转控制电磁系统和球体状态检测系统进行控制，并接收所述球体状态检测系统检测到的动量球的运行状态数据。其中，位置控制电磁系统包括4个以上的U型磁体，所述U型磁体由软磁材料制成，在所述U型磁体上设置有绕制的线圈，通过控制所述线圈通过的电流，使所述动量球不与任何部件接触、实现稳定悬浮。优选地，所述位置控制电磁系统可包括6个U型磁体，每2个组成一对、3对相互垂直排列于动量球外部；也可包括4个U型磁体,等间距分布于所述动量球周围。旋转控制电磁系统包括3个以上的极靴磁体，所述极靴磁体由软磁材料制成，在所述极靴磁体上设置有绕制的线圈，通过控制所述线圈通过的电流，实现对球体的非接触 转动控制。优选地，所述旋转控制电磁系统可包括6个极靴磁体，构成六点驱动模式，每2个组成一对、3对相互垂直排列于动量球外部，并与所述位置控制电磁系统的U型磁体均匀隔开；也可包括4个极靴磁体，构成四点驱动模式，等间距分布于所述动量球周围，并与所述位置控制电磁系统的U型磁体均匀隔开。下面对本发明进行详细说明单个U型磁体对磁性球体的受力如图I所示，当磁体上线圈施以电流i时,其U型磁体两个磁极对球体将分别产生磁吸力F'，若磁极与对称线的夹角为0，则单个U型磁体对球体的磁吸力为F=2F' cos 0。为实现球体在三维空间中的悬浮控制，需要位置控制电磁系统能产生空间中任意方向的电磁力。为此，可以在以球心为原点的空间坐标系X、Y、Z三轴上，在每个轴两端分别对称设置2个U型磁体,如图2所示。当需要对球体产生X轴正方向的磁力时，对位于X轴正方向的U型磁体施加电流，施加电流的大小由公式(I)确定，即当所需推力为G+时，电流大小为/；=(3)
x ]j JclN2A当需要X轴负方向的磁力时，施加电流I- = Jfxd(4)
x ^klN2AY、Z轴上的磁力施加方法同理。当需要对球体施加三维空间任意矢量方向磁力^时，由矢量原理，若X、Y、Z轴的单
位矢量为)、)、I，可将F表示为P = FJ +Fyj + Fzk ,其中Fx、Fy、Fz为沿X、Y、Z轴三个方
向的磁力分量。并由分量磁力的方向和大小分别对电流C、I:、I;、!;、I:、C进行控制。由此便可产生空间任意方向的磁力，从而实现对磁悬浮球体的精确磁悬浮控制。单个极靴磁体的示意图如图3所示，极靴磁体的好处是能够产生面积更大的均匀磁场，使得球体能均匀磁化产生较大的均匀磁力矩。
当一对极靴磁体位于球体时的剖面图如图4所示。当需要产生如图垂直向下的磁场B时，分别在上下极靴磁体上施加大小相同、方向如图所示的电流，这样能使得上下极靴磁体产生的磁场方向相同、大小相等，同时方向可叠加；但产生的磁吸力却大小相等、方向相反、相互抵消，理想情况下不对位置控制电磁系统产生磁力干扰；电流大小由公式(2)确定，由于是两个磁体叠加，因此当所需产生的电磁转动力矩为M时，所需产生的磁场为
权利要求
1.一种磁悬浮万向动量球装置，其特征在于，包括动量球、位置控制电磁系统、旋转控制电磁系统、球体状态检测系统和中央控制系统，其中， 所述动量球用于旋转，由软磁材料制成； 所述位置控制电磁系统，位于所述动量球的外部，用于对所述动量球产生任意方向的磁力，使其不与任何部件接触、实现稳定悬浮； 所述旋转控制电磁系统，位于所述动量球的外部，用于对所述动量球产生可朝任意方向旋转的转动力矩，实现对球体的非接触转动控制； 所述球体状态检测系统，用于检测所述动量球的运行状态； 所述中央控制系统与所述位置控制电磁系统、旋转控制电磁系统和球体状态检测系统相连，用于对所述位置控制电磁系统、旋转控制电磁系统和球体状态检测系统进行控制，并接收所述球体状态检测系统检测到的动量球的运行状态数据。
2.如权利要求I所述的磁悬浮万向动量球装置，其特征在于， 所述位置控制电磁系统包括4个以上的U型磁体，所述U型磁体由软磁材料制成，在所述U型磁体上设置有绕制的线圈，通过控制所述线圈通过的电流，使所述动量球不与任何部件接触、实现稳定悬浮。
3.如权利要求2所述的磁悬浮万向动量球装置，其特征在于， 所述位置控制电磁系统包括6个U型磁体，每2个组成一对、3对相互垂直排列于动量球外部。
4.如权利要求2所述的磁悬浮万向动量球装置，其特征在于， 所述位置控制电磁系统包括4个U型磁体，等间距分布于所述动量球周围。
5.如权利要求2所述的磁悬浮万向动量球装置，其特征在于， 所述旋转控制电磁系统包括4个以上的极靴磁体，所述极靴磁体由软磁材料制成，在所述极靴磁体上设置有绕制的线圈，通过控制所述线圈通过的电流，实现对球体的非接触转动控制。
6.如权利要求5所述的磁悬浮万向动量球装置，其特征在于， 所述旋转控制电磁系统包括6个极靴磁体,每2个组成一对、3对相互垂直排列于动量球外部，并与所述位置控制电磁系统的U型磁体均匀隔开。
7.如权利要求5所述的磁悬浮万向动量球装置，其特征在于， 所述旋转控制电磁系统包括4个极靴磁体，等间距分布于所述动量球周围，并与所述位置控制电磁系统的U型磁体均匀隔开。
8.如权利要求I所述的磁悬浮万向动量球装置，其特征在于， 所述动量球的运行状态包括所述动量球所在的空间位置和转动的方向与转速。
9.一种如权利要求I所述的磁悬浮万向动量球装置的实现方法，其特征在于，包括 中央控制系统获知每一时刻动量球所需改变的角动量，根据所述动量球当前的转动状态，计算出每一时刻旋转控制电磁系统的每个极靴磁体上线圈的电流，通过控制电流对所述动量球对转速状态进行控制； 中央控制系统从球体状态检测系统获知所述动量球当前的位置信息，计算出每一时刻位置控制电磁系统的每一个U型磁体上线圈的电流，通过控制电流对所述动量球的位置状态进行控制。
全文摘要
本发明公开一种磁悬浮万向动量球装置及其实现方法，所述磁悬浮万向动量球装置包括动量球、位置控制电磁系统、旋转控制电磁系统、球体状态检测系统和中央控制系统，动量球用于旋转，位置控制电磁系统用于对所述动量球产生任意方向的磁力；旋转控制电磁系统用于对所述动量球产生可朝任意方向旋转的转动力矩；球体状态检测系统用于检测所述动量球的运行状态；中央控制系统用于对电磁系统和球体状态检测系统进行控制，并接收球体状态检测系统检测到的动量球的运行状态数据。本发明采用动量球代替动量轮，可实现任意方向旋转；通过旋转磁场产生使球体旋转的转动力矩，实现无接触式、无阻力、精确转动控制；通过磁力实现球体磁悬浮，彻底消除摩擦力。
文档编号B64G1/36GK102975868SQ20121048807
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月26日 优先权日2012年11月26日
发明者张珩, 刘开磊 申请人:张珩, 刘开磊