[发明专利]一种均匀电磁力场生成装置及方法

权利要求书

1.一种均匀电磁力场生成装置，其特征在于：包括运动体(2)、位置测量系统、控制计算机、开关控制柜、电源以及阵列式电磁铁(1)；控制计算机通过开关控制柜以及电源与阵列式电磁铁(1)相连，阵列式电磁铁(1)上放置有水箱(3)，运动体(2)置于水箱(3)内，阵列式电磁铁(1)通电后在其上方形成电磁力场，水箱(3)内的运动体(2)处于阵列式电磁铁(1)上方所形成的电磁力场中，控制计算机通过控制电源来调控阵列式电磁铁(1)所产生的电磁场和运动体(2)上所受的电磁力，使运动体(2)悬浮于水箱(3)的水中；控制计算机通过位置测量系统实时测量运动体的位置信息。

2.根据权利要求1所述的均匀电磁力场生成装置，其特征在于：所述阵列式电磁铁采用多个励磁线圈单元构成26×26阵列式电磁铁，多个励磁线圈单元布设于水平面内，每个励磁线圈单元的轴线方向相互平行且垂直于水平面。

3.根据权利要求2所述的均匀电磁力场生成装置，其特征在于：所述励磁线圈的形状采用避免边缘效应并保证水平面磁场的均匀性和方向性的方形。

4.根据权利要求1所述的均匀电磁力场生成装置，其特征在于：所述位置测量系统通过232通信方式将测得的运动体位置信号传输给控制计算机。

5.根据权利要求1所述的均匀电磁力场生成装置，其特征在于：所述控制计算机将工作区域控制信号通过“D/O模块”传输给开关控制柜，将电流控制信号通过“D/A模块”传输给电源。

6.根据权利要求1所述的均匀电磁力场生成装置，其特征在于：所述运动体采用形状符合实验目的圆柱形永磁体。

7.一种采用权利要求1-6任意一项所述装置的均匀电磁力场生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用水的浮力克服运动体的重力对运动体进行粗配平，粗配平后浮力和重力差为a₀N，即F浮-mg＝a₀N，其中，m为运动体质量，单位为千克，g为重力加速度，a₀为常数，则空间微重力地面模拟实验需求整个实验空间内的电磁力等于a₀N；

步骤2：根据电磁力的作用范围结合实验需求确定实验空间内的标定区间以及需要标定的点，确定标定精度；建立xyz三维坐标系，x方向和y方向每隔0.05m标定一点，z方向每隔10mm标定一个点；水平运动区间为1.3m×1.3m，竖直运动区间为0.3m；

步骤3：给定水平位置信号和竖直高度信号，标定该点过程中不再改变电磁阵列工作单元组，使电磁力等于a₀N，在实验环境中实现该点的定点悬浮，满足微重力水平；

步骤4：采用位置测量系统测得运动体当前三维位置信号坐标，将坐标信号通过反馈信号通路发送到控制计算机；

步骤5：控制计算机接受三维位置信号，根据水平位置信号x坐标和y坐标确定电磁阵列工作单元组几何中心对应运动体几何中心的12×12的电磁阵列工作单元组，发出开关控制信号；同时，控制计算机根据竖直位置信号z坐标确定电压控制信号；确定电压控制信号；

步骤6：开关控制柜接收控制计算机发出的开关控制信号，控制相应继电器开关动作；同时，电源接受控制计算机发出的电压控制信号，产生相应大小的电流给电磁阵列工作单元组；

步骤7：根据开关控制柜的切换开关信号，相应的12×12电磁阵列工作单元组位于接通状态，接收电源提供的电流，产生电磁力；

步骤8：电磁力作用于运动体，改变运动体的三维位置，重复步骤4至步骤8，直到运动体在所标定的点实现稳定定点悬浮；

步骤9：更换标定点位置，重复步骤3至步骤8，在标定区间的所有标定点处实现稳定定点悬浮，进而实现整个区间内的均匀电磁力。