[发明专利]一种均匀电磁力场生成装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于磁液混浮空间微重力的地面模拟技术领域，涉及一种均匀电磁力场生成装置及方法。

背景技术

磁悬浮广泛应用于地面微重力效应模拟实验，当物体所受的电磁力与物体自身重力大小相等方向相反时，即可模拟空间失重效应，其中电磁力主要是利用超导磁悬浮或者电磁悬浮产生的。这种地面微重力模拟主要应用于生命科学研究、蛋白质晶体生长、合金分子/难混合金制作、纳米磁性液体/流体特性研究等。

关于磁悬浮系统的控制及其相应的耦合性有过很多的研究，但对于分布式电磁系统的时延和时变性没有深入研究，并且对用于阵列式空间微重力模拟的实时精确配平的电磁悬浮系统控制方法没有深入研究。本发明很好的解决了这些问题，实现了电磁悬浮系统在时延和时存在变条件下对悬浮体的实时精确配平，实现了运动体在特定实验空间内任意一点的微重力效应模拟。

发明内容

本发明的目的在于实现大范围空间分布式电磁系统产生均匀力场的装置，提供一种均匀电磁力场生成方法，该方法通过具体的控制策略，实现给定实验空间内电磁力的恒定，以满足空间微重力效应地面模拟的要求。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种均匀电磁力场生成装置，包括运动体、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；控制计算机通过开关控制柜以及电源与阵列式电磁铁相连，阵列式电磁铁上放置有水箱，运动体置于水箱内，阵列式电磁铁通电后在其上方形成电磁力场，水箱内的运动体处于阵列式电磁铁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所产生的电磁场和运动体上所受的电磁力，使运动体悬浮于水箱的水中；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。

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。

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。

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。

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。

所述运动体采用形状符合实验目的圆柱形永磁体。

一种均匀电磁力场生成方法，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。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：