摘 要

航天器运行的平稳性对于生命科学和空间材料加工等许多学术领域是至关重要的，为了给空间科学站提供一个安全平稳的科研环境，需要引入磁悬浮主动隔振技术。本文的研究对象是微重力环境下的电磁式磁悬浮隔振装置，研究内容主要包括隔振装置的整体结构、隔振装置的零部件结构、隔振装置电磁铁吸引力仿真分析等等。本文将利用三维作图软件设计电磁式磁悬浮隔振装置的整体结构以及零部件结构，利用二维作图软件生成并且修改装配图和零件图，利用电磁学仿真软件分析由电磁铁产生作用在衔铁上的吸引力大小，并与理论计算值进行对比。本文设计出了结构紧凑、工作行程为±5mm的电磁式磁悬浮隔振装置，单个电磁铁产生的电磁吸力为100N，符合设计要求能够为空间微重力环境提供主动隔振，为空间科研站供给了更安全平稳的科研环境。

关键词：微重力环境；电磁悬浮；主动隔振

Abstract

The stability of in-orbit spaceships plays an important role in many academic fields,including bioscience and the manufacturing of space materials. In order to provide space stations with stable environment for research, magnetic-suspension vibration isolation technology is introduced. This paper will pay close attention to the electromagnetic-suspension vibration isolators used in micro-gravity environment. The overall structure and the parts of the vibration isolator as well as the analysis of its electromagnetic attractive force are the main points of this paper. The overall structure of the isolator and its parts will be designed by three-dimensional software, and the assembly drawing and parts drawing will be done by using two-dimensional software. Also, the attractive force generated by the electromagnets will be analyzed by electromagnetic simulation software, and the simulation result will be compared with theoretical calculating value. The designed electromagnetic-suspension vibration isolator has compact structure, whose distance of travel is ±5mm, and the attractive force generated by each electromagnet is about 100N. In conclusion, this vibration isolator provides in-orbit spaceships with active vibration isolation, which means the environment for space research will become more and more stable.

Key Words: Micro-gravity environment; Electromagnetic suspension; Active vibration isolati

目录

摘要 I

Abstract II

第 1 章 绪论 1

1.1 研究背景、目的及意义 1

1.1.1 研究的背景 1

1.1.2 研究的目的 2

1.1.3 研究的意义 3

1.2 本文的主要工作及内容安排 3

1.2.1 本文的主要工作 3

1.2.2 本文的内容安排 3

第 2 章 微重力下的磁悬浮隔振装置的结构设计与建模 5

2.1 微重力磁悬浮隔振装置工作原理概述 5

2.2 电磁铁设计 7

2.2.1 磁场形态的建造方法及其选择 7

2.2.2 理论电磁力计算 8

2.2.3 电磁铁材料选择 10

2.2.4 电磁铁参数 10

2.3 隔振装置总体设计 14

2.3.1 隔振装置参数 14

2.3.2 隔振装置三维建模 14

第 3 章 微重力下的磁悬浮隔振装置的电磁场分析 20

3.1 二维静态磁场分析 20

3.2 漏磁现象和磁耦合问题 23

3.2.1 漏磁现象 23

3.2.2 磁耦合问题 24

第 4 章 总结与展望 25

4.1 本文总结 25

4.2 研究展望 25

参考文献 26

致谢 28

绪论

研究背景、目的及意义

研究的背景

隔振是精密加工装备、精密测量仪器等平台建设的关键技术。精密设备面临微振干扰的问题随着国内外各行业技术的进步与发展，不断地提高，例如光栅刻线机、扫描隧道电子显微镜等都需要极为严格的隔振稳定环境。尤其是外太空的高科技精密研究和实验更加需要稳定的研究环境。

随着科学探究逐步开始向外太空进行延伸。围绕此类研究存在的技术突破点也日益被人们重视，其中最重要的是保持空间环境的稳定。在我国载人航天一期工程中，科学实验单元无法在理想的微重力环境下进行，就是因为没有对飞船上的设备的运行、宇航圆的活动以及空气的流动等所有引起的振动进行有效的隔离导致的。随着我国航天技术的发展，未来几年我国将直接在外太空发展空间实验室，这就需要我们设计出能够有效的隔离振动的微重力的隔振装置，来实现科学实验单元直接面对的微重力环境是理想的微重力环境。要求这种隔振办法对于低频振动可以达到高效稳定，快速反应的隔振效果。

实际上从上世纪80年代开始，国外就有许多研究机构开始对微重力主动隔振技术进行研究，在这一时期，霍尼韦尔公司研制了第一个用于空间飞船的隔离系统——流体实验装置磁悬浮隔振系统（FEAMIS）；麦道航空公司研制了一种通过压电高分子膜激励器隔振的六自由度主动隔振系统；英国北威尔士大学科研团队为“哥伦比亚”号航天飞机上的空间实验室研发了一套悬浮式的微重力隔振装置MGIM（Micro-Gravity Isolation Mount）等各种研究成果在世界各地不断诞生。在中国，此方面的研究于21世纪初也逐渐取得了各种先进成果。中国科学院光电研究院研究出了一套高微重力振动隔离系统激励器分配优化设计方案。隔振系统通过多激励器共同作用，进行六自由度控制，从而实现了空间平台上的振动隔离，具有很好的隔振效果。可见为了实现振动隔离，尤其是高微重力下的隔振系统，世界各地的顶尖技术团队都在不断努力研究，也体现出高微重力下的振动隔离对未来的各种基础科学研究是极其重要的，因而研究此课题是极具有前景和未来的。

传统的隔振方法分为介质式和机械式等,这类技术已普遍地应用于各类领域,取得了良好的隔振效果,但对某些要求更高的隔振系统,这种传统的隔振技术就不能很好的达到理想效果。随着磁悬浮技术的发展，磁悬浮主动隔振装置应运而生。磁悬浮隔振通过在结构体和振源之间用主动控制的磁场来支承，使得结构体和振源之间完全脱离机械接触，达到隔绝振动的效果。正因为磁悬浮隔振技术具有如此的优越性,世界各国的许多研究单位都对该技术给予了极大的重视。日本国家航空航天发展署（NASDA）、欧洲航空航天局（ESA）、美国的NASA、马歇尔空间飞行中心空间科学实验室、加州理工学院、密苏里大学、耶鲁大学、麻省理工学院等诸单位都投入很大力量进行这方面的工作和研究,并取得了很大进展。此外，磁悬浮隔振技术也已经成功的运用于铁路运输、航海、风能发电等领域。