摘 要

近年来我国的航天技术飞速发展，成功发射的火箭也越来越多，但对于太空的探索依然有许多难题亟待解决。在太空利用空间微重力进行科学活动时，由于航天器等设备会受到如：太阳光压、大气阻力、变轨、姿态调整、航天器内各种设备振动等各种扰动的影响^[1]，从而导致空间站科学实验的结果受到一定程度的影响。目前国外已经研制出多种隔振装置，而我国尚没有研制出能直接应用的空间低频微振动隔离装置，相关研究还处于起步阶段，有很多关键性技术亟待突破。

本文主要研究了洛伦兹力式磁悬浮隔振装置的设计与相关分析，首先从洛伦兹力产生的原理出发，设计了一个单自由度的隔振器，然后利用有限元分析软件对磁感应强度进行了计算，在此基础上，设计了六自由度的洛伦兹力式隔振装置，并设计了传感器用于检测被隔振物体的相关参数，最后对整个装置进行了模态分析。

关键词：洛伦兹力；作动器；六自由度；隔振

Abstract

In recent years, China's rapid development of space technology, the successful launch of the rocket is also more and more, but for the exploration of space there are still many problems to be solved. In space use of space microgravity for scientific activities, due to spacecraft and other equipment will be subject to such as: solar pressure, atmospheric resistance, orbit, posture adjustment, a variety of equipment within the spacecraft vibration and other disturbances, resulting in space station The results of scientific experiments are affected to a certain extent. At present, foreign countries have developed a variety of vibration isolation devices, and China has not developed a direct application of low-frequency micro-vibration isolation device, the relevant research is still in its infancy, there are many key technologies need to break through.

In this paper, we mainly study the design and correlation analysis of Lorentz force magnetic levitation vibration isolation device. Firstly, a single degree of freedom isolator is designed from the principle of Lorentz force, and then the finite element analysis software is used to analyze the magnetic induction On the basis of this, a six-degree-of-freedom Lorentz force type vibration isolation device is designed, and a sensor is designed to detect the relevant parameters of the object to be isolated. Finally, the modal analysis of the whole device is carried out.

Key Words：Lorentz force; actuator; six degrees of freedom; vibration isolation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景、研究目的和意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究目的和意义 2

1.2 国内外微振动隔振平台研究现状 2

1.2.1 国外微振动主动隔振平台的发展和研究现状 3

1.2.2 国内微振动主动隔振平台的发展和研究现状 6

1.3 目前研究存在的问题 7

1.4 本文研究的主要内容 7

第二章 六自由度洛伦兹力磁悬浮隔振装置设计 9

2.1 磁悬浮隔振原理简介 9

2.1.1 电磁力原理简介 9

2.1.2 洛伦兹力原理简介 10

2.2 隔振原理简介 11

第三章 六自由度洛伦兹力磁悬浮隔振装置计 14

3.1 单自由度洛伦兹力作动器结构设计 14

3.1.1 作动器结构设计 14

3.2 六自由度洛伦兹力磁悬浮隔振装置结构设计 18

3.2.1 多个作动器的布局设计 18

第四章 隔振装置的分析 21

4.1 磁感应强度B的ANSYS分析计算 21

4.2 模态分析 24

4.2.1 模态分析简介 24

4.2.2 作动器的模态分析 25

第五章 总结和展望 29

5.1 总结 29

5.2 展望 29

第一章 绪论

1.1 研究背景、研究目的和意义

1.1.1 研究背景

本次毕业设计的题目是“微重力下洛伦兹力式磁浮隔振装置结构设计与分析”，“微重力”是指由于物体所处的环境为太空中，重力加速度很小，因此可以不考虑物体所受到的重力。目前这种隔振装置多用在卫星、航天器上。如：高分辨率的军用侦查卫星、商业遥感卫星，前者已经实现了厘米级的分辨率，后者也达到了0.5m级的分辨率^[2,3]，卫星的高速转动，外界的各种干扰等都会对卫星造成一定程度的扰动，而这些高分辨率的卫星对于这些细小的扰动很敏感，因此需要隔振器的帮助来减小这些干扰。绝大多数航天器都会遭到微振动的干扰，但由于这些振动的幅值很小、频率较高，对大部分航天器执行工作使命不会造成显著影响，通常都可不予考虑。但这种微小的振动一旦作用于高精度的航天器，将会在很大程度上影响其有效载荷的指向精度和姿态稳定度，使其分辨率等重要功能能指标大大降低。因此，精度要求越高的航天器，对隔振装置的要求越严格。

美国、印度以及欧洲等国家已经研制出0.5米级甚至更高的遥感航天器^[4,5]。按照2010 年 5 月批准施行的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》，我国将于 2020 年建成高分辨率对地观测系统，形成全天候、全天时、全球覆盖的对地观测能力。这意味着我国将要在2020年前研制出成像分辨率达到0.3米级的卫星，这其中需要突破许多关键性的技术问题，而微重力下的隔振技术就是其中之一。

我国是一个航天大国，近些年来更是在载人航天上取得丰硕的成果，但美中不足的是我国目前仍然没有能应用于隔离空间低频微振动的装备，而这些低频振动将对高分辨率的观察结果，空间站的科学实验等造成一定程度的影响，微重力下隔振装置的研究与设计已迫在眉睫。

1.1.2 研究目的和意义

洛伦兹力式磁悬浮隔振装置的研制涉及到技术难题很多，甚至可以一生都投入到这项浩大的工程中。由于本次毕业设计的时间有限，个人的知识面不够全等原因，不可能对每个技术难题都面面俱到，深入分析。本次隔振装置的设计以洛伦兹力原理为基础，力求设计出一种产生洛伦兹力的机械装置，最后研究设计一种能实现六自由度隔振功能的机械装置，致力于剖析解处理微振动隔振技术中的一些关键问题。

微重力下基于洛伦兹力原理的隔振装置具有线性度好，灵敏度高的优点，这种装置的成功研制将极大地推动我国航天工程的发展，使空间站的科学实验的结果更加准确，同时对于我国高分辨率卫星的研制也有着重大的意义。

1.2 国内外微振动隔振平台研究现状

隔振技术主要包括被动隔振技术、主动隔振技术和主被动混合隔振技术三

种。被动隔振不需要外界动力的输入，主要依靠弹簧、橡胶等各类阻尼器件进行隔振，被动隔振的优点是装置构造相对于主动隔振不显得复杂、可靠性高、在高频范围内具备较好的隔振效果；缺点是在低频范围内的隔振效果不理想，同时对系统结构参数变化的适应性差。

主动隔振主要是采用主动系统来降低物体或结构之间的振动传递，更广一点的定义也可以包括采用主动吸振器来减小机器或结构的振动。主动隔振的主要优点是被支撑设备有更好的静态稳定性和动态性能；主动隔振的缺点是价格昂贵，结构复杂，往往还需要外界的能量输入。但正是因为外界能量的输入，从而使得主动隔振可以根据外界干扰的变化来配合控制系统自动调节，具有很强的适应性。

如果将被动隔振与主动隔振器并联或串联起来使用，就构成了主被动混合隔振系统，这种隔振系统结合了两种隔振系统的优点，在低频到中高频范围内都具备较良好的隔振效果^[6]，而且系统的稳定性与可靠性也同时得到了提高。

主动隔振装置的关键部件是作动器，作动器的种类很多，随着科技的发展，主动作动器的种类的功能越来越强大。而在微重力的情况下对微小重力的隔离与抑制，经常使用的作动器有压电陶瓷式和磁悬浮式两种。压电陶瓷作动器的主要优点是结构紧凑，响应速度快，但其有一个很大的缺点便是有效行程较小，并且对于微小振动即低频振动的抑制效果不好。而磁悬浮作动器能隔离低频甚至极低频的振动，成为当今空间微振动研究的主要方向。

由于在微重力下的振动频率一般很低，故常使用主动隔振系统，而隔振平台的隔振方式不同，其隔振的效果也不同，根据隔振装置主动控制原理的不同和机械结构的不同，隔振平台可分为接触式和非接触式两种形式。

1.2.1 国外微振动主动隔振平台的发展和研究现状

国外最开始研究主动隔振平台是在航天器上，由于高精度的航天器对微小的振动非常敏感，一时低频隔振成为了一个挑战性的难题，为了满足航天敏感仪器的高精度定位要求以及对外界的抗干扰能力，就需对敏感载荷进行高性能隔振。

最早研究的是结构较为简单的单自由度的主动隔振系统，但大多数的航天敏感部件都需要多个自由度甚至六自由度的隔振，例如空间成像相机的成像质量对 x，y，z 三个方向的移动以及x，y，z三个方向的转动所造成的机械抖动都比较敏感，因此需要进行六自由度的完全隔振。

目前国外已有四种微重力主动隔振系统已被用于或将要被用于空间科学实验，分别是悬浮瞬态加速度抑制器(STABLE)；微重力隔振系统(MIM)；实验柜主动隔振系统(ARIS)；手套箱集成微重力隔振系统(G-LIMIT)^[7,8]。

STABLE的全称是Suppression of Transient Accelerations by Levitation，STABLE是由波音公司与NASA MSFC共同研发的，其研制的目的是为了提高流体力学实验的精度^[9]。STABLE是一种非接触式的主动隔振器，即通过非机械接触的方式产生一种能够抵消外界干扰力从而达到隔振的目的。其有效远大于接触式主动隔振器，达到了mm级，并且其结构形式较为灵活，能够随实际情况的变化而方便的调整结构。STABLE的作动器是采用的非接触式的洛伦兹力作动器，如图1所示，它利用3套2自由度洛伦兹力作动器实现六自由度的隔振，该主动隔振系统的隔振频率范为围0.01Hz-100Hz，有效行程为10mm。STABLE能衰减高频振动最高可达-50dB，对低频振动的衰减最高可达-20dB。在1995年，STABLE首次用于“哥伦比亚”航天飞机，进入太空环境进行性能测试，实验结果表明，该种类型的隔振装置确实能隔离最低至0.01Hz频率的微振动。

图1.1 STABLE实物外观图

MIM的全称是Microgravity Vibration Isolation Mount，可翻译为微重力隔振系统 ，MIM是在STABLE的基础上发展起来的^[10]，两者都是基于磁悬浮技术。加拿大宇航局设计了多种类型的MIM隔振系统，实际投入应用的有2种，即MIM-1和MIM-2。MIM-1从1996年开始投入使用，并在空间站累计进行了超过300小时的工作，帮助完成了许多科学领域的实验研究。MIM-2是在一代隔振装置的基础上进行了一些优化后诞生的，相比于MIM-1，MIM-2在硬件设备上得到了一些改善，并且经过优化设计后，洛伦兹力作动器的非线性度也减小了。该种隔振系统是基于洛伦兹力磁悬浮的原理，用8个洛伦兹力作动器实现六自由度的隔振，能够有效隔离频率为0.01Hz-100Hz的微振动。