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  • 頭條航天用無接觸式鎖定機(jī)構(gòu)的解析分析與結(jié)構(gòu)對(duì)比
    2020-10-15 作者:李勇飛、孫劍飛、李勇、王騫、王寶超  |  來源:《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院的研究人員李勇飛、孫劍飛、李勇、王騫、王寶超,在2019年第14期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出,航天設(shè)備上的一些小力矩小慣量負(fù)載如觀測設(shè)備,一般都工作在有限轉(zhuǎn)角范圍內(nèi),在工作區(qū)域以外,需要單獨(dú)設(shè)置輔助機(jī)構(gòu)對(duì)其鎖定,以免對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生影響。 現(xiàn)有文獻(xiàn)所提出方案均為物理接觸式方案,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差。該文提出了一種無接觸式鎖定機(jī)構(gòu),并根據(jù)勵(lì)磁方式的不同研究了電磁式和永磁式兩種設(shè)計(jì)方案,通過解析法推導(dǎo)并統(tǒng)一了兩種設(shè)計(jì)方案的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式,清晰揭示了性能參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。 通過三維有限元數(shù)值解法進(jìn)一步對(duì)比研究了兩種方案的主要性能參數(shù),包括臨界角、峰值力矩和能量密度,最后制作了永磁結(jié)構(gòu)樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,證明了所提出方案的工程實(shí)用性。

    在航空航天領(lǐng)域,經(jīng)常采用電機(jī)單元作為驅(qū)動(dòng)裝置,帶動(dòng)負(fù)載(如觀測設(shè)備)在有限轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng),如進(jìn)行定位運(yùn)動(dòng)、掃描運(yùn)動(dòng)。這與傳統(tǒng)的電機(jī)系統(tǒng)是有所不同的,一是電機(jī)由原來的圓周運(yùn)動(dòng)變?yōu)樵谝欢ń嵌确秶鷥?nèi)的運(yùn)動(dòng),大多數(shù)是在±30°之間;二是負(fù)載本身的變化,負(fù)載不再是傳統(tǒng)力矩性質(zhì)的負(fù)載,而一般是慣性負(fù)載,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較小,所受摩擦轉(zhuǎn)矩也比較小。

    為避免處于休眠狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)部件對(duì)航天設(shè)備姿態(tài)造成影響,需要在其可以自由活動(dòng)的工作區(qū)域以外,單獨(dú)設(shè)置鎖定區(qū)域,并在此區(qū)域設(shè)計(jì)合理的輔助機(jī)構(gòu)完成對(duì)運(yùn)動(dòng)部分的鎖定功能?,F(xiàn)有文獻(xiàn)所提出方案均為機(jī)械接觸式方案,依靠線圈完成鎖定與解鎖之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換,忽略了運(yùn)動(dòng)部件的主觀能動(dòng)性。永磁體即使被引入也只是作為輔助部件,因此現(xiàn)有方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差,且需要考慮焦耳熱帶來的散熱問題。

    有相關(guān)研究中的鎖定機(jī)構(gòu)是和本文要求最接近的,它用在儲(chǔ)能飛輪中的電磁軸承處,航天設(shè)備發(fā)射時(shí)對(duì)電磁軸承進(jìn)行保護(hù)。它采用的是機(jī)械彈簧結(jié)合電磁鐵的作用方式,最終鎖定的還是機(jī)械摩擦而不是非接觸電磁力。另外,針對(duì)應(yīng)用在航天設(shè)備上的機(jī)構(gòu),要求在滿足出力與熱負(fù)荷的約束下實(shí)現(xiàn)體積和重量的最小化。所以,目前來看尚無滿足本文要求的這種特殊功能的鎖定裝置。

    電磁鐵具有能量密度高、響應(yīng)速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),已成功應(yīng)用于日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、軍事國防等各個(gè)領(lǐng)域。從原理上看,利用電磁場無需接觸就可以相互作用的特性,可以實(shí)現(xiàn)可靠性更為優(yōu)越的無接觸式鎖定功能,完成對(duì)休眠狀態(tài)運(yùn)動(dòng)部分的鎖定。因此,對(duì)于無接觸式鎖定機(jī)構(gòu)的研究對(duì)于提高航天設(shè)備的穩(wěn)定性具有重要的實(shí)際意義。

    本文所提出的無接觸式鎖定機(jī)構(gòu)中動(dòng)子與定子的相對(duì)位置關(guān)系如圖1a所示,其中鎖定機(jī)構(gòu)動(dòng)子部分與電機(jī)軸進(jìn)行固定連接,并與電機(jī)軸圍繞點(diǎn)O進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),而鎖定機(jī)構(gòu)定子部分與動(dòng)子部分間隔一定距離并固定在機(jī)架上。無接觸式鎖定機(jī)構(gòu)的工作區(qū)與鎖定區(qū)示意如圖1b所示。

    當(dāng)設(shè)備需要進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí),鎖定機(jī)構(gòu)動(dòng)子只需緩慢運(yùn)動(dòng)到距離定子一定角度范圍內(nèi),便可在定子與動(dòng)子之間的電磁吸引力作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)并最終進(jìn)入鎖定狀態(tài),這個(gè)使設(shè)備能夠克服機(jī)械摩擦阻力開始鎖定的角度范圍,即為鎖定機(jī)構(gòu)的鎖定區(qū)域。

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    圖1 無接觸式鎖定機(jī)構(gòu)的工作示意圖

    當(dāng)鎖定機(jī)構(gòu)的動(dòng)子部分進(jìn)入鎖定區(qū)域后,設(shè)備只需依靠定子與動(dòng)子之間的電磁鎖定力便可進(jìn)入鎖定狀態(tài),并使其運(yùn)動(dòng)部分最終被鎖定在一定的角度范圍。在此角度范圍內(nèi),設(shè)備可以抵抗一定程度上的擾動(dòng),將該擾動(dòng)角度范圍定義為無接觸式鎖定機(jī)構(gòu)的鎖定誤差。依據(jù)航天應(yīng)用場合對(duì)輕量化以及可靠性高的要求,無接觸式鎖定機(jī)構(gòu)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的具體要求可以歸納為:①鎖定區(qū)域越大越好;②鎖定誤差越小越好;③能量密度越高越好。

    針對(duì)無接觸式鎖定機(jī)構(gòu),本文提出了電磁式和永磁式兩種設(shè)計(jì)方案,并通過解析磁路法對(duì)兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了解析分析,推導(dǎo)出各自的電磁轉(zhuǎn)矩方程并進(jìn)行了歸一化,統(tǒng)一形式的電磁轉(zhuǎn)矩方程清晰揭示了性能參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系,為后續(xù)分析奠定了理論基礎(chǔ)。

    通過有限元仿真計(jì)算,對(duì)電磁式鎖定方案和永磁式鎖定方案進(jìn)行了對(duì)比研究。最后根據(jù)有限元計(jì)算的結(jié)果制作了樣機(jī)并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn),對(duì)本文理論結(jié)果的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。

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    圖10 永磁式無接觸鎖定機(jī)構(gòu)樣機(jī)測試平臺(tái)

    總結(jié)

    本文對(duì)無接觸式鎖定機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、解析分析、有限元分析與樣機(jī)實(shí)驗(yàn),得到以下幾個(gè)重要結(jié)論:

    • 1)無接觸式鎖定機(jī)構(gòu)的主要性能指標(biāo)可以用臨界角和峰值力矩這兩個(gè)指標(biāo)來表述,它們分別代表著最后的鎖定誤差和最大的鎖定能力。
    • 2)本文通過解析法推導(dǎo)了電磁式方案與永磁式方案兩種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式,并歸納了一個(gè)統(tǒng)一的表達(dá)式,清晰揭示了無接觸式鎖定機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。
    • 3)從臨界角和峰值力矩這兩個(gè)最重要的參數(shù)來看,永磁式方案具有明顯的優(yōu)勢,是工程設(shè)計(jì)中的首選方案。
    • 4)樣機(jī)的研制和測試,證明了本文理論分析的正確性;樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的鎖定功能,證明本設(shè)計(jì)具有很好的工程實(shí)用性。

    本文的研究成果可以為無接觸式鎖定機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析研究提供參考,并對(duì)其工程應(yīng)用具有重要參考意義。