在航空航天領(lǐng)域，經(jīng)常采用電機(jī)單元作為驅(qū)動裝置，帶動負(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，如進(jìn)行定位運(yùn)動、掃描運(yùn)動。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)動變?yōu)樵谝欢ń嵌确秶鷥?nèi)的運(yùn)動，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)動部件對航天設(shè)備姿態(tài)造成影響，需要在其可以自由活動的工作區(qū)域以外，單獨(dú)設(shè)置鎖定區(qū)域，并在此區(qū)域設(shè)計合理的輔助機(jī)構(gòu)完成對運(yùn)動部分的鎖定功能。現(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)動部件的主觀能動性。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，它用在儲能飛輪中的電磁軸承處，航天設(shè)備發(fā)射時對電磁軸承進(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，已成功應(yīng)用于日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、軍事國防等各個領(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，可以實現(xiàn)可靠性更為優(yōu)越的無接觸式鎖定功能，完成對休眠狀態(tài)運(yùn)動部分的鎖定。因此，對于無接觸式鎖定機(jī)構(gòu)的研究對于提高航天設(shè)備的穩(wěn)定性具有重要的實際意義。

本文所提出的無接觸式鎖定機(jī)構(gòu)中動子與定子的相對位置關(guān)系如圖1a所示，其中鎖定機(jī)構(gòu)動子部分與電機(jī)軸進(jìn)行固定連接，并與電機(jī)軸圍繞點O進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，而鎖定機(jī)構(gòu)定子部分與動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，鎖定機(jī)構(gòu)動子只需緩慢運(yùn)動到距離定子一定角度范圍內(nèi)，便可在定子與動子之間的電磁吸引力作用下繼續(xù)運(yùn)動并最終進(jìn)入鎖定狀態(tài)，這個使設(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。

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)的動子部分進(jìn)入鎖定區(qū)域后，設(shè)備只需依靠定子與動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，將該擾動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)用場合對輕量化以及可靠性高的要求，無接觸式鎖定機(jī)構(gòu)對設(shè)計參數(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)計方案，并通過解析磁路法對兩種設(shè)計方案進(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)。

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

圖10 永磁式無接觸鎖定機(jī)構(gòu)樣機(jī)測試平臺

總結(jié)

本文對無接觸式鎖定機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計、解析分析、有限元分析與樣機(jī)實驗，得到以下幾個重要結(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)實現(xiàn)了預(yù)期的鎖定功能，證明本設(shè)計具有很好的工程實用性。

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