学术简报｜航天用无接触式锁定机构的解析分析与结构对比
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哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的研究人员李勇飞、孙剑飞、李勇、王骞、王宝超，在2019年第14期《电工技术学报》上撰文指出，航天设备上的一些小力矩小惯量负载如观测设备，一般都工作在有限转角范围内，在工作区域以外，需要单独设置辅助机构对其锁定，以免对其他设备产生影响。
现有文献所提出方案均为物理接触式方案，结构复杂、稳定性差。该文提出了一种无接触式锁定机构，并根据励磁方式的不同研究了电磁式和永磁式两种设计方案，通过解析法推导并统一了两种设计方案的电磁转矩表达式，清晰揭示了性能参数与结构参数之间的关系。
通过三维有限元数值解法进一步对比研究了两种方案的主要性能参数，包括临界角、峰值力矩和能量密度，最后制作了永磁结构样机并进行实验验证，证明了所提出方案的工程实用性。
在航空航天领域，经常采用电机单元作为驱动装置，带动负载（如观测设备）在有限转角范围内按一定规律运动，如进行定位运动、扫描运动。这与传统的电机系统是有所不同的，一是电机由原来的圆周运动变为在一定角度范围内的运动，大多数是在±30°之间；二是负载本身的变化，负载不再是传统力矩性质的负载，而一般是惯性负载，转动惯量比较小，所受摩擦转矩也比较小。
为避免处于休眠状态的运动部件对航天设备姿态造成影响，需要在其可以自由活动的工作区域以外，单独设置锁定区域，并在此区域设计合理的辅助机构完成对运动部分的锁定功能。现有文献所提出方案均为机械接触式方案，依靠线圈完成锁定与解锁之间的状态转换，忽略了运动部件的主观能动性。永磁体即使被引入也只是作为辅助部件，因此现有方案结构复杂、稳定性差，且需要考虑焦耳热带来的散热问题。
文献[6]中的锁定机构是和本文要求最接近的，它用在储能飞轮中的电磁轴承处，航天设备发射时对电磁轴承进行保护。它采用的是机械弹簧结合电磁铁的作用方式，最终锁定的还是机械摩擦而不是非接触电磁力。另外，针对应用在航天设备上的机构，要求在满足出力与热负荷的约束下实现体积和重量的最小化。所以，目前来看尚无满足本文要求的这种特殊功能的锁定装置。
电磁铁具有能量密度高、响应速度快、可靠性高等优点，已成功应用于日常生活、工业生产、军事国防等各个领域。从原理上看，利用电磁场无需接触就可以相互作用的特性，可以实现可靠性更为优越的无接触式锁定功能，完成对休眠状态运动部分的锁定。因此，对于无接触式锁定机构的研究对于提高航天设备的稳定性具有重要的实际意义。
本文所提出的无接触式锁定机构中动子与定子的相对位置关系如图1a所示，其中锁定机构动子部分与电机轴进行固定连接，并与电机轴围绕点O进行同步旋转运动，而锁定机构定子部分与动子部分间隔一定距离并固定在机架上。无接触式锁定机构的工作区与锁定区示意如图1b所示。
当设备需要进入休眠状态时，锁定机构动子只需缓慢运动到距离定子一定角度范围内，便可在定子与动子之间的电磁吸引力作用下继续运动并最终进入锁定状态，这个使设备能够克服机械摩擦阻力开始锁定的角度范围，即为锁定机构的锁定区域。
图1 无接触式锁定机构的工作示意图
当锁定机构的动子部分进入锁定区域后，设备只需依靠定子与动子之间的电磁锁定力便可进入锁定状态，并使其运动部分最终被锁定在一定的角度范围。在此角度范围内，设备可以抵抗一定程度上的扰动，将该扰动角度范围定义为无接触式锁定机构的锁定误差。依据航天应用场合对轻量化以及可靠性高的要求，无接触式锁定机构对设计参数的具体要求可以归纳为：①锁定区域越大越好；②锁定误差越小越好；③能量密度越高越好。
针对无接触式锁定机构，本文提出了电磁式和永磁式两种设计方案，并通过解析磁路法对两种设计方案进行了解析分析，推导出各自的电磁转矩方程并进行了归一化，统一形式的电磁转矩方程清晰揭示了性能参数与结构参数之间的关系，为后续分析奠定了理论基础。
通过有限元仿真计算，对电磁式锁定方案和永磁式锁定方案进行了对比研究。最后根据有限元计算的结果制作了样机并进行相关试验，对本文理论结果的正确性进行了验证。
图10 永磁式无接触锁定机构样机测试平台
本文对无接触式锁定机构进行了结构设计、解析分析、有限元分析与样机实验，得到以下几个重要结论：
1）无接触式锁定机构的主要性能指标可以用临界角和峰值力矩这两个指标来表述，它们分别代表着最后的锁定误差和最大的锁定能力。
2）本文通过解析法推导了电磁式方案与永磁式方案两种结构转矩特性的数学表达式，并归纳了一个统一的表达式，清晰揭示了无接触式锁定机构的性能指标与结构参数之间的关系。
3）从临界角和峰值力矩这两个最重要的参数来看，永磁式方案具有明显的优势，是工程设计中的首选方案。
4）样机的研制和测试，证明了本文理论分析的正确性；样机实现了预期的锁定功能，证明本设计具有很好的工程实用性。
本文的研究成果可以为无接触式锁定机构的设计与分析研究提供参考，并对其工程应用具有重要参考意义。