基于電永磁技術的對接/分離機構(gòu)設計

許 珍，林 旻，李金恩，張 博，毛青筠，閆阿儒

（1.中國科學院 寧波材料技術與工程研究所，浙江 寧波 305201；2.中國科學院 微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201210）

0 引言

太空環(huán)境非常復雜，空間飛行器隨時都有可能因為失效、退化或廢棄而失去價值，重新發(fā)射替代飛行器不僅會使成本增加，更會造成太空環(huán)境污染［1-3］。利用空間對接技術的在軌維護維修服務，可以有效解決這一問題。相應地，空間對接技術不僅具有應用成本低和延長航天器的服役時間等優(yōu)勢，還為構(gòu)成空間大型平臺提供了實現(xiàn)基礎。目前的空間對接機構(gòu)，主要有現(xiàn)階段使用較多的基于推力器的對接方式，以及正在處于研究階段的電磁對接機構(gòu)、電磁鑲嵌永磁體的對接機構(gòu)［4-5］。

采用基于反沖作用的推力器來控制航天器的位置和速度，是目前對接技術的主流方法，此技術已在多項工程實際中得到廣泛應用［6］。然而，這種方式存在著兩個主要問題：一是對接過程消耗的推進劑量，直接影響航天器的工作壽命；二是為降低對接速度，必須采用反方向的推力對追蹤航天器進行制動，這樣不僅會導致羽流污染，還會引起目標航天器姿態(tài)和位置的擾動，嚴重時甚至使得對接過程失敗。

利用電磁作用原理實現(xiàn)兩航天器的對接［7-10］，可以有效避免推進劑的消耗和羽流污染，理論上可把沖擊速度控制到零，實現(xiàn)航天器間的無碰撞對接，具有體積和質(zhì)量小、可靠性強且可多次重復使用等優(yōu)點。目前，公認的主流電磁對接系統(tǒng)設計思路為，僅利用電磁裝置實現(xiàn)導引和對接，再利用精巧的機械機構(gòu)實現(xiàn)連接鎖緊，但目前還存在以下一些不足之處：1）對接機構(gòu)的作用力距離普遍較短，難以滿足長距離對接的要求；2）對接過程中始終占用系統(tǒng)大量的電能，供給電磁對接時的電磁力，當對接過程耗時較長時尤其明顯；3）對接完成后，若使用電磁力鎖緊，將會持續(xù)損耗系統(tǒng)能源來產(chǎn)生電磁力，而若采用電機等其他機械鎖緊裝置，又會增加系統(tǒng)復雜性，導致其分離的難度增大，分離速度較慢。

確保在一定的距離范圍、功耗、質(zhì)量等約束條件下，提供滿足電磁對接所需的電磁力/力矩是需要解決的問題。目前，主要解決途徑有以下3 種［11-13］：1）采用“超導線圈”；2）在普通線圈中加鐵芯以增加電磁力；3）鑲嵌永磁體。采用超導磁體作為對接機構(gòu)，雖然增加了作用力的距離，但冷卻系統(tǒng)體積龐大，這就難以應用在小型空間飛行器上；在普通線圈中加鐵芯雖可以增加對接磁力/力矩，但能耗未有降低；鑲嵌永磁體，內(nèi)嵌永磁體在提供吸力的同時也會在永磁體周圍空間產(chǎn)生磁場干擾。

因此，本文綜合利用電磁力和永磁力來實現(xiàn)航天器的對接、分離與鎖緊，具有能耗低、磁場干擾低等優(yōu)勢。具體工作過程如下：當對接目標處于遠距離對接范圍，利用永磁體異性磁極相互吸引的特性，實現(xiàn)遠距離、無污染、低能耗對接；當對接機構(gòu)對接距離達到中近距離范圍內(nèi)，控制電永磁對接機構(gòu)，使得永磁體消磁，利用磁力較小的電磁力實現(xiàn)柔性對接；需鎖緊時，利用永磁體異性磁極相互吸引完成對接機構(gòu)的鎖緊；需要分離時，控制對接機構(gòu)的永磁體呈同性磁極，使得對接機構(gòu)分離。

1 設計指標及原理

1.1 設計指標

針對微小衛(wèi)星的對接需求，在現(xiàn)有電磁對接機構(gòu)的基礎上進行優(yōu)化，我們用來驗證的對接裝置結(jié)構(gòu)示意圖，以及其中所用的電磁對接鐵芯和線圈實物如圖1 所示。

圖1 對接裝置Fig.1 Docking device

進一步優(yōu)化并設計適宜的電永磁對接機構(gòu)，使其滿足以下指標：

1）磁路優(yōu)化設計方案指標。在電壓24 V、電流4 A 的約束時，滿足下列指標：200 mm 對接距離，電磁力量級50 mN；400 mm 對接距離，電磁力量級30 mN。

2）對接范圍磁感應強度定量分析。對接距離內(nèi)對稱軸上的磁感應強度變化作對比：200 mm 對接距離，軸心點磁感應強度≥0.004 T（4 mT）；400 mm 對接距離，軸心點磁感應強度≥0.000 9 T（0.9 mT）。

3）質(zhì)量和結(jié)構(gòu)指標。外部結(jié)構(gòu)不超過18 mm×18 mm×3 mm，單個模塊質(zhì)量≤1.5 kg。

1.2 工作原理

電永磁對接/分離機構(gòu)綜合利用電磁力和永磁力的調(diào)控來實現(xiàn)航天器的對接，可以有效避免推進劑的消耗和羽流污染，同時節(jié)約能耗，增加對接距離。

對接分離過程主要包括對接、鎖緊/分離，其工作過程磁極變化如圖2 所示。

圖2 對接機構(gòu)工作過程磁極變化Fig2 Magnetic pole change in the working process of docking mechanism

當對接目標處于遠距離對接范圍以內(nèi)，控制第一電永磁對接機構(gòu)和第二電永磁對接機構(gòu)，使對接端面的永磁體呈異性磁極，使其相互吸引，實現(xiàn)遠距離、無污染、低能耗電永磁對接。當對接機構(gòu)對接距離達到中近距離范圍內(nèi)（1 m 內(nèi)），控制第一電永磁對接機構(gòu)和第二電永磁對接機構(gòu)，使電永磁對接機構(gòu)中永磁體消磁，利用磁力較小的電磁力實現(xiàn)對接機構(gòu)柔性對接。

需要鎖緊時，利用對接端面的永磁體異性磁極，相互吸引，完成對接機構(gòu)的鎖緊。

當對接機構(gòu)需要分離時，使其對接端面的永磁體呈同性磁極（也就是說，第一對接機構(gòu)對接端面呈N 極，第二對接機構(gòu)對接端面呈N 極；或者第一對接機構(gòu)對接端面呈S 極，第二對接機構(gòu)對接端面呈S 極），使得對接機構(gòu)分離。

當完成分離工作后，對接機構(gòu)可執(zhí)行消磁工作，避免不需要的磁污染。

1.3 基本組成

對接機構(gòu)通常是主被動對接形式，主動機構(gòu)通過一定的運動來捕獲被動機構(gòu)，并完成最終的剛性連接。本文設計的電永磁對接分離機構(gòu)由第一對接機構(gòu)和第二對接機構(gòu)組成。第一對接機構(gòu)與第二對接機構(gòu)磁路基本一致，結(jié)構(gòu)對稱，含有多組由軛鐵、永磁體、勵磁線圈以及控制電源；勵磁線圈設置在永磁體外圍，軛鐵設置于永磁體兩端；通過控制系統(tǒng)的控制，單個對接機構(gòu)可實現(xiàn)N 極充磁、S 極充磁以及消磁功能，且磁場強度大小可調(diào)。

2 仿真設計及樣機制作

電永磁對接/分離機構(gòu)計劃從兩點進行改進：1）通過導磁和不導磁材料的優(yōu)化組合，增大對接電磁力；2）借鑒電永磁方案和控制方式，實現(xiàn)對接和分離狀態(tài)自由切換。由于對接過程中存在著對接、鎖緊、分離等復雜過程，本文先采用有限元仿真軟件Ansoft 仿真分析對接/分離機構(gòu)，初步驗證機構(gòu)功能，最后依據(jù)優(yōu)化結(jié)果，試制了電永磁對接機構(gòu)的原型機。

2.1 鐵芯材料替換

傳統(tǒng)電磁對接機構(gòu)大多采用電磁純鐵或鐵鈷合金等金屬軟磁作為鐵芯材料，對接磁力較小，對接距離短，且難以實現(xiàn)自主鎖緊功能。錳鋁碳、鋁鎳鈷或者鐵鉻鈷等永磁體矯頑力較低（30～200 kA/m），容易磁化。其中，鋁鎳鈷（縮寫為LNG）材料穩(wěn)定性好，可適合空間用途；其矯頑力比較低（50～60 kA/m），便于退磁和充磁；另外，永磁材料的引入可以在不消耗能源的情況下，實現(xiàn)穩(wěn)定的磁場和力的施加。這樣一方面可以節(jié)約寶貴的能源，另一方面可在此基礎上疊加電流，除進一步提高峰值磁場和力以外，也為精確調(diào)控提供了可能。

為研究對接機構(gòu)鐵芯材料改變對磁力及對接距離的影響，利用有限元仿真軟件，分別建立使用LNG 永磁體和DT4 電工純鐵作為鐵芯材料的三維模型。兩種模型中，鐵芯的直徑為12 mm，長度均為100 mm，線圈匝數(shù)為889 匝，線徑為1 mm，電流為4 A。計算其磁力隨對接距離的變化關系，如圖3所示。

圖3 對接距離與磁力關系曲線Fig.3 The relationship curve between docking distance and magnetic force

從圖3 可以發(fā)現(xiàn)：在對接距離小于250 mm 時，DT4 鐵芯的對接機構(gòu)磁力大于LNG 作為鐵芯的對接機構(gòu)；但是250 mm 之后，LNG 鐵芯的對接磁力更大。分析其原因，DT4 電工純鐵的飽和磁化強度大于LNG 永磁體，但LNG 永磁體的磁力線深度大于電工純鐵DT4，故擬采用電工純鐵與LNG 組合的方式來提高對接距離與對接磁力。

2.2 復合鐵芯

為研究復合鐵芯對磁力和對接距離的影響，現(xiàn)采用直徑6 mm 的圓柱狀LNG 永磁體與內(nèi)徑6.1 mm外徑12 mm 的圓環(huán)狀DT4 組合，其他參數(shù)保持不變。計算復合鐵芯模型磁力大小與對接距離的關系，并與采用LNG 作為鐵芯的模型進行對比，具體如圖4 所示。

圖4 對接距離與磁力關系Fig.4 The relationship between docking distance and magnetic force

由圖4 可知，對比之前只采用LNG 結(jié)構(gòu)，采用LNG+DT4 復合鐵芯后，只是在短距離的時候有所改善，長距離范圍反而有所下降。因此，通過繼續(xù)優(yōu)化LNG 和鐵芯的復合比例，難以增加對接距離，達不到設計指標要求。

2.3 LNG 直徑對磁力的影響

為研究磁體的直徑大小，對機構(gòu)磁場強度和對接磁力的影響，現(xiàn)將LNG 直徑12 mm 增加到16 mm，此時計算磁力大小結(jié)果如圖5 所示。

圖5 LNG 直徑與磁力關系Fig.5 The relationship between LNG diameter and magnetic force

由圖5 可知，在同等大小電流激勵下，直徑增加，相同對接距離處對接磁力增加，特別在200 mm距離處受力增加了約1 倍；在LNG 直徑同樣為16 mm 時，無電流激勵的對接磁力均小于由電流激勵狀態(tài)；其他參數(shù)相同，有/無電流激勵模型間的對接磁力差值隨著對接距離的增加而減小，且在500 mm處其差值僅約為1 mN。綜上所述，電流激勵具有增加對接磁力作用，但隨著距離的增加，電流激勵作用越小，在對接磁力達到要求時，可以不增加電流激勵，使用永磁力對接，減小對接能耗。

2.4 LNG 數(shù)量對磁力的影響

由上文研究可知，增加磁體LNG 直徑可以增加對接磁力。為研究磁體數(shù)目與對接磁力大小，在不增加對接機構(gòu)整體外形結(jié)構(gòu)下，增加LNG 磁體的數(shù)目。分別建立LNG 數(shù)量為2 個和4 個時的對接機構(gòu)模型，如圖6 所示。單個LNG 磁體尺寸及其外部線圈匝數(shù)等參數(shù)均一致，為排除電流激勵和線圈總匝數(shù)等因素對磁力大小的影響，3 種模型均不設外部激勵。

完成模型建立后，設置求解選項相關參數(shù)，計算出2 種模型在0～500 mm 范圍的對接磁力，結(jié)果如圖7 所示。由圖可知，增加LNG 數(shù)量，磁力明顯提升，且由4個LNG永磁體組成的單個模型在500 mm處磁力大于50 N，滿足對接指標要求。下面將對模型鎖緊和分離狀態(tài)進行分析。

2.5 溫度對磁力的影響

圖6 對接機構(gòu)模型Fig.6 Docking mechanism model

圖7 磁體數(shù)量與磁力關系Fig.7 The relationship between the number of magnets and the magnetic force

大部分永磁材料的磁性能隨著溫度升高而降低，而作為永磁材料的鋁鎳鈷（LNG）是對接結(jié)構(gòu)的關鍵材料。因此，為研究溫度升高對機構(gòu)磁力大小的影響，首先測量了20～500 ℃溫度范圍內(nèi)LNG 的磁體性能，具體見表1。表1 中：Temp 為溫度；Br為剩磁；Hcb為磁感矯頑力；Hcj為內(nèi)稟矯頑力；（BH）max為最大磁能積。

表1 磁體磁性能與溫度關系表Tab.1 Relationship table between magnetic properties and temperature of magnet

從表1 可以看出，隨著溫度的升高，磁體的剩磁、矯頑力和最大磁能積均有降低，但總體而言下降并不明顯。進一步使用有限元軟件對其進行仿真，計算出20 ℃、200 ℃和500 ℃時的磁力隨對接距離的變化情況，具體如圖8 所示。由圖可知，隨著溫度的上升，磁力降幅較小，這說明鋁鎳鈷材料可以適用于較高的溫度場合。

圖8 不同溫度下的磁力與對接距離Fig.8 The magnetic force and docking distance under different temperature

2.6 鎖緊/分離過程分析

本機構(gòu)除實現(xiàn)自主鎖緊外，還能實現(xiàn)自主分離，其鎖緊/分離狀態(tài)磁密分布和磁密矢量如圖9 所示。圖9（a）為鎖緊狀態(tài)磁密分布，由圖可知，鎖緊時磁通經(jīng)過對接端口，緊密地連接兩對接機構(gòu)。鎖緊磁密矢量方向如圖9（b）所示，由圖可知，兩對接機構(gòu)磁場方向一致，對接端口呈異性磁極，相互吸引。圖9（c）為分離狀態(tài)磁密分布，由圖可知，分離時對接端口磁密外泄，呈發(fā)散狀。分離磁密矢量方向如圖9（d）所示，由圖可知，出兩對接機構(gòu)磁場方向相反，對接端口呈同性磁極，相互排斥。

圖9 鎖緊/分離狀態(tài)磁密分布及矢量圖Fig.9 Magnetic density distribution and vector map in locking/separating state

完成磁通分析后，采用Maxwell 對鎖緊狀態(tài)下的磁吸力進行計算，計算出鎖緊磁力F=193 N，能夠滿足一般的微小型衛(wèi)星鎖緊需求。

當本系統(tǒng)接受到分離命令時，分別給兩機構(gòu)不同的脈沖電流。電流通過后，兩對接機構(gòu)具有26 N的磁斥力，使其分離。

2.7 樣機制作

根據(jù)上述理論計算結(jié)果，試制了電永磁對接/分離機構(gòu)樣機及其控制器，如圖10 所示。

圖10 樣機及其控制器Fig.10 Prototype and its controller

對接機構(gòu)樣機控制采用STM32 作為主控芯片，永磁體磁極極性驅(qū)動電路原理如圖11 所示，通過給電容C1 充電，控制輸出電壓的大小與方向，達到永磁體的N/S 極轉(zhuǎn)換及消磁功能。

具體工作時，當對接機構(gòu)需要進行對接時，控制對接機構(gòu)，使其對接面磁極呈異性，相互吸引；當完成對接之后，永磁體磁性仍然保持，實現(xiàn)鎖緊功能，該過程電源無需供電；當需要分離時，控制器控制對接機構(gòu)，使其對接面呈同性磁極，達到分離效果；當系統(tǒng)處于非工作狀態(tài)（無需對接、分離、鎖緊時），控制器控制對接機構(gòu)，使其永磁體消磁，以減小對飛行器的影響。

該樣機外形尺寸為110 mm×160 mm×30 mm，在控制器的控制下，對接工作面可以實現(xiàn)相互吸引、相互排斥功能以及消磁功能。采用拉力計對其鎖緊力進行實際測量，測得總對接磁力為183.8 N，與以上仿真計算得出的193 N 相比偏差較小。

3 勵磁線圈的優(yōu)化

圖11 驅(qū)動電路原理圖Fig.11 Schematic diagram of drive circuit

線圈是否可以產(chǎn)生足夠的磁場，令永磁體LNG磁化，是設計對接分離機構(gòu)一個重要指標，是系統(tǒng)對接、分離、鎖緊功能能否實現(xiàn)的關鍵所在。若線圈產(chǎn)生的磁場強度不能使磁體磁化，對接機構(gòu)將無法工作。

對于線圈通常是中心線兩端的磁場強度B最小，此處磁場需要達到磁體矯頑力的3 倍左右（本文需40 mT），才能較好地對LNG 進行反向充磁。

3.1 線圈產(chǎn)生磁場的核算

本論文采用的是有限長度的多層螺線管，若螺線管的外半徑為r0，內(nèi)半徑為ri，每層單位長度上的匝數(shù)為n1，單位厚度上的層數(shù)為n2，螺線管中心距軸線上某點的距離為z，通過計算可得到多層螺線管軸線上任意點的軸向磁場強度為

式中：當z=0 時為線圈中心處所產(chǎn)生的磁感應強度Bmax；當z=50 時為兩端處產(chǎn)生的磁感應強度Bmin。

使用有限元軟件，對線圈所產(chǎn)生的磁場強度進行計算，其結(jié)果如圖12 所示。

圖12 磁勢與磁場強度關系Fig.12 Relationship between magnetic potential and magnetic field intensity

在圖12 中，Bmin為線圈兩端處產(chǎn)生的場強，Bmax為線圈中心處所產(chǎn)生的場強。從圖中可以看出，僅改變線圈磁勢時，其產(chǎn)生磁通與磁勢大小成正比關系。且當線圈兩端產(chǎn)生的場強為40 mT 時，需6 500 At 磁勢；而線圈中心處產(chǎn)生場強為40 mT 時，僅需3 200 At 磁勢，此時線圈兩端磁場強度下降嚴重。

3.2 線圈端部磁場的優(yōu)化

因線圈產(chǎn)生的由于本系統(tǒng)所用電流源為4 A，線圈匝數(shù)為889 匝，磁勢能大小約為3 596 At，遠遠小于上文計算出的使得永磁體LNG 磁化的磁勢能6 500 At，永磁體將難以磁化，不能實現(xiàn)磁極方向的轉(zhuǎn)變以及充/退磁功能，對接機構(gòu)便無法實現(xiàn)對接、分離以及鎖緊功能。為解決該問題，通常有2 種方法：1）增加線圈的匝數(shù)或者電流；2）對線圈端部進行優(yōu)化。由于增加線圈匝數(shù)會增加系統(tǒng)體積和質(zhì)量，且系統(tǒng)最大輸出電流只有4 A，難以增加，所以線圈端部進行優(yōu)化更加適合本系統(tǒng)。

經(jīng)過理論磁路分析，得知在線圈兩端增加電工純鐵，以緩解線圈產(chǎn)生的磁通在兩端衰減。為進行驗證，使用仿真軟件進行計算，算出優(yōu)化前后線圈產(chǎn)生磁感應強度如圖13 所示。

圖13 線圈優(yōu)化前/后磁感應強度對比Fig13 Field intensity comparison before/after the coil optimization

從計算結(jié)果可知，優(yōu)化前、后線圈中部（最大）磁感應強度均為47 mT，優(yōu)化后線圈兩端（最?。┐鸥袘獜姸葍H為23 mT，優(yōu)化后線圈兩端（最?。┐鸥袘獜姸冗_到42 mT，端部效應明顯得到緩解，基本滿足系統(tǒng)使用。

4 結(jié)束語

電永磁對接/分離機構(gòu)可以有效提高對接距離，增加對接磁力。利用Maxwell 進行仿真分析，研究了多種影響對接磁力與對接距離的因素。經(jīng)過理論計算，對接過程在0～500 mm 處磁力均大于設計指標，且在500 mm 處磁力高達67.8 mN，相較于設定指標50 mN，提高了35%。最終，設計出了體積和質(zhì)量約束滿足設計指標的電永磁對接/分離機構(gòu)。