許 珍，林 旻，李金恩，張 博，毛青筠，閆阿儒

（1.中國(guó)科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波 305201；2.中國(guó)科學(xué)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(fù)雜，空間飛行器隨時(shí)都有可能因?yàn)槭?、退化或廢棄而失去價(jià)值，重新發(fā)射替代飛行器不僅會(huì)使成本增加，更會(huì)造成太空環(huán)境污染［1-3］。利用空間對(duì)接技術(shù)的在軌維護(hù)維修服務(wù)，可以有效解決這一問題。相應(yīng)地，空間對(duì)接技術(shù)不僅具有應(yīng)用成本低和延長(zhǎng)航天器的服役時(shí)間等優(yōu)勢(shì)，還為構(gòu)成空間大型平臺(tái)提供了實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。目前的空間對(duì)接機(jī)構(gòu)，主要有現(xiàn)階段使用較多的基于推力器的對(duì)接方式，以及正在處于研究階段的電磁對(duì)接機(jī)構(gòu)、電磁鑲嵌永磁體的對(duì)接機(jī)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(duì)接技術(shù)的主流方法，此技術(shù)已在多項(xiàng)工程實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用［6］。然而，這種方式存在著兩個(gè)主要問題：一是對(duì)接過程消耗的推進(jìn)劑量，直接影響航天器的工作壽命；二是為降低對(duì)接速度，必須采用反方向的推力對(duì)追蹤航天器進(jìn)行制動(dòng)，這樣不僅會(huì)導(dǎo)致羽流污染，還會(huì)引起目標(biāo)航天器姿態(tài)和位置的擾動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至使得對(duì)接過程失敗。

利用電磁作用原理實(shí)現(xiàn)兩航天器的對(duì)接［7-10］，可以有效避免推進(jìn)劑的消耗和羽流污染，理論上可把沖擊速度控制到零，實(shí)現(xiàn)航天器間的無碰撞對(duì)接，具有體積和質(zhì)量小、可靠性強(qiáng)且可多次重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。目前，公認(rèn)的主流電磁對(duì)接系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路為，僅利用電磁裝置實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引和對(duì)接，再利用精巧的機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接鎖緊，但目前還存在以下一些不足之處：1）對(duì)接機(jī)構(gòu)的作用力距離普遍較短，難以滿足長(zhǎng)距離對(duì)接的要求；2）對(duì)接過程中始終占用系統(tǒng)大量的電能，供給電磁對(duì)接時(shí)的電磁力，當(dāng)對(duì)接過程耗時(shí)較長(zhǎng)時(shí)尤其明顯；3）對(duì)接完成后，若使用電磁力鎖緊，將會(huì)持續(xù)損耗系統(tǒng)能源來產(chǎn)生電磁力，而若采用電機(jī)等其他機(jī)械鎖緊裝置，又會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜性，導(dǎo)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(duì)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(dǎo)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(dǎo)磁體作為對(duì)接機(jī)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(yīng)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(duì)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(shí)也會(huì)在永磁體周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng)干擾。

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

1 設(shè)計(jì)指標(biāo)及原理

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

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

圖1 對(duì)接裝置Fig.1 Docking device

進(jìn)一步優(yōu)化并設(shè)計(jì)適宜的電永磁對(duì)接機(jī)構(gòu)，使其滿足以下指標(biāo)：

1）磁路優(yōu)化設(shè)計(jì)方案指標(biāo)。在電壓24 V、電流4 A 的約束時(shí)，滿足下列指標(biāo)：200 mm 對(duì)接距離，電磁力量級(jí)50 mN；400 mm 對(duì)接距離，電磁力量級(jí)30 mN。

2）對(duì)接范圍磁感應(yīng)強(qiáng)度定量分析。對(duì)接距離內(nèi)對(duì)稱軸上的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化作對(duì)比：200 mm 對(duì)接距離，軸心點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度≥0.004 T（4 mT）；400 mm 對(duì)接距離，軸心點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度≥0.000 9 T（0.9 mT）。

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

1.2 工作原理

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

對(duì)接分離過程主要包括對(duì)接、鎖緊/分離，其工作過程磁極變化如圖2 所示。

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

當(dāng)對(duì)接目標(biāo)處于遠(yuǎn)距離對(duì)接范圍以內(nèi)，控制第一電永磁對(duì)接機(jī)構(gòu)和第二電永磁對(duì)接機(jī)構(gòu)，使對(duì)接端面的永磁體呈異性磁極，使其相互吸引，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、無污染、低能耗電永磁對(duì)接。當(dāng)對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)接距離達(dá)到中近距離范圍內(nèi)（1 m 內(nèi)），控制第一電永磁對(duì)接機(jī)構(gòu)和第二電永磁對(duì)接機(jī)構(gòu)，使電永磁對(duì)接機(jī)構(gòu)中永磁體消磁，利用磁力較小的電磁力實(shí)現(xiàn)對(duì)接機(jī)構(gòu)柔性對(duì)接。

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

當(dāng)對(duì)接機(jī)構(gòu)需要分離時(shí)，使其對(duì)接端面的永磁體呈同性磁極（也就是說，第一對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)接端面呈N 極，第二對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)接端面呈N 極；或者第一對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)接端面呈S 極，第二對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)接端面呈S 極），使得對(duì)接機(jī)構(gòu)分離。

當(dāng)完成分離工作后，對(duì)接機(jī)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(duì)接機(jī)構(gòu)通常是主被動(dòng)對(duì)接形式，主動(dòng)機(jī)構(gòu)通過一定的運(yùn)動(dòng)來捕獲被動(dòng)機(jī)構(gòu)，并完成最終的剛性連接。本文設(shè)計(jì)的電永磁對(duì)接分離機(jī)構(gòu)由第一對(duì)接機(jī)構(gòu)和第二對(duì)接機(jī)構(gòu)組成。第一對(duì)接機(jī)構(gòu)與第二對(duì)接機(jī)構(gòu)磁路基本一致，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，含有多組由軛鐵、永磁體、勵(lì)磁線圈以及控制電源；勵(lì)磁線圈設(shè)置在永磁體外圍，軛鐵設(shè)置于永磁體兩端；通過控制系統(tǒng)的控制，單個(gè)對(duì)接機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)N 極充磁、S 極充磁以及消磁功能，且磁場(chǎng)強(qiáng)度大小可調(diào)。

2 仿真設(shè)計(jì)及樣機(jī)制作

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

2.1 鐵芯材料替換

傳統(tǒng)電磁對(duì)接機(jī)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(duì)接磁力較小，對(duì)接距離短，且難以實(shí)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L(zhǎng)NG）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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的磁場(chǎng)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(chǔ)上疊加電流，除進(jìn)一步提高峰值磁場(chǎng)和力以外，也為精確調(diào)控提供了可能。

為研究對(duì)接機(jī)構(gòu)鐵芯材料改變對(duì)磁力及對(duì)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(zhǎng)度均為100 mm，線圈匝數(shù)為889 匝，線徑為1 mm，電流為4 A。計(jì)算其磁力隨對(duì)接距離的變化關(guān)系，如圖3所示。

圖3 對(duì)接距離與磁力關(guān)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(duì)接距離小于250 mm 時(shí)，DT4 鐵芯的對(duì)接機(jī)構(gòu)磁力大于LNG 作為鐵芯的對(duì)接機(jī)構(gòu)；但是250 mm 之后，LNG 鐵芯的對(duì)接磁力更大。分析其原因，DT4 電工純鐵的飽和磁化強(qiáng)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(duì)接距離與對(duì)接磁力。

2.2 復(fù)合鐵芯

為研究復(fù)合鐵芯對(duì)磁力和對(duì)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(jì)算復(fù)合鐵芯模型磁力大小與對(duì)接距離的關(guān)系，并與采用LNG 作為鐵芯的模型進(jìn)行對(duì)比，具體如圖4 所示。

圖4 對(duì)接距離與磁力關(guān)系Fig.4 The relationship between docking distance and magnetic force

由圖4 可知，對(duì)比之前只采用LNG 結(jié)構(gòu)，采用LNG+DT4 復(fù)合鐵芯后，只是在短距離的時(shí)候有所改善，長(zhǎng)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(fù)合比例，難以增加對(duì)接距離，達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

2.3 LNG 直徑對(duì)磁力的影響

為研究磁體的直徑大小，對(duì)機(jī)構(gòu)磁場(chǎng)強(qiáng)度和對(duì)接磁力的影響，現(xiàn)將LNG 直徑12 mm 增加到16 mm，此時(shí)計(jì)算磁力大小結(jié)果如圖5 所示。

圖5 LNG 直徑與磁力關(guān)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(lì)下，直徑增加，相同對(duì)接距離處對(duì)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(shí)，無電流激勵(lì)的對(duì)接磁力均小于由電流激勵(lì)狀態(tài)；其他參數(shù)相同，有/無電流激勵(lì)模型間的對(duì)接磁力差值隨著對(duì)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(lì)具有增加對(duì)接磁力作用，但隨著距離的增加，電流激勵(lì)作用越小，在對(duì)接磁力達(dá)到要求時(shí)，可以不增加電流激勵(lì)，使用永磁力對(duì)接，減小對(duì)接能耗。

2.4 LNG 數(shù)量對(duì)磁力的影響

由上文研究可知，增加磁體LNG 直徑可以增加對(duì)接磁力。為研究磁體數(shù)目與對(duì)接磁力大小，在不增加對(duì)接機(jī)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(gè)和4 個(gè)時(shí)的對(duì)接機(jī)構(gòu)模型，如圖6 所示。單個(gè)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(lì)和線圈總匝數(shù)等因素對(duì)磁力大小的影響，3 種模型均不設(shè)外部激勵(lì)。

完成模型建立后，設(shè)置求解選項(xiàng)相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出2 種模型在0～500 mm 范圍的對(duì)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(gè)LNG永磁體組成的單個(gè)模型在500 mm處磁力大于50 N，滿足對(duì)接指標(biāo)要求。下面將對(duì)模型鎖緊和分離狀態(tài)進(jìn)行分析。

2.5 溫度對(duì)磁力的影響

圖6 對(duì)接機(jī)構(gòu)模型Fig.6 Docking mechanism model

圖7 磁體數(shù)量與磁力關(guān)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(duì)接結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵材料。因此，為研究溫度升高對(duì)機(jī)構(gòu)磁力大小的影響，首先測(cè)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(guān)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(jìn)一步使用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行仿真，計(jì)算出20 ℃、200 ℃和500 ℃時(shí)的磁力隨對(duì)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(chǎng)合。

圖8 不同溫度下的磁力與對(duì)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(jī)構(gòu)除實(shí)現(xiàn)自主鎖緊外，還能實(shí)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(shí)磁通經(jīng)過對(duì)接端口，緊密地連接兩對(duì)接機(jī)構(gòu)。鎖緊磁密矢量方向如圖9（b）所示，由圖可知，兩對(duì)接機(jī)構(gòu)磁場(chǎng)方向一致，對(duì)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(shí)對(duì)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(duì)接機(jī)構(gòu)磁場(chǎng)方向相反，對(duì)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(duì)鎖緊狀態(tài)下的磁吸力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)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(dāng)本系統(tǒng)接受到分離命令時(shí)，分別給兩機(jī)構(gòu)不同的脈沖電流。電流通過后，兩對(duì)接機(jī)構(gòu)具有26 N的磁斥力，使其分離。

2.7 樣機(jī)制作

根據(jù)上述理論計(jì)算結(jié)果，試制了電永磁對(duì)接/分離機(jī)構(gòu)樣機(jī)及其控制器，如圖10 所示。

圖10 樣機(jī)及其控制器Fig.10 Prototype and its controller

對(duì)接機(jī)構(gòu)樣機(jī)控制采用STM32 作為主控芯片，永磁體磁極極性驅(qū)動(dòng)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(dá)到永磁體的N/S 極轉(zhuǎn)換及消磁功能。

具體工作時(shí)，當(dāng)對(duì)接機(jī)構(gòu)需要進(jìn)行對(duì)接時(shí)，控制對(duì)接機(jī)構(gòu)，使其對(duì)接面磁極呈異性，相互吸引；當(dāng)完成對(duì)接之后，永磁體磁性仍然保持，實(shí)現(xiàn)鎖緊功能，該過程電源無需供電；當(dāng)需要分離時(shí)，控制器控制對(duì)接機(jī)構(gòu)，使其對(duì)接面呈同性磁極，達(dá)到分離效果；當(dāng)系統(tǒng)處于非工作狀態(tài)（無需對(duì)接、分離、鎖緊時(shí)），控制器控制對(duì)接機(jī)構(gòu)，使其永磁體消磁，以減小對(duì)飛行器的影響。

該樣機(jī)外形尺寸為110 mm×160 mm×30 mm，在控制器的控制下，對(duì)接工作面可以實(shí)現(xiàn)相互吸引、相互排斥功能以及消磁功能。采用拉力計(jì)對(duì)其鎖緊力進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，測(cè)得總對(duì)接磁力為183.8 N，與以上仿真計(jì)算得出的193 N 相比偏差較小。

3 勵(lì)磁線圈的優(yōu)化

圖11 驅(qū)動(dòng)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(chǎng)，令永磁體LNG磁化，是設(shè)計(jì)對(duì)接分離機(jī)構(gòu)一個(gè)重要指標(biāo)，是系統(tǒng)對(duì)接、分離、鎖緊功能能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在。若線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度不能使磁體磁化，對(duì)接機(jī)構(gòu)將無法工作。

對(duì)于線圈通常是中心線兩端的磁場(chǎng)強(qiáng)度B最小，此處磁場(chǎng)需要達(dá)到磁體矯頑力的3 倍左右（本文需40 mT），才能較好地對(duì)LNG 進(jìn)行反向充磁。

3.1 線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的核算

本論文采用的是有限長(zhǎng)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(zhǎng)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(diǎn)的距離為z，通過計(jì)算可得到多層螺線管軸線上任意點(diǎn)的軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度為

式中：當(dāng)z=0 時(shí)為線圈中心處所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bmax；當(dāng)z=50 時(shí)為兩端處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bmin。

使用有限元軟件，對(duì)線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果如圖12 所示。

圖12 磁勢(shì)與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)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(chǎng)強(qiáng)，Bmax為線圈中心處所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)。從圖中可以看出，僅改變線圈磁勢(shì)時(shí)，其產(chǎn)生磁通與磁勢(shì)大小成正比關(guān)系。且當(dāng)線圈兩端產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)為40 mT 時(shí)，需6 500 At 磁勢(shì)；而線圈中心處產(chǎn)生場(chǎng)強(qiáng)為40 mT 時(shí)，僅需3 200 At 磁勢(shì)，此時(shí)線圈兩端磁場(chǎng)強(qiáng)度下降嚴(yán)重。

3.2 線圈端部磁場(chǎng)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(shì)能大小約為3 596 At，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上文計(jì)算出的使得永磁體LNG 磁化的磁勢(shì)能6 500 At，永磁體將難以磁化，不能實(shí)現(xiàn)磁極方向的轉(zhuǎn)變以及充/退磁功能，對(duì)接機(jī)構(gòu)便無法實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)線圈端部進(jìn)行優(yōu)化。由于增加線圈匝數(shù)會(huì)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(jìn)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(jìn)行驗(yàn)證，使用仿真軟件進(jìn)行計(jì)算，算出優(yōu)化前后線圈產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖13 所示。

圖13 線圈優(yōu)化前/后磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比Fig13 Field intensity comparison before/after the coil optimization

從計(jì)算結(jié)果可知，優(yōu)化前、后線圈中部（最大）磁感應(yīng)強(qiáng)度均為47 mT，優(yōu)化后線圈兩端（最?。┐鸥袘?yīng)強(qiáng)度僅為23 mT，優(yōu)化后線圈兩端（最?。┐鸥袘?yīng)強(qiáng)度達(dá)到42 mT，端部效應(yīng)明顯得到緩解，基本滿足系統(tǒng)使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

電永磁對(duì)接/分離機(jī)構(gòu)可以有效提高對(duì)接距離，增加對(duì)接磁力。利用Maxwell 進(jìn)行仿真分析，研究了多種影響對(duì)接磁力與對(duì)接距離的因素。經(jīng)過理論計(jì)算，對(duì)接過程在0～500 mm 處磁力均大于設(shè)計(jì)指標(biāo)，且在500 mm 處磁力高達(dá)67.8 mN，相較于設(shè)定指標(biāo)50 mN，提高了35%。最終，設(shè)計(jì)出了體積和質(zhì)量約束滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的電永磁對(duì)接/分離機(jī)構(gòu)。