CN112173176A - 一种电永磁对接分离装置及其对接分离方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种电永磁对接分离装置及其对接分离方法，包括第一电永磁对接机构和第二电永磁对接机构，所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构中均包含轭铁、永磁体、励磁线圈和控制电源，所述励磁线圈设置在所述永磁体外围，所述轭铁设置于所述永磁体的两端，所述控制电源与所述励磁线圈电连接，解决了现有技术中对接机构存在羽流污染、能耗高、锁紧装置结构复杂等问题。
Description
技术领域
本发明涉及对接技术领域，尤其涉及一种可重复实现对接、分离以及锁紧的精准电永磁对接分离装置及其对接分离方法。
背景技术
在远距离对接、大容差对接机构末端速度可控等技术领域，采用基于反冲作用的推力器来实现对接是目前对接技术的主流方法，此技术成熟、可靠，并在工程实际中得到广泛应用。然而，这种方式依然存在两个主要问题。一是对接过程的推进剂量直接影响对接机构的工作寿命；二是为降低对接速度，必须采用反方向的推力进行制动，这样不仅会导致羽流污染，也会引起姿态和位置的扰动。
目前，电磁对接机构是本领域研究的重点，电磁对接机构具有体积小、质量轻、可靠性强且可多次重复使用等优点；利用电磁作用原理实现对接，可以有效避免推进剂的消耗和羽流污染，理论上可把冲击速度控制到零，实现无碰撞对接。但是，现有的电磁对接也存在一些问题。一是在对接过程中将会占用系统大量电量来提供电磁对接时的电磁力供给；二是对接完成后若使用电磁力锁紧，将会持续损耗系统能耗来产生电磁力；三是若采用电机等其他锁紧装置锁紧，将会增加系统复杂性，以及其分离的难度增大，分离速度变慢。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中存在的问题，提供一种电永磁对接分离装置及对接分离方法，该装置及方法其利用电永磁作用原理，可重复实现对接、锁紧、分离，能够有效避免推进剂的消耗和羽流污染，同时可以节约能耗，增加对接距离，从而有效解决现有技术中存在羽流污染、能耗高、锁紧装置结构复杂等相关缺陷。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请公开了一种电永磁对接分离装置，包括第一电永磁对接机构和第二电永磁对接机构；
所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构中均包含轭铁、永磁体、励磁线圈和控制电源；
所述励磁线圈设置在所述永磁体外围，所述轭铁设置于所述永磁体的两端，所述控制电源与所述励磁线圈电连接。
优选的，所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构中的所述永磁体和所述励磁线圈的数目应当相同。
优选的，所述永磁体的材料为锰铝碳、铝镍钴或者铁铬钴中的至少一种，所述永磁体的矫顽力为30-200kA/m。
优选的，所述控制电源可输出脉冲电压，也可输出直流电压，且其输出电压正负和大小均可调。
优选的，所述励磁线圈产生的磁场强度在0-700kA/m之间。
优选的，所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构的对接端面为相互匹配的凹凸形。
优选的，所述脉冲电压的脉冲时长0.1-1秒，脉冲大小为5-20A。
优选的，所述轭铁并列设置于所述永磁体的两端，所述励磁线圈包裹在所述轭铁和所述永磁体的外围。
本申请还公开了一种对接分离方法，其利用上述任一项所述的电永磁对接分离装置进行对接分离，且所述对接分离方法具体包括对接方法、锁紧方法和分离方法，其中：
所述对接方法包括以下步骤：
S11、当所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构处于远距离范围内时，分别向所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构中的所述励磁线圈输出正(负)向强电压，使所述永磁体呈异性磁极并相互吸引；
S12、当所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构处于中近距离范围内时，分别向所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构中的所述励磁线圈输出负(正)向弱电压，使所述永磁体消磁；
S13、分别向所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构中的所述励磁线圈输出同向直流电压，使所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构利用所述励磁线圈的磁力较小的电磁力实现柔性对接；
所述锁紧方法包括以下步骤：
S21、当所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构的对接端面相接触后，分别向所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构中的所述励磁线圈输出正(负)向强电压，使所述永磁体呈异性磁极并相互吸引锁紧；
S22、停止向两所述励磁线圈输出正(负)向强电压，电永磁对接分离装置仍处于锁紧状态；
所述分离方法包括以下步骤：
S31、向所述第一电永磁对接机构或所述第二电永磁对接机构其中之一的所述励磁线圈输出正(负)向强电压，使所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构中的所述永磁体呈同性磁极并相互排斥；
S32、所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构相互分离至规定距离；
S33、分别向所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构中的所述励磁线圈输出负(正)向弱电压，使所述永磁体消磁。
优选的，所述强电压为脉冲电压，脉冲时长0.1-1秒，脉冲大小10-20A，所述弱电压为脉冲电压，脉冲时长0.1-1秒，脉冲大小5-10A，所述远距离范围为大于1米，所述中近距离范围为小于等于1米。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过控制所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构中的磁性大小、方向和有无实现对接、锁紧和分离，与传统采用推力器对接机构相比工作寿命长，无羽流污染，对接速度快，扰动小等优势；与现有电磁对接机构相比，本发明专利采用电永磁对接，具有对接磁力大，对接距离远，对接过程无需持续供电，能耗低等优势；此外，本发明除了实现传统对接机构自主对接等功能外，无需其他锁紧分离机构，具备自主实现分离锁紧的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明具体实施例中一种电永磁对接分离装置的结构示意图。
图2所示为与图1对应的磁路结构示意图。
图3所示为磁路的另一种具体实施例的结构示意图。
图4所示为本发明具体实施例中另一种电永磁对接分离装置的结构示意图。
图5所示为与图1对应的对接和锁紧状态磁极分布示意图。
图6所示为本发明具体实施例中一种对接方法流程示意图。
图7所示为与图6对应的一种锁紧方法流程示意图。
图8所示为与图7对应的一种分离方法流程示意图。
图9所示为与图1对应的分离状态磁极分布示意图。
附图标记说明：
第一电永磁对接机构：1 第二电永磁对接机构：2
轭铁：11 永磁体：12 励磁线圈：13
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
如图1，一种电永磁对接分离装置，包括第一电永磁对接机构1、第二电永磁对接机构2，其中第一电永磁对接机构1和第二电永磁对接机构2均包含：轭铁11、永磁体12、励磁线圈13；励磁线圈13设置在永磁体12外围，轭铁11设置于永磁体12两端。励磁线圈13由控制电源(图中“电源”)控制，励磁线圈13产生的磁场强度在0-700kA/m之间。通过控制电源的控制，单个对接分离机构可实现N极充磁、S极充磁以及消磁功能，且磁场强度大小可调。
磁路的结构组成如图2和图3，轭铁11可以并列设置在永磁体12两端，再用励磁线圈13包裹在轭铁11和永磁体12外围；也可以先将励磁线圈13包裹在永磁体12外围，再将轭铁11并列设置在励磁线圈13两端。
如图1所示，具体实施例中可以包含由单个轭铁11、永磁体12、励磁线圈13组合成的磁路，也可以如图4所示包含由多个轭铁11、永磁体12、励磁线圈13组合成的磁路。为了保证电永磁对接分离装置的工作效果，第一电永磁对接机构1和第二电永磁对接机构2中轭铁11、永磁体12、励磁线圈13组合成的磁路应相互对称，并且第一电永磁对接机构1和第二电永磁对接机构2中的永磁体12和励磁线圈13的数目可设置为相同。
永磁体12的材料为锰铝碳、铝镍钴或者铁铬钴中的至少一种，其矫顽力为30-200kA/m。第一电永磁对接机构1和第二电永磁对接机构2的对接端面为设计为相互匹配的凹凸形。
利用该电永磁对接分离装置可实现对接、锁紧和分离功能，分别对应对接方法、锁紧方法和分离方法。
如图5所示，为电永磁对接分离装置对接过程磁极分布，其对接端面呈异极性，即一端为S(N)极，一端为N(S)极。电永磁对接分离装置对接过程分为远距离对接和中近距离对接，对接方法的步骤如图6所示：
S11、强磁吸引：远距离范围时(大于1米)，由于纯电磁力磁力线深度短，电磁力小等因素，故远距离采用永磁力进行对接，通过控制电源同时向励磁线圈13输出正(负)向脉冲电压(较大的瞬时脉冲电压，脉冲时长0.1-1秒，脉冲大小10-20A)，控制第一电永磁对接机构1和第二电永磁对接机构2，使第一电永磁对接机构1和第二电永磁对接机构2对接端面的永磁体12呈异性磁极(即第一电永磁对接机构1对接端面呈N极，第二电永磁对接机构2对接端面呈S极；或者第一电永磁对接机构1对接端面呈S极，第二电永磁对接机构2对接端面呈N极)。利用永磁体12异性磁极相互吸引的特性，实现远距离、无污染、低能耗电永磁远距离吸引，使对接距离达到中近距离。
S12、消磁：中近距离范围时(1米内)，在使用电磁力进行对接前，需要使电永磁对接分离装置中的永磁体12消磁。其消磁主要通过控制第一电永磁对接机构1和第二电永磁对接机构2，使得控制电源同时向励磁线圈13输出负(正)向脉冲电压(较小的瞬时脉冲电压，脉冲时长0.1-1秒，脉冲大小5-10A)，使永磁体12消磁(即第一电永磁对接机构1和第二电永磁对接机构2中永磁体12均无磁性，处于消磁状态)。
S13、电磁对接：因电磁力大小调节容易，故中近端使用磁力较小的电磁力进行对接。通过控制电源输出直流电压，利用磁力较小的电磁力实现对接机构柔性对接。电磁力大小具体通过流过励磁线圈13中的电流大小来控制，通常可取5-10A，励磁线圈13产生的磁场极性通过电流流过方向来控制。
本实施例中电永磁对接分离装置的锁紧方法如图7所示：
S21、充磁：通过控制电源同时向励磁线圈13输出正(负)向脉冲电压(较大的瞬时脉冲电压，脉冲时长0.1-1秒，脉冲大小10-20A)，实现对接端面的永磁体12呈异性磁极(即第一电永磁对接机构1对接端面呈N极，第二电永磁对接机构2对接端面呈S极；或者第一电永磁对接机构1对接端面呈S极，第二电永磁对接机构2对接端面呈N极)，利用永磁体12异性磁极相互吸引完成装置的锁紧。
S22、断电锁紧：停止向励磁线圈13输出正(负)向强电压，此时，由于永磁体12已经被充磁，虽停止向励磁线圈13输出正(负)向强电压，但永磁体12的磁性仍存在，电永磁对接分离装置可一直处在锁紧状态。
本实施例中电永磁对接分离装置的分离方法如图8所示：
S31、强磁排斥：电永磁对接分离装置分离过程的磁极分布如图9所示，其对接端面呈同极性，即一端为S(N)极，另一端也为S(N)极。电永磁对接分离装置中永磁体12极性通过控制电源来控制，实现其极性转换成同极性。具体可分为两种情况：一种是，分离时若对接端面无磁性，此时通过控制电源向第一电永磁对接机构1中的励磁线圈13输出正(负)向脉冲电压(较大的瞬时脉冲电压，脉冲时长0.1-1秒，脉冲大小10-20A)，向第二电永磁对接机构2中的励磁线圈13输出负(正)向脉冲电压(较大的瞬时脉冲电压，脉冲时长0.1-1秒，脉冲大小10-20A)，使电永磁对接分离装置对接端面呈同极性磁极(即第一电永磁对接机构1对接端面呈N极，第二电永磁对接机构2对接端面呈N极；或者第一电永磁对接机构1对接端面呈S极，第二电永磁对接机构2对接端面呈S极)，达到强磁排斥分离效果；另一种，若对接面相互吸持锁紧，可以使第一电永磁对接机构1(或第二电永磁对接机构2)无电源输入，向第二电永磁对接机构2(或第一电永磁对接机构1)中的励磁线圈13输出负(正)向脉冲电压，使其对接端面的永磁体12呈同性磁极(即第一电永磁对接机构1对接端面呈N极，第二电永磁对接机构2对接端面呈N极；或者第一电永磁对接机构1对接端面呈S极，第二电永磁对接机构2对接端面呈S极)，使得电永磁对接分离装置分离。
S32、分离脱开：完成分离后，使第一电永磁对接机构1和第二电永磁对接机构2相互分离至规定距离(通常为大于1米)。
S33、消磁：通过控制电源向第一电永磁对接机构1中的励磁线圈13输出负(正)向脉冲电压(较小的瞬时脉冲电压，脉冲时长0.1-1秒，脉冲大小5-10A)，向第二电永磁对接机构2中的励磁线圈13输出正(负)向脉冲电压(较小的瞬时脉冲电压，脉冲时长0.1-1秒，脉冲大小5-10A)，其电永磁对接分离装置中永磁体12消磁，对接机构无磁性，可为下一次对接做准备。
综上所述，本实施例所提供的电永磁对接分离装置，与现有技术相比具有下列优点：
1)本发明专利采用新型电永磁对接分离装置，与传统采用推力器对接机构相比工作寿命长，无羽流污染，对接速度快，扰动小；
2)与现有电磁对接机构相比，本发明专利采用电永磁对接，具有对接磁力大，对接距离远，对接过程无需持续供电，能耗低等优势；
3)本实施例的特殊磁路设计，除了实现传统对接机构自主对接等功能外，还具备无需其他锁紧分离机构，自主实现分离锁紧等功能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种电永磁对接分离装置，其特征在于，包括第一电永磁对接机构和第二电永磁对接机构；
所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构中均包含轭铁、永磁体、励磁线圈和控制电源；
所述励磁线圈设置在所述永磁体外围，所述轭铁设置于所述永磁体的两端，所述控制电源与所述励磁线圈电连接。
2.如权利要求1所述的电永磁对接分离装置，其特征在于，所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构中的所述永磁体和所述励磁线圈的数目应当相同。
3.如权利要求1所述的电永磁对接分离装置，其特征在于，所述永磁体的材料为锰铝碳、铝镍钴或者铁铬钴中的至少一种，所述永磁体的矫顽力为30-200kA/m。
4.如权利要求1所述的电永磁对接分离装置，其特征在于，所述控制电源可输出脉冲电压，也可输出直流电压，且其输出电压正负和大小均可调。
5.如权利要求1所述的电永磁对接分离装置，其特征在于，所述励磁线圈产生的磁场强度在0-700kA/m之间。
6.如权利要求1所述的电永磁对接分离装置，其特征在于，所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构的对接端面为相互匹配的凹凸形。
7.如权利要求4所述的电永磁对接分离装置，其特征在于，所述脉冲电压的脉冲时长0.1-1秒，脉冲大小为5-20A。
8.如权利要求1所述的电永磁对接分离装置，其特征在于，所述轭铁并列设置于所述永磁体的两端，所述励磁线圈包裹在所述轭铁和所述永磁体的外围。
9.一种对接分离方法，其特征在于，其利用上述任一项所述的电永磁对接分离装置进行对接分离，且所述对接分离方法具体包括对接方法、锁紧方法和分离方法，其中：
所述对接方法包括以下步骤：
S11、当所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构处于远距离范围内时，分别向所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构中的所述励磁线圈输出正(负)向强电压，使所述永磁体呈异性磁极并相互吸引；
S12、当所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构处于中近距离范围内时，分别向所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构中的所述励磁线圈输出负(正)向弱电压，使所述永磁体消磁；
S13、分别向所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构中的所述励磁线圈输出同向直流电压，使所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构利用所述励磁线圈的磁力较小的电磁力实现柔性对接；
所述锁紧方法包括以下步骤：
S21、当所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构的对接端面相接触后，分别向所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构中的所述励磁线圈输出正(负)向强电压，使所述永磁体呈异性磁极并相互吸引锁紧；
S22、停止向两所述励磁线圈输出正(负)向强电压，电永磁对接分离装置仍处于锁紧状态；
所述分离方法包括以下步骤：
S31、向所述第一电永磁对接机构或所述第二电永磁对接机构其中之一的所述励磁线圈输出正(负)向强电压，使所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构中的所述永磁体呈同性磁极并相互排斥；
S32、所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构相互分离至规定距离；
S33、分别向所述第一电永磁对接机构和所述第二电永磁对接机构中的所述励磁线圈输出负(正)向弱电压，使所述永磁体消磁。
10.如权利要求9所述的对接分离方法，其特征在于，所述强电压为脉冲电压，脉冲时长0.1-1秒，脉冲大小10-20A，所述弱电压为脉冲电压，脉冲时长0.1-1秒，脉冲大小5-10A，所述远距离范围为大于1米，所述中近距离范围为小于等于1米。
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