CN113204834B - 电磁消旋装置、设计方法和航天器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电磁消旋装置、设计方法和航天器，所述装置包括外电磁线圈、内电磁线圈和圆环状排列的永磁体阵列，永磁体阵列包括多个无缝隙排列且组成Halbach构型的永磁体，永磁体阵列的磁化方向为轴向磁化。外电磁线圈缠绕在永磁体阵列径向的外侧表面，内电磁线圈缠绕在永磁体阵列径向的内侧表面。外电磁线圈和内电磁线圈分别用于电连接星上电源，在被消旋目标所在一侧对设定消旋距离处的消旋区域进行磁场加强。与传统的电磁消旋装置相比，具有磁场稳定且幅值可控的优势，而具有磁路约束及显著区域磁场加强能力，对外磁场的持续控制能力强，更适用于微纳航天器的消旋任务，可有效避免微纳航天器的星上电子受到电磁场干扰，综合性能较强。

Description

电磁消旋装置、设计方法和航天器

技术领域

本申请涉及微纳航天器技术领域，特别是涉及一种电磁消旋装置、设计方法和航天器。

背景技术

随着在轨失效航天器日趋增多且占据轨道资源，对其他正常运行航天器产生威胁，发展拖曳离轨手段势在必行；失效航天器一般呈高速旋转状态，消旋为拖曳离轨的先期步骤。目前，消旋方式可分为接触式与非接触式两种，其中以电磁元件为核心的消旋装置优势明显；电磁消旋技术具有非接触操控、无羽流污染、无燃料消耗、安全可靠等优势，限于磁场大小、磁场分布空间、两航天器相对距离、消旋装置质量/体积及星上处理能力等限制，基于微纳航天器的电磁消旋需考虑相关约束。

航天器电磁消旋技术近几年已得到院校、航天科研机构及工业部门关注，开展了初步理论与地面试验测试研究，建立了相关磁场模型、构建了部分测试装置、开展了初步地面试验。已有的电磁消旋装置磁场激励源主要包括三种：超导线圈、永磁体和常导线圈，然而，在实现本发明过程中，发明人发现前述传统的电磁消旋装置，存在着综合性能不足的技术问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种综合性能较强的电磁消旋装置、一种电磁消旋装置设计方法以及一种航天器。

为了实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

一方面，本发明实施例提供一种电磁消旋装置，包括外电磁线圈、内电磁线圈和圆环状排列的永磁体阵列，永磁体阵列包括多个无缝隙排列且组成Halbach构型的永磁体，永磁体阵列的磁化方向为轴向磁化；

外电磁线圈缠绕在永磁体阵列径向的外侧表面，内电磁线圈缠绕在永磁体阵列径向的内侧表面；

外电磁线圈和内电磁线圈分别用于电连接星上电源，在被消旋目标所在一侧对设定消旋距离处的消旋区域进行磁场加强。

另一方面，还提供一种电磁消旋装置设计方法，包括步骤：

获取电磁消旋装置设计的约束指标；约束指标包括装置质量、几何包络、线圈通电电流和最大磁场值的消旋距离；

根据几何包络和最大磁场值的消旋距离进行永磁体磁路设计，确定电磁消旋装置的构型；构型为Halbach构型的圆环状永磁体阵列，且磁化方向为轴向磁化；

根据最大磁场值的消旋距离，设置并进行不同极对数的永磁体阵列的磁感应强度分布对比试验，确定构型的最佳极对数；

根据电磁消旋装置所需的磁场幅值控制能力及最大磁场值的消旋距离，确定构型的径向表面组件；表面组件包括缠绕在永磁体阵列径向的外侧表面的外电磁线圈，以及缠绕在永磁体阵列径向的内侧表面的内电磁线圈；

根据装置质量和线圈通电电流，确定永磁体阵列中各永磁体的选材与几何尺寸，并确定外电磁线圈和内电磁线圈的选材及几何尺寸；

根据构型、各永磁体的选材与几何尺寸，以及外电磁线圈和内电磁线圈的选材及几何尺寸，制作电磁消旋装置。

又一方面，还提供一种航天器，包括舱体和上述的电磁消旋装置，电磁消旋装置安装在舱体上并电连接舱体中的星上电源，电磁消旋装置用于对被消旋目标进行电磁消旋。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

上述电磁消旋装置、设计方法和航天器，通过采用Halbach构型的圆环状永磁体阵列的永磁体构型，提供单侧的定向磁场；在圆环状永磁体阵列的径向上分别缠绕外电磁线圈和内电磁线圈，提供区域磁场强度控制能力，从而使得装置可以向被消旋目标所在一侧定向发射磁场，以对被消旋目标消旋，并且能够在设定的消旋区域内进行磁场幅值可控增强，消旋能力更强且可以有效避免电磁场对星上电子元件造成干扰。与传统的电磁消旋装置相比，具有磁场稳定且幅值可控的优势，而具有磁路约束及显著区域磁场加强能力，对外磁场的持续控制能力强，更适用于微纳航天器的消旋任务，可有效避免微纳航天器的星上电子受到电磁场干扰，达到了综合性能较强的目的。

附图说明

图1为一个实施例中电磁消旋装置的结构示意图；

图2为另一个实施例中电磁消旋装置的结构示意图；

图3为一个实施例中电磁消旋装置设计方法的流程示意图；

图4为一个实施例中奇数号永磁体与内外线圈磁场计算坐标系的示意图；

图5为一个实施例中偶数号永磁体磁场计算坐标系的示意图；

图6为一个实施例中电磁线圈剖面的示意图；

图7为一个实施例中线圈磁场软件仿真与理论模型对比示意图；

图8为一个实施例中永磁体剖面示意图；

图9为一个实施例中永磁体磁场软件仿真与理论模型对比示意图；

图10为一个实施例中永磁体阵列的两种磁化方向的示意图；

图11为一个实施例中两种磁化方向不同的磁场加强区域的示意图；

图12为一个实施例中三种极对数方案的磁感应强度分布示意图；

图13为一个实施例中电磁消旋装置的剖面示意图；

图14为一个实施例中不同线圈厚度下磁感应强度值的示意图；

图15为一个实施例中不同线圈厚度下磁场幅值变化的示意图；

图16为一个实施例中磁场软件仿真与模型对比示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件，即也可以是间接连接到另一个元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

目前，已有的电磁消旋装置的磁场激励源主要包括三种：超导线圈、永磁体和常导线圈，就提供的电磁力/力矩与热效应影响来说，采用超导线圈作为磁场源效果最好。超导线圈对工作时的环境温度要求较高，只有当温度低于临界点时，超导材料的电阻方能为0，不再产生热量；因此，在实际应用中需额外设计冷却装置，增加了系统的复杂性与发射成本。永磁体产生的磁场分布固定，对工作温度要求低、精度高、结构简单且不易受外界电磁场干扰，可通过对永磁体的指向/充磁控制来改变外部磁场分布，工作原理简单可靠，适用于太空操控任务。常导线圈的优缺点鉴于两者之间，相比超导线圈，系统复杂度偏低，工作温度范围更广；相比永磁体，常导线圈对磁场的控制能力更强，且在诸多电磁装置已得到广泛应用，相关技术成熟。

然而，目前，正开展研究与设计的、面向微纳航天器在轨应用的电磁消旋装置主要采用永磁体阵列或超导线圈方式，存在一些不足，主要体现为：

磁场未能得到充分利用：电磁线圈与永磁体磁场的磁力线总是由磁北极出发而归于磁南极，同时具有高度对称性；距离越远磁力线密度越小，导致微纳航天器间磁感应强度偏小，消旋距离因此受限；磁场向电磁装置两边发散，而被消旋目标仅在其中一侧，因而装置所产生的磁场未能得到充分利用。

装置电能消耗大：采用超导线圈的消旋装置，由于超导体对工作环境的低温需求，需额外设计冷却装置提供降温功能，增加了系统复杂性与电能的消耗。

不满足消旋磁场强度与距离需求：采用常导线圈固然无需降温，但磁场随距离的增加呈指数倍递减，其产生的磁场大小不足以实现较远距离的消旋功能，导致有效消旋距离受限，较近距离消旋存在与高速旋转目标发生碰撞的风险。

对磁场的控制能力不足：采用永磁体作为激励源的消旋装置若想实现对磁场大小与分布空间的控制，只有改变永磁体空间位置这一方式，导致装置需具备旋转、平移等功能，增加了结构的复杂性。

综上，电磁消旋装置的综合性能明显不足，因此，本发明针对传统的电磁消旋装置存在着的综合性能不足的技术问题，设计了一种满足微纳航天器消旋磁场强度与距离需求、具有磁场约束增强及幅值控制能力的电磁消旋装置，其综合性能较强。

请参阅图1，在一个实施例中，提供了一种电磁消旋装置100，包括外电磁线圈12、内电磁线圈14和圆环状排列的永磁体阵列16。永磁体阵列16包括多个无缝隙排列且组成Halbach构型的永磁体，永磁体阵列16的磁化方向为轴向磁化。外电磁线圈12缠绕在永磁体阵列16径向的外侧表面，内电磁线圈14缠绕在永磁体阵列16径向的内侧表面。外电磁线圈12和内电磁线圈14分别用于电连接星上电源，在被消旋目标所在一侧对设定消旋距离处的消旋区域进行磁场加强。

可以理解，被消旋目标可以是已失效或未失效的微纳卫星。Halbach构型也即海尔贝克构型。设定消旋距离是指在实际应用中，能够对被消旋目标进行有效消旋的区域与电磁消旋装置100之间的距离，例如但不限于100mm至200mm中的任意距离。

具体的，电磁消旋装置100的构型设计如图1所示，由内外两个电磁线圈裹挟按一定规律磁化的Halbach构型的永磁体阵列16，永磁体阵列16呈圆环状且阵列中各永磁体之间无缝隙组合排列，其中每个永磁体上的箭头表示其磁化方向。采用Halbach构型的永磁体阵列16，将磁场集束于电磁消旋装置100的一侧，可避免磁场的发散及对星上电子元件造成干扰。采用内外两个电磁线圈，通过改变线圈的电流大小以达到对磁场幅值的控制，产生所需的稳定磁场。优选的，采用常导线圈作为前述电磁线圈。

上述电磁消旋装置100，通过采用Halbach构型的圆环状永磁体阵列16的永磁体构型，提供单侧的定向磁场；在圆环状永磁体阵列16的径向上分别缠绕外电磁线圈12和内电磁线圈14，提供区域磁场强度控制能力，从而使得装置可以向被消旋目标所在一侧定向发射磁场，以对被消旋目标消旋，并且能够在设定的消旋区域内进行磁场幅值可控增强，消旋能力更强且可以有效避免电磁场对星上电子元件造成干扰。与传统的电磁消旋装置相比，具有磁场稳定且幅值可控的优势，而具有磁路约束及显著区域磁场加强能力，对外磁场的持续控制能力强，更适用于微纳航天器的消旋任务，可有效避免微纳航天器的星上电子受到电磁场干扰，达到了综合性能较强的目的。

请参阅图2，在一个实施例中，永磁体阵列16包括8个均相同的永磁体，永磁体阵列16的极对数为4。可以理解，在上述实施例中，永磁体阵列16的极对数可以是2，也可以是4，还可以是6或8，不同的极对数可以在设定消旋距离处获得不同的磁感应强度及其磁场分布均匀度。在本实施例中，优选的，采用8个均相同的永磁体(编号为1号至8号，并且标注其磁化方向)组成极对数为4的永磁体阵列16，经过仿真试验可以确定，极对数为4时，无论是磁感应强度大小还是磁场均匀度，相比其他极对数而言均达到了最优。此外，极对数越多，永磁体阵列16的加工难度越大，因此，采用极对数为4的上述永磁体阵列16构型，可以达到显著优化磁场性能且加工难度不高。

在一个实施例中，永磁体包括铁氧永磁体、铁铬钴永磁体、稀土钴永磁体或钕铁硼永磁体。可选的，在材料选取上，由于太空发射成本高昂，电磁消旋装置100的体积与质量需尽可能小。当前，市场上永磁体材料应用较广的主要分为铁氧类、铁铬钴类、稀土钴类、钕铁硼类等，因此，在一些实施方式中，可以采用铁氧永磁体、铁铬钴永磁体、稀土钴永磁体或钕铁硼永磁体作为永磁体，具体可以根据装置的具体体积与质量要求等进行选择。

在一个实施例中，优选的，永磁体为柱状体的钕铁硼永磁体。可以理解，钕铁硼材料的永磁体具有体积小、质量轻、剩磁与矫顽力高、磁特性好等特点；同时，钕铁硼材料的抗弯强度与抗压强度比稀土钴材料高，热膨胀系数在各材料中最小，综合性能优异。

在一个实施例中，外电磁线圈12包括银制线圈或铜制线圈，内电磁线圈14包括银制线圈或铜制线圈。可以理解，电磁线圈所用的导线方面，在相同条件下，导电性最好的金属为银，电阻率最低，其化学性质稳定，活跃性低，导热导电性能好，然而价格十分而昂贵，因此，在一些实施方式中(如成本限制较宽)，可以选择采用银制线圈来绕制前述两种电磁线圈。此外。目前广泛使用的铜，其导电性仅次于银，且铜制导线具有制作工艺简单，价格低廉，使用广泛等优势，因此，在一些实施方式中，也可以采用铜制线圈来绕制前述两种电磁线圈。

在一个实施例中，永磁体阵列16为高度为35mm、内径为80mm且外径为120mm的圆环状Halbach构型阵列，外电磁线圈12和内电磁线圈14均为铜漆包线绕成的厚度为15mm的电磁线圈。可选的，在本实施例中，对于其中一种给定设计要求的电磁消旋装置100，根据其给定的质量和尺寸等约束进行仿真优化设计，可以确定，上述Halbach构型的永磁体阵列16(也即圆环状永磁体)水平放置状态下，其永磁体的高度为35mm，阵列的圆心为原点，则内径为80mm且外径为120mm，内/外两个电磁线圈的厚度均为15mm且采用铜漆包线绕制而成，此时能够很好地满足设计要求且装置的综合性能较高。

在一个实施例中，铜漆包线的直径为1mm。可选的，在本实施例中，采用的铜漆包线为直径是1mm的包线，可以更好地满足所设计的电磁消旋装置100的绕线区域限制，使得导线之间能够更紧密排布以提高使用率，利于进一步提升电磁消旋装置100的综合性能。

请参阅图3，另一方面，本发明还提供一种电磁消旋装置设计方法，包括如下步骤S12至S22：

S12，获取电磁消旋装置设计的约束指标；约束指标包括装置质量、几何包络、线圈通电电流和最大磁场值的消旋距离。

可以理解，在设计时，需要考虑微纳卫星平台的约束，基于电磁消旋装的质量、体积、磁场强度和幅值控制约束等要求，可给定单套电磁消旋装置的约束指标，例如至少包括装置质量、几何包络、线圈通电电流和最大磁场值的消旋距离，最大磁场值的消旋距离是指为满足消旋的力矩需求，在距离电磁消旋装置设定消旋距离内其磁场值追求最大的距离，以使电磁消旋装置具备足够的电磁力矩作用能力。

S14，根据几何包络和最大磁场值的消旋距离进行永磁体磁路设计，确定电磁消旋装置的构型；构型为Halbach构型的圆环状永磁体阵列，且磁化方向为轴向磁化；

S16，根据最大磁场值的消旋距离，设置并进行不同极对数的永磁体阵列的磁感应强度分布对比试验，确定构型的最佳极对数；

S18，根据电磁消旋装置所需的磁场幅值控制能力及最大磁场值的消旋距离，确定构型的径向表面组件；表面组件包括缠绕在永磁体阵列径向的外侧表面的外电磁线圈，以及缠绕在永磁体阵列径向的内侧表面的内电磁线圈；

S20，根据装置质量和线圈通电电流，确定永磁体阵列中各永磁体的选材与几何尺寸，并确定外电磁线圈和内电磁线圈的选材及几何尺寸；

S22，根据构型、各永磁体的选材与几何尺寸，以及外电磁线圈和内电磁线圈的选材及几何尺寸，制作电磁消旋装置。

可以理解，关于上述电磁消旋装置的具体解释说明，可以参照上述各电磁消旋装置100的相关实施例中的解释说明同理理解，此处不再展开赘述。

上述电磁消旋装置设计方法，通过上述设计步骤，可以在给定的约束指标下，利用电磁消旋装置的基本元件分析、线圈磁场特性分析、永磁体磁场特性分析等手段，进行永磁体磁路设计以及Halbach构型极对数确定，进而进行装置的选材与几何尺寸设计，即可利用确定的设计参数制作所需的高性能电磁消旋装置。针对不同的应用需要，可以在设计过程中依据给定的不同约束指标或选择不同的设计参数，即可设计制作不同综合性能的Halbach构型的电磁消旋装置。

请参阅图4和图5，在一个实施例中，构型的最佳极对数为4，构型包括1至8号形状与尺寸均相同的钕铁硼永磁体；

上述设计方法还包括如下步骤：

采用球坐标系通过如下模型，分别确定1号、3号、5号和7号永磁体在设定消旋位置处的磁感应强度；

1号和5号永磁体在设定消旋位置处的磁感应强度模型为：

其中，μ₀表示真空磁导率，I₁表示1号永磁体近似为圆柱体的等效表面电流，R₁表示1号永磁体近似为圆柱体的等效底面半径，r₁表示1号永磁体近似为圆柱体后设定消旋位置至圆柱轴线的垂直距离，

表示1号永磁体近似为圆柱体后圆柱轴线与设定消旋位置至圆柱中心点连线之间的夹角，I₅表示5号永磁体近似为圆柱体的等效表面电流，R₅表示5号永磁体近似为圆柱体的等效底面半径，r₅表示5号永磁体近似为圆柱体后设定消旋位置至圆柱轴线的垂直距离，

表示5号永磁体近似为圆柱体后圆柱轴线与设定消旋位置至圆柱中心点连线之间的夹角。

3号和7号永磁体在设定消旋位置处的磁感应强度模型为：

其中，I₃表示3号永磁体近似为圆柱体的等效表面电流，R₃表示3号永磁体近似为圆柱体的等效底面半径，r₃表示3号永磁体近似为圆柱体后设定消旋位置至圆柱轴线的垂直距离，

表示3号永磁体近似为圆柱体后圆柱轴线与设定消旋位置至圆柱中心点连线之间的夹角，I₇表示7号永磁体近似为圆柱体的等效表面电流，R₇表示7号永磁体近似为圆柱体的等效底面半径，r₇表示7号永磁体近似为圆柱体后设定消旋位置至圆柱轴线的垂直距离，

表示7号永磁体近似为圆柱体后圆柱轴线与设定消旋位置至圆柱中心点连线之间的夹角。

设置参考坐标，按磁化方向将i号永磁体近似为圆柱体并设几何中心为坐标原点，若确定参考坐标的原点指向圆柱体的坐标原点的连线为+y轴、竖直向上为+x轴且磁化方向为z轴，则i号永磁体在设定消旋位置处的磁感应强度简化计算为：

其中，i＝(2,4,6,8)，μ₀表示真空磁导率，I_i表示i号永磁体近似为圆柱体的等效表面电流，R_i表示i号永磁体按磁化方向近似为圆柱体的底面半径，r_i表示i号永磁体近似为圆柱体后设定消旋位置至圆柱轴线的垂直距离，

表示i号永磁体近似为圆柱体后设定消旋位置至圆柱体的坐标原点的连线与z轴的夹角，θ_i表示设定消旋位置在i号永磁体的xoy平面的投影与x轴的夹角。

可以理解，电磁消旋装置由八块永磁体与内外两个电磁线圈构成，因此总磁场应当由这十块元件各自产生的磁场叠加而成：由图2可得，八块永磁体被编成1号至8号；可以看到，1号、3号、5号和7号永磁体其磁化方向与内外线圈轴线方向相同，因此可在同一坐标系内进行分析与计算；而2号、4号、6号和8号永磁体需采用各自新坐标系计算。

具体的，对于奇数号永磁体与内外线圈磁场：设定坐标系如图4所示；为方便分析计算，消旋装置外一P点(也即设定消旋位置)位于zoy平面。设P点的球坐标为

针对内外线圈，在不进行等分处理时，两个线圈在P点处的z向磁感应强度为：

其中，μ₀表示真空磁导率，I表示线圈通电电流，R_内表示内电磁线圈的半径，r表示设定消旋位置至z轴的垂直距离，

表示设定消旋位置至O点的连线与z轴之间的夹角，R_外表示外电磁线圈的半径。(4)式中，内外线圈的半径为考虑了线圈厚度的平均半径。

将永磁体按磁化方向近似为圆柱体：I则为永磁体近似后的表面电流，R为近似后的圆柱底面半径，均可通过设计尺寸进行几何解算获得。则1号与5号永磁体在P点处的z向磁感应强度即为上式(1)所示，3号与7号永磁体在P点处的z向磁感应强度即为上式(2)所示；因此，式(4)、(1)和(2)之和为奇数号永磁体与内外线圈在P点处的z向磁感应强度值。

对于偶数号永磁体磁场：设定计算参考坐标系如图5所示：以i＝8号永磁体为例，按磁化方向将其近似为圆柱体，设其几何中心为原点；图5中坐标系原点指向该原点的连线为+y轴，竖直向上为+x轴方向，磁化方向为+z轴方向，坐标点P不变。

则，P点x轴向的磁感应强度矢量B_x为：

其中，θ为点P在xoy平面的投影与x轴的夹角。则8号永磁体在点P处的磁感应强度即为上述式(3)所示。式(3)中，R为永磁体按磁化方向近似为圆柱体的底面半径，l为圆柱体的高，I₂＝I₄＝I₆＝I₈＝Ml，

通过设计尺寸进行几何解算获得。其余偶数号永磁体均采用该方法对P点处的磁感应强度进行计算。

通过上述步骤，即可利用上述提供的电磁消旋装置的有效磁场模型进行所需的参数调整设计，提高装置对外磁场的持续控制能力。

应该理解的是，虽然图3流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且图3的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，为了更直观且全面地说明上述电磁消旋装置设计方法，下面是某一给定约束指标的单套电磁消旋装置的设计为例，对本发明提出的设计方法进行说明和验证的示例。需要说明的是，本说明书中给出的实施案例仅为示意性的，并非为本发明具体实施案例的唯一限定，本领域技术人员可以在本发明提供的实施案例的示意下，同理采用上述提供的电磁消旋装置设计方法，实现对不同性能的电磁消旋装置的设计。

给定单套电磁消旋装置的约束指标为：质量小于11kg、几何包络小于Φ14cm*4cm、线圈通电电流小于4A。此外，为满足消旋的力矩需求，在距离消旋装置(100～200)mm的设定消旋距离内的磁场值追求最大，以具备足够的电磁力矩作用能力。

一、基本元件分析：

电磁消旋装置的构型设计如图2所示：内外两个电磁线圈，中间裹挟着八块按一定规律磁化的永磁体；永磁体整体呈圆环状且彼此之间无缝隙的方式排列，其高度与厚度通过后续的优化分析确定；采用Halbach构型的阵列方式，将磁场集束与电磁消旋装置某一侧，以减少磁场的发散及避免对星上电子的影响。

其一，线圈磁场特性分析：

环型通电线圈外轴向某点的磁感应强度B_z为：

(5)式中，μ₀＝4π×10^-7H/m为真空磁导率，r为线圈中心与线圈外任意一点的距离，R为线圈半径，

为r与线圈轴线的夹角，I为线圈电流大小。设定线圈长度为d，任意一点P距线圈平面的距离为h，如图6所示。

当被消旋目标距离电磁消旋装置5倍直径以内时，公式(5)误差偏大。考虑线圈厚度带来的误差，将线圈沿轴向n等分为若干个薄线圈，此时P点的磁感应强度大小为n个线圈对该点磁感应强度之和。则P点在Z轴方向上的磁感应强度B_z为：

当n＝1时，式(6)与式(5)等价。利用Ansys Maxwell电磁学仿真软件与matlab编程软件对线圈磁场模型进行算例校验：设线圈导线材料为铜、外径R＝80mm、d＝40mm，安匝数为10A、线圈厚度为10mm，n分别取1、2、4和8，在轴向距离线圈中心范围为(120～220)mm区间内进行仿真，结果如图7所示。

分析图7可知，经过等分后的模型精度得到一定程度提升，未等分模型的最大处误差由4.8％提高至2等分模型的3％、4等分模型的2.45％及8等分模型的2.37％，其中在(100～135)mm范围内等分后的模型精度要明显高于未等分模型；然而，在4等分后，模型的精度提升有限，更高等分模型的精度相差不大。总体而言，虽然n的取值越高，模型精度越高，4等分以上模型即可达到理想的精度。

其二，永磁体磁场特性分析：

单个永磁体的磁场特性与线圈磁场特性十分相似，根据分子电流假说，将永磁体磁场近似等效为环型电流磁场：磁化面电流密度J等于介质磁化强度M与介质表面法线方向单位矢量的矢积。如图8所示，假设长方体永磁体底面为正方形，边长为a，高l，磁化方向为+y轴方向。基于此，永磁体的磁场可看作半径为a/2，电流大小为Ml的环型电流磁场。

因此，永磁体磁场计算仍采用式(6)模型。利用Ansys Maxwell电磁学仿真软件与matlab编程软件对永磁体磁场进行算例校验，设永磁体型号为NdFe35，该材料磁化强度为M＝890000A/m，l＝40mm，a＝40mm，则电流I＝Ml＝35600A，在轴向距离永磁体中心为(120～220)mm区间内进行仿真，结果如图9所示(计算过程中采用与线圈相同的剖分方式)。

分析图9仿真结果可知，采用分子电流假说等效后的永磁体磁场模型与仿真结果具有不错的拟合效果；未等分模型的最大误差由10.4％提高至2等分模型的6.83％及4等分模型的5.86％，表明将永磁体磁场等效为环型电流磁场并使用式(6)进行计算是可行的。

二、永磁体磁路设计：

Halbach构型是一种工程上近似理想的磁体结构，目标是用最少量的磁体产生最强的磁场；利用特殊的磁体单元排列，增强期望方向的磁场强度。此外，Halbach构型将不同磁化方向的永磁体按照一定顺序排列，使得阵列一边的磁场显著增强，而另一边显著减弱。

永磁体的Halbach构型对磁场的约束性强，且针对某一方向具有磁场增强作用；采用渐变式的磁路排列，可避免相邻永磁体的N极与S极短路，导致磁通失效，使其产生的磁场稳定性更高。Halbach构型中，影响磁路分布的因素主要为永磁体磁化方向与极对数。如图10所示，在三维空间中，Halbach构型永磁体的磁化方向主要有两种：磁化角度改变量绕轴线变化的径向磁化(如图10-a所示)与磁化角度改变量沿轴线方向变化的轴向磁化(如图10-b所示)。

两种磁化方向不同，磁场加强的区域不同，径向磁化的磁场加强区域为径向区域，轴向磁化的磁场加强方向为轴向区域，如图11所示。

分析图11可知，沿径向磁化的Halbach构型，其磁场加强区主要集中在径向方向(如图11-(a)图所示)，在右侧的磁场强度要远大于同一平面上的轴向磁化，而线圈两侧磁场无明显区别，磁场被约束在径向区域，关于线圈平面呈对称分布；而轴向磁化将磁场以线圈所在平面为分界面(如图11-(b)图所示)，分为磁场强侧与磁场弱侧，两侧磁场大小差距明显，可见沿轴向磁化的Halbach构型具有良好的磁场约束与区域加强特性。结合失效航天器消旋的实际需求与设计需要，为增强电磁消旋装置面向被消旋的微纳航天器一侧的磁场强度，同时减少漏磁对星上电子的干扰，提高磁场利用率，永磁体采用环型Halbach构型的对外加强型，消旋装置永磁体的充磁方向选择沿轴向磁化。

关于Halbach构型极对数的确定，主要参考因素为目标平面的磁场均匀度与磁场强度，要求消旋装置可在目标平面上产生尽可能均匀与尽量强的磁场。而极对数过多会导致加工难度过大，因此设计了极对数分别为2、4和6的三种磁极阵列方案进行对比，三种方案中永磁体总质量与外尺寸完全相同；各方案的磁场加强侧在150mm平面的磁感应强度分布如图12所示。

分析图12仿真结果可知：当极对数为2时(如图12-(a)图所示)，150mm处的磁感应强度分布并无特点，磁感应强度最大值为5.29mT；当极对数为4时(如图12-(b)图所示)，磁感应强度分布主要集中在四等分点处，整体以环型方式分布且较为均匀，磁感强度最大值为6.78mT；当极对数为6时(如图12-(c)图所示)，磁感应强度则主要分布在环型两端，最大值为4.07mT。三种方案磁场均呈环型方式分布，综合各方面分析，当极对数为4时，无论是磁感应强度大小还是磁场均匀度均最优，因此电磁消旋装置中永磁体Halbach构型极对数确定为4。

三、电磁消旋装置方案设计：

电磁消旋装置的Halbach永磁体构型采用轴向磁化，4极对的方式排布；同时，在环型构型的内外两侧均缠绕常导线圈以提高电磁消旋装置的磁场控制能力。电磁消旋装置剖面如图13所示，箭头方向为永磁体磁化方向。

在材料选取上，由于太空发射成本高昂，装置的体积与质量需尽可能小。当前，市场上永磁体材料应用较广的主要分为铁氧类、铁铬钴类、稀土钴类和钕铁硼类等。其中，钕铁硼材料的永磁体具有体积小、质量轻、剩磁与矫顽力高、磁特性好等特点；同时，钕铁硼材料的抗弯强度与抗压强度比稀土钴材料高，热膨胀系数在各材料中最小，综合性能优异。因此，电磁消旋装置中采用NdFe35型号的钕铁硼永磁体，形状为柱体。线圈所用导线方面，相同条件下，导电性最好的金属为银，电阻率最低，其化学性质稳定，活跃性低，导热导电性能好，然而价格十分而昂贵；目前广泛使用的铜，导电性仅次于银，且铜制导线具有制作工艺简单，价格低廉，使用广泛等优势。由于所设计的电磁消旋装置绕线区域有限，导线之间需紧密排布以提高使用率，因此电磁线圈的导线选用铜漆包线，导线直径为1mm。

电磁消旋装置质量主要由两部分组成：环型分布的永磁体与内外铜制线圈。永磁体的质量为：

式中，ρ_永为永磁体密度，NdFe35型号的铷铁硼材料密度为ρ_永＝7.4×10^-6kg/mm³；V为永磁体的体积，r₁为环型永磁体内径，r₂为外径，h为永磁体的高。

铜制导线的质量为：

式中，铜制导线的密度ρ_铜＝8.1×10^-6kg/mm³，L为导线长度，d为导线直径，r₃与r₄分别为线圈的内径与外径。

电磁消旋装置的总质量为永磁体质量与内外线圈质量之和：

m_总＝m_永+m_内+m_外

根据电磁消旋装置的质量、尺寸等约束，设置基础尺寸为：环柱形永磁体高30mm，内径90mm，外径120mm，内外线圈高度与永磁体相同，厚均为10mm，采用直径1mm的铜漆导线，紧贴永磁体表面，所通电流为2A。

具体优化方案为：以距电磁消旋装置100mm至200mm处的磁感应强度大小为优化目标，改变永磁体高度在20mm至40mm区间内变化，得到优化方案1；确定永磁体高度后，改变线圈内径使其在80mm至90mm间变化，观察指定区域的磁感应强度，得到优化方案2；在此基础上再对线圈厚度5mm至15mm区间内进行优化，得到优化方案3。

综合以上优化后的数据，确定永磁体高度为35mm，永磁体内径为80mm，线圈厚度为15mm，此时电磁消旋装置总质量为：

m_总＝m_永+m_内+m_外≈6.51+1.52+2.67＝10.7kg

满足设计要求。

对于电磁消旋装置磁场幅值控制能力确定

电磁消旋装置主要通过线圈磁场来对总磁场进行调控，因此装置的幅值改变主要取决于线圈厚度的优化；在上述优化方案1与2的基础上，确定永磁体高度为35mm，内径为80mm，通过对线圈厚度进行优化得到优化方案3，取线圈厚度为5mm、8mm、10mm、12mm和15mm分别对距离电磁消旋装置100mm、150mm和200mm处的磁感应强度进行分析，得到仿真结果如图14所示。

分析图14仿真结果可知，在150mm与200mm处磁感应强度随着电磁消旋装置的厚度十分缓慢的增长，而在100mm处的变化较大，在区间范围内的趋势为先减小，后增大，并且三个点的磁感应强度均在线圈厚度为15mm时达到最大：5mm线圈厚度在距离100mm处的磁感应强度为21.18mT、12mm厚度为21.29mT、15mm厚度为22.82mT，可以看出5mm与12mm的数值十分接近，但是两者带来的质量相差较大；若线圈厚度12mm与15mm的磁场增强效果仅仅是略高于5mm，那么出于减轻质量的考虑首选线圈厚度为5mm。因此，引入幅值变化进行综合考量，令电流在-4A至4A范围内变化，将得到的磁感应强度值以最大值减去最小值作为该情况下的变化幅值，比较不同线圈厚度在电磁消旋装置100mm处的磁场变化幅值，得到的结果如图15所示。

分析图15可知，尽管线圈厚度为5mm与12mm时在100mm处的磁感应强度大小相差不大，然而12mm时的电磁消旋装置磁场幅值为3.776mT，要大大高于5mm的1.471mT，同时15mm厚度依然在所有厚度中数据最优，幅值变化为4.459mT；与通2A电流的情况相比，5mm、12mm与15mm幅值变化占磁场值的比例分别为7％，17.7％与19.5％。综合以上优化数据，电磁消旋装置的线圈厚度最终确定为15mm，具有可改变电磁消旋装置磁场值约20％的控制能力。

电磁消旋装置的有效磁场模型，如上述设计方法实施例中的式(1)至式(3)所示。取永磁体高h＝35mm、内径80mm、外径120mm、线圈厚度15mm、线圈电流为2A，采用图5坐标系进行分析：由理论分析可知，磁场加强侧位于消旋装置下方；计算磁场加强一侧距离消旋装置100mm至200mm的z向磁感应强度，对建立的磁感应强度模型与仿真结果进行对比验证，得到仿真结果如图16所示。

分析图16仿真结果可知，所建立的z向磁感应强度模型在未等分情况下与仿真软件得到的结果拟合效果较好，其中误差主要集中在(100～105)mm及(195～200)mm范围内，由此确定所建立的z向磁感应强度模型具有正确性。由前面分析可知，通过将永磁体与线圈进行等分处理，可使模型更进一步精确，在此不再赘述。通过上述数值仿真验证，效果较为理想，与设计预期一致。

又一方面，还提供一种航天器，包括舱体和上述的电磁消旋装置。电磁消旋装置安装在舱体上并电连接舱体中的星上电源，电磁消旋装置用于对被消旋目标进行电磁消旋。

可以理解，关于本实施例中的电磁消旋装置的具体限定，可以参见上文中电磁消旋装置100及其设计方法的相应限定，在此不再赘述。上述舱体是指可搭载前述电磁消旋装置的航天器的本体，其可以包括航天器本身的各个结构组成部分。

上述的航天器，通过应用上述电磁消旋装置，执行微纳航天器消旋任务的效率和可靠性更高，且可有效避免微纳航天器的星上电子元件受到电磁干扰，显著提升航天器的消旋性能。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可做出若干变形和改进，都属于本申请保护范围。因此本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种电磁消旋装置，其特征在于，包括外电磁线圈、内电磁线圈和圆环状排列的永磁体阵列，所述永磁体阵列包括多个无缝隙排列且组成Halbach构型的永磁体，所述永磁体阵列的磁化方向为轴向磁化；

所述外电磁线圈缠绕在所述永磁体阵列径向的外侧表面，所述内电磁线圈缠绕在所述永磁体阵列径向的内侧表面；

所述外电磁线圈和所述内电磁线圈分别用于电连接星上电源，在被消旋目标所在一侧对设定消旋距离处的消旋区域进行磁场加强；

所述电磁消旋装置可以通过以下方式实现：

获取电磁消旋装置设计的约束指标；所述约束指标包括装置质量、几何包络、线圈通电电流和最大磁场值的消旋距离；

根据所述几何包络和所述最大磁场值的消旋距离进行永磁体磁路设计，确定所述电磁消旋装置的构型；所述构型为Halbach构型的圆环状永磁体阵列，且磁化方向为轴向磁化；

根据所述最大磁场值的消旋距离，设置并进行不同极对数的所述永磁体阵列的磁感应强度分布对比试验，确定所述构型的最佳极对数；

根据所述电磁消旋装置所需的磁场幅值控制能力及所述最大磁场值的消旋距离，确定所述构型的径向表面组件；所述表面组件包括缠绕在所述永磁体阵列径向的外侧表面的外电磁线圈以及缠绕在所述永磁体阵列径向的内侧表面的内电磁线圈；

根据所述装置质量和所述线圈通电电流，确定所述永磁体阵列中各永磁体的选材与几何尺寸，并确定所述外电磁线圈和所述内电磁线圈的选材及几何尺寸；

根据所述构型、各所述永磁体的选材与几何尺寸以及所述外电磁线圈和所述内电磁线圈的选材及几何尺寸，制作所述电磁消旋装置。

2.根据权利要求1所述的电磁消旋装置，其特征在于，所述永磁体阵列包括8个形状与尺寸均相同的永磁体，所述永磁体阵列的极对数为4。

3.根据权利要求2所述的电磁消旋装置，其特征在于，所述永磁体包括铁氧永磁体、铁铬钴永磁体、稀土钴永磁体或钕铁硼永磁体。

4.根据权利要求3所述的电磁消旋装置，其特征在于，所述永磁体为柱状体的钕铁硼永磁体。

5.根据权利要求4所述的电磁消旋装置，其特征在于，所述外电磁线圈包括银制线圈或铜制线圈，所述内电磁线圈包括银制线圈或铜制线圈。

6.根据权利要求4所述的电磁消旋装置，其特征在于，所述永磁体阵列为高度为35mm、内径为80mm且外径为120mm的圆环状Halbach构型阵列，所述外电磁线圈和所述内电磁线圈均为铜漆包线绕成的厚度为15mm的电磁线圈。

7.根据权利要求6所述的电磁消旋装置，其特征在于，所述铜漆包线的直径为1mm。

8.一种电磁消旋装置设计方法，其特征在于，构型的最佳极对数为4，所述构型包括1至8号形状与尺寸均相同的钕铁硼永磁体；

所述方法还包括：

采用球坐标系通过如下模型，分别确定1号、3号、5号和7号永磁体在设定消旋位置处的磁感应强度；

所述1号和5号永磁体在设定消旋位置处的磁感应强度模型为：

其中，μ₀表示真空磁导率，I₁表示1号永磁体近似为圆柱体的等效表面电流，R₁表示1号永磁体近似为圆柱体的等效底面半径，r₁表示1号永磁体近似为圆柱体后设定消旋位置至圆柱轴线的垂直距离，

表示1号永磁体近似为圆柱体后圆柱轴线与设定消旋位置至圆柱中心点连线之间的夹角，I₅表示5号永磁体近似为圆柱体的等效表面电流，R₅表示5号永磁体近似为圆柱体的等效底面半径，r₅表示5号永磁体近似为圆柱体后设定消旋位置至圆柱轴线的垂直距离，

表示5号永磁体近似为圆柱体后圆柱轴线与设定消旋位置至圆柱中心点连线之间的夹角；

所述3号和7号永磁体在设定消旋位置处的磁感应强度模型为：

其中，I₃表示3号永磁体近似为圆柱体的等效表面电流，R₃表示3号永磁体近似为圆柱体的等效底面半径，r₃表示3号永磁体近似为圆柱体后设定消旋位置至圆柱轴线的垂直距离，

表示3号永磁体近似为圆柱体后圆柱轴线与设定消旋位置至圆柱中心点连线之间的夹角，I₇表示7号永磁体近似为圆柱体的等效表面电流，R₇表示7号永磁体近似为圆柱体的等效底面半径，r₇表示7号永磁体近似为圆柱体后设定消旋位置至圆柱轴线的垂直距离，

表示7号永磁体近似为圆柱体后圆柱轴线与设定消旋位置至圆柱中心点连线之间的夹角；

设置参考坐标，按磁化方向将i号永磁体近似为圆柱体并设几何中心为坐标原点，若确定所述参考坐标的原点指向圆柱体的坐标原点的连线为+y轴、竖直向上为+x轴且磁化方向为z轴，则i号永磁体在设定消旋位置处的磁感应强度简化计算为：

其中，i＝(2，4，6，8)，μ₀表示真空磁导率，I_i表示i号永磁体近似为圆柱体的等效表面电流，R_i表示i号永磁体按磁化方向近似为圆柱体的底面半径，r_i表示i号永磁体近似为圆柱体后设定消旋位置至圆柱轴线的垂直距离，

表示i号永磁体近似为圆柱体后设定消旋位置至圆柱体的坐标原点的连线与z轴的夹角，θ_i表示设定消旋位置在i号永磁体的xoy平面的投影与x轴的夹角。

9.一种航天器，其特征在于，包括舱体和权利要求1至7任一项所述的电磁消旋装置，所述电磁消旋装置安装在所述舱体上并电连接所述舱体中的星上电源，所述电磁消旋装置用于对被消旋目标进行电磁消旋。

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