CN113443176B

CN113443176B - 一种纳星部署器用电磁作动器

Info

Publication number: CN113443176B
Application number: CN202110754470.7A
Authority: CN
Inventors: 岳洪浩; 赵勇; 杨飞; 陆一凡; 吴君; 阮琪
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2021-07-02
Filing date: 2021-07-02
Publication date: 2022-09-27
Anticipated expiration: 2041-07-02
Also published as: CN113443176A

Abstract

本发明提出了一种纳星部署器用电磁作动器，属于航空航天领域。解决了现有纳星部署器难以实现推力可重复且精确调节的问题。它包括定子和动子，定子包括定子框架、外磁结构、中磁结构和内磁结构；外磁结构包括外磁轭、外轴向磁环、外后径向磁环、外前径向磁环、外后磁轭和外前磁轭，外磁轭位于定子框架外环形槽外壁的径向内侧，外轴向磁环位于外磁轭的径向内侧中心位置，外后径向磁环位于外轴向磁环的轴向后端，外前径向磁环位于外轴向磁环的轴向前端，外后磁轭位于外后径向磁环的径向内侧，外前磁轭位于外前径向磁环的径向内侧。它主要用于纳星部署器。

Description

一种纳星部署器用电磁作动器

技术领域

本发明属于航空航天领域，特别是涉及一种纳星部署器用电磁作动器。

背景技术

多颗卫星协同工作完成复杂太空探索任务已成为当今国际航天领域的一个研究热点，如编队、集群等。尤其是纳星研制周期短、成本低等优势，其构成的集群灵活性高、鲁棒性高，能完成大卫星无法独立完成的或所需成本高昂的任务。

面向纳卫星在轨部署任务，为节约成本，往往在一次发射任务中利用部署器存储和在轨释放大量的纳卫星。然而纳星轨控能力弱且携带的燃料有限，因此期望在弹射分离这些纳卫星时能够通过调整纳卫星的分离速度等，使它们彼此自然形成稳定的相对运动。这就需要在轨部署器在特定的时刻针对不同质量的纳卫星实现调速释放，而传统的部署器多采用压缩弹簧，难以实现推力可重复且精确调节。此外，由于压缩弹簧制造工艺误差，其释放过程产生较大的干扰拉偏力，导致推动纳卫星分离时产生较大的角速度，增大了纳卫星自身失稳的风险。

为满足更加复杂的纳卫星在轨部署任务，这就要求部署器不仅能够调节纳卫星分离速度，又能避免释放过程对纳卫星姿态造成干扰。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种纳星部署器用电磁作动器。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种纳星部署器用电磁作动器，它包括定子和动子，定子包括定子框架、外磁结构、中磁结构和内磁结构；外磁结构包括外磁轭、外轴向磁环、外后径向磁环、外前径向磁环、外后磁轭和外前磁轭，外磁轭位于定子框架外环形槽外壁的径向内侧，外轴向磁环位于外磁轭的径向内侧中心位置，外后径向磁环位于外轴向磁环的轴向后端，外前径向磁环位于外轴向磁环的轴向前端，外后磁轭位于外后径向磁环的径向内侧，外前磁轭位于外前径向磁环的径向内侧，外磁结构通过外锁母固定安装在定子框架上；中磁结构包括中轴向磁环、中后径向磁环和中前径向磁环，中轴向磁环位于定子框架的中环形槽的中心位置，中后径向磁环位于中轴向磁环的轴向后端，中前径向磁环位于中轴向磁环的轴向前端中磁结构通过中锁母固定安装在定子框架上；内磁结构包括内磁轭、内轴向磁环、内后径向磁环、内前径向磁环、内后磁轭和内前磁轭，内磁轭位于定子框架内环形槽内壁的径向外侧，内轴向磁环位于内磁轭的径向外侧中心位置，内后径向磁环位于内轴向磁环的轴向后端，内前径向磁环位于内轴向磁环的轴向前端，内后磁轭位于内后径向磁环的径向外侧，内前磁轭位于内前径向磁环的径向外侧，内磁结构通过内锁母固定安装在定子框架上；动子设置在定子内部。

更进一步的，动子包括内动子框架、内后线圈、内前线圈、外动子框架、上线圈、下线圈、左线圈和右线圈，内动子框架位于内磁结构的径向外侧，内后线圈环绕在内动子框架的后凹槽内，内前线圈环绕在内动子框架的前凹槽内，外动子框架位于外磁结构的径向外侧，上线圈、下线圈、左线圈和右线圈分别固定在外动子框架的左凸台、右凸台、前凸台和后凸台上。

更进一步的，内后线圈通过环氧树脂胶固定在内动子框架上，内前线圈通过环氧树脂胶固定在内动子框架上，上线圈、下线圈、左线圈和右线圈通过环氧树脂胶分别固定在外动子框架的左凸台、右凸台、前凸台和后凸台上。

更进一步的，内动子框架和外动子框架为聚酰亚胺材料。

更进一步的，外锁母与定子框架之间的螺纹配合固定，中锁母与定子框架之间的螺纹配合固定，内锁母与定子框架之间的螺纹配合固定。

更进一步的，定子框架、外磁轭、后顺磁环、外前磁轭、内磁轭、内后磁轭和内前磁轭均为1J50材料。

更进一步的，外锁母、中锁母和内锁母均为硬铝合金2A12材料。

更进一步的，外轴向磁环、外后径向磁环、外前径向磁环、中轴向磁环、中后径向磁环、中前径向磁环、内轴向磁环、内后径向磁环和内前径向磁环均为衫钴合金硬磁材料。

更进一步的，外轴向磁环、外后径向磁环、外前径向磁环、中轴向磁环、中后径向磁环、中前径向磁环、内轴向磁环、内后径向磁环和内前径向磁环充磁方向依次为：后N前S、内N外S、内S外N、后N前S、内N外S、内S外N、后S前N、内N外S、内S外N。

更进一步的，外轴向磁环、外后径向磁环、外前径向磁环、中轴向磁环、中后径向磁环、中前径向磁环、内轴向磁环、内后径向磁环和内前径向磁环充磁方向依次为：后S前N、内S外N、内N外S、后S前N、内S外N、内N外S、后N前S、内S外N、内N外S。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有纳星部署器难以实现推力可重复且精确调节的问题。本发明利用双气隙双定子结构实现了对纳卫星单自由度推动释放与两自由度偏转调姿双重功能的集成；利用多圈磁环串联形成单条闭合永磁回路，可有效增大内外气隙磁场强度，提高作动器调速范围和抑制干扰力矩的能力；轴向磁环改善了线圈两端局部区域的磁场分布，提高了气隙磁密均匀性和输出电磁力的精度。本发明具有结构紧凑、质量轻、推力密度大和分离角速度小的特点，可满足现阶段航天应用的实际需求。用于部署器对纳卫星分离释放，既能够调节纳星分离速度，又能抑制分离时产生的角速度。

与现有技术相比的具有以下优点：

1.在同一个永磁回路中设计双气隙双定子，实现了对纳卫星单自由度推动释放与两自由度偏转调姿双重功能的集成，具有结构紧凑、体积小及质量轻的特点；

2.多圈磁环串联形成了单一的闭合永磁回路可有效增大内外气隙磁场强度，提高作动器调速范围和抑制干扰力矩的能力；

3.轴向磁环，改善了线圈前后两端局部区域的磁场分布，提高了气隙磁密均匀性和输出电磁力的精度，改善了对纳卫星调速和抑制分离角速度的准确度。

附图说明

图1为本发明的一种纳星部署器用电磁作动器X向剖视结构示意图；

图2为本发明的一种纳星部署器用电磁作动器Y向剖视结构示意图；

图3为本发明的定子剖视结构示意图；

图4为本发明的动子剖视结构示意图；

图5为本发明的内动子框架剖视结构示意图；

图6为本发明的内动子框架立体结构示意图；

图7为本发明的外动子框架剖视结构示意图；

图8为本发明的外动子框架立体结构示意图。

1-定子框架，2-外磁轭，3-外轴向磁环，4A-外后径向磁环，4B-外前径向磁环，5A-外后磁轭，5B-外前磁轭，6-外锁母，7-中轴向磁环，8A-中后径向磁环，8B-中前径向磁环，9-中锁母，10-内磁轭，11-内轴向磁环，12A-内后径向磁环，12B-内前径向磁环，13A-内后磁轭，13B-内前磁轭，14-内锁母，15-内动子框架，16A-内后线圈，16B-内前线圈，17-外动子框架，18A-上线圈，18B-下线圈，18C-左线圈，18D-右线圈，19-纳卫星。

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清楚、完整地阐述。

参见图1-8说明本实施方式，一种纳星部署器用电磁作动器，它包括定子和动子，定子包括定子框架1、外磁结构、中磁结构和内磁结构；外磁结构包括外磁轭2、外轴向磁环3、外后径向磁环4A、外前径向磁环4B、外后磁轭5A和外前磁轭5B，外磁轭2位于定子框架1外环形槽外壁的径向内侧，外轴向磁环3位于外磁轭2的径向内侧中心位置，外后径向磁环4A位于外轴向磁环3的轴向后端，外前径向磁环4B位于外轴向磁环3的轴向前端，外后磁轭5A位于外后径向磁环4A的径向内侧，外前磁轭5B位于外前径向磁环4B的径向内侧，外磁结构通过外锁母6固定安装在定子框架1上；中磁结构包括中轴向磁环7、中后径向磁环8A和中前径向磁环8B，中轴向磁环7位于定子框架1的中环形槽的中心位置，中后径向磁环8A位于中轴向磁环7的轴向后端，中前径向磁环8B位于中轴向磁环7的轴向前端中磁结构通过中锁母9固定安装在定子框架1上；内磁结构包括内磁轭10、内轴向磁环11、内后径向磁环12A、内前径向磁环12B、内后磁轭13A和内前磁轭13B，内磁轭10位于定子框架1内环形槽内壁的径向外侧，内轴向磁环11位于内磁轭10的径向外侧中心位置，内后径向磁环12A位于内轴向磁环11的轴向后端，内前径向磁环12B位于内轴向磁环11的轴向前端，内后磁轭13A位于内后径向磁环12A的径向外侧，内前磁轭13B位于内前径向磁环12B的径向外侧，内磁结构通过内锁母14固定安装在定子框架1上；动子设置在定子内部。

本实施例动子包括内动子框架15、内后线圈16A、内前线圈16B、外动子框架17、上线圈18A、下线圈18B、左线圈18C和右线圈18D，内动子框架15位于内磁结构的径向外侧，内后线圈16A环绕在内动子框架15的后凹槽内，内前线圈16B环绕在内动子框架15的前凹槽内，外动子框架17位于外磁结构的径向外侧，上线圈18A、下线圈18B、左线圈18C和右线圈18D分别固定在外动子框架17的左凸台、右凸台、前凸台和后凸台上，内后线圈16A通过环氧树脂胶固定在内动子框架15上，内前线圈16B通过环氧树脂胶固定在内动子框架15上，上线圈18A、下线圈18B、左线圈18C和右线圈18D通过环氧树脂胶分别固定在外动子框架17的左凸台、右凸台、前凸台和后凸台上，内动子框架15和外动子框架17为聚酰亚胺材料。外锁母6与定子框架1之间的螺纹配合固定，中锁母9与定子框架1之间的螺纹配合固定，内锁母14与定子框架1之间的螺纹配合固定。定子框架1、外磁轭2、后顺磁环5A、外前磁轭5B、内磁轭10、内后磁轭13A和内前磁轭13B均为1J50材料。外锁母6、中锁母9和内锁母14均为硬铝合金2A12材料。外轴向磁环3、外后径向磁环4A、外前径向磁环4B、中轴向磁环7、中后径向磁环8A、中前径向磁环8B、内轴向磁环11、内后径向磁环12A和内前径向磁环12B均为衫钴合金硬磁材料。外轴向磁环3、外后径向磁环4A、外前径向磁环4B、中轴向磁环7、中后径向磁环8A、中前径向磁环8B、内轴向磁环11、内后径向磁环12A和内前径向磁环12B充磁方向依次为：后N前S、内N外S、内S外N、后N前S、内N外S、内S外N、后S前N、内N外S、内S外N或后S前N、内S外N、内N外S、后S前N、内S外N、内N外S、后N前S、内S外N、内N外S。

本实施例在同一个永磁回路中设置双气隙双绕组，利用通电的内线圈产生推力实现纳卫星调速释放，利用通电的外线圈产生两自由度偏转力矩补偿外界干扰力矩对纳卫星的干扰，从而抑制纳卫星释放过程中产生的角速度。

本实施例的工作原理为：外轴向磁环3、外后径向磁环4A和外前径向磁环4B与中轴向磁环7、中后径向磁环8A和中前径向磁环8B在外气隙中形成恒定的外永磁磁场，上线圈18A、下线圈18B、左线圈18C和右线圈18D放置于外永磁场中，通电的上线圈18A和下线圈18B之间、左线圈18C和右线圈18D之间分别形成力矩补偿外界产生的干扰力矩对纳卫星19姿态的影响。中轴向磁环7、中后径向磁环8A和中前径向磁环8B与内轴向磁环11、内后径向磁环12A和内前径向磁环12B在内气隙中形成恒定的内永磁磁场，内后线圈16A和内前线圈16B放置于内永磁场中，通电的内后线圈16A和内前线圈16B产生较大的安培力实现对纳卫星19单自由度推动分离。本发明中的多圈磁环形成唯一的闭合永磁回路为：磁通从外后径向磁环4A的N极出发，依次经过外后磁轭5A、外气隙、线圈、外动子框架17和定子框架1到达中后径向磁环8A的S极，从中后径向磁环8A的N极出发，经过定子框架1、内气隙、线圈、内动子框架15和内后磁轭13A到达内后径向磁环12A的S极，从内后径向磁环12A的N极流出，经过内磁轭10到达内前径向磁环12B的S极，从内前径向磁环12B的N极流出，依次经过内前磁轭13B、内气隙、内动子框架15、线圈、定子框架1到达内前径向磁环12B的S极，从内前径向磁环12B的N极流出，经过外磁轭2回到外后径向磁环4A的S极。外轴向磁环3、中轴向磁环7和内轴向磁环11产生的磁通用来改善内后线圈16A、内前线圈16B、上线圈18A、下线圈18B、左线圈18C和后线圈18D两端的局部区域磁场。

以上对本发明所提供的一种纳星部署器用电磁作动器，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种纳星部署器用电磁作动器，其特征在于：它包括定子和动子，所述定子包括定子框架(1)、外磁结构、中磁结构和内磁结构；所述外磁结构包括外磁轭(2)、外轴向磁环(3)、外后径向磁环(4A)、外前径向磁环(4B)、外后磁轭(5A)和外前磁轭(5B)，所述外磁轭(2)位于定子框架(1)外环形槽外壁的径向内侧，所述外轴向磁环(3)位于外磁轭(2)的径向内侧中心位置，所述外后径向磁环(4A)位于外轴向磁环(3)的轴向后端，所述外前径向磁环(4B)位于外轴向磁环(3)的轴向前端，所述外后磁轭(5A)位于外后径向磁环(4A)的径向内侧，所述外前磁轭(5B)位于外前径向磁环(4B)的径向内侧，所述外磁结构通过外锁母(6)固定安装在定子框架(1)上；所述中磁结构包括中轴向磁环(7)、中后径向磁环(8A)和中前径向磁环(8B)，所述中轴向磁环(7)位于定子框架(1)的中环形槽的中心位置，所述中后径向磁环(8A)位于中轴向磁环(7)的轴向后端，所述中前径向磁环(8B)位于中轴向磁环(7)的轴向前端，所述中磁结构通过中锁母(9)固定安装在定子框架(1)上；所述内磁结构包括内磁轭(10)、内轴向磁环(11)、内后径向磁环(12A)、内前径向磁环(12B)、内后磁轭(13A)和内前磁轭(13B)，所述内磁轭(10)位于定子框架(1)内环形槽内壁的径向外侧，所述内轴向磁环(11)位于内磁轭(10)的径向外侧中心位置，所述内后径向磁环(12A)位于内轴向磁环(11)的轴向后端，所述内前径向磁环(12B)位于内轴向磁环(11)的轴向前端，所述内后磁轭(13A)位于内后径向磁环(12A)的径向外侧，所述内前磁轭(13B)位于内前径向磁环(12B)的径向外侧，所述内磁结构通过内锁母(14)固定安装在定子框架(1)上；所述动子设置在定子内部，所述外轴向磁环(3)、外后径向磁环(4A)、外前径向磁环(4B)、中轴向磁环(7)、中后径向磁环(8A)、中前径向磁环(8B)、内轴向磁环(11)、内后径向磁环(12A)和内前径向磁环(12B)充磁方向依次为：后N前S、内N外S、内S外N、后N前S、内N外S、内S外N、后S前N、内N外S、内S外N或后S左N、内S外N、内N外S、后S左N、内S外N、内N外S、后N左S、内S外N、内N外S。

2.根据权利要求1所述的一种纳星部署器用电磁作动器，其特征在于：所述动子包括内动子框架(15)、内后线圈(16A)、内前线圈(16B)、外动子框架(17)、上线圈(18A)、下线圈(18B)、左线圈(18C)和右线圈(18D)，所述内动子框架(15)位于内磁结构的径向外侧，所述内后线圈(16A)环绕在内动子框架(15)的后凹槽内，所述内前线圈(16B)环绕在内动子框架(15)的前凹槽内，所述外动子框架(17)位于外磁结构的径向外侧，所述上线圈(18A)、下线圈(18B)、左线圈(18C)和右线圈(18D)分别固定在外动子框架(17)的左凸台、右凸台、前凸台和后凸台上。

3.根据权利要求2所述的一种纳星部署器用电磁作动器，其特征在于：所述内后线圈(16A)通过环氧树脂胶固定在内动子框架(15)上，所述内前线圈(16B)通过环氧树脂胶固定在内动子框架(15)上，所述上线圈(18A)、下线圈(18B)、左线圈(18C)和右线圈(18D)通过环氧树脂胶分别固定在外动子框架(17)的左凸台、右凸台、前凸台和后凸台上。

4.根据权利要求1所述的一种纳星部署器用电磁作动器，其特征在于：所述外锁母(6)与定子框架(1)之间的螺纹配合固定，所述中锁母(9)与定子框架(1)之间的螺纹配合固定，所述内锁母(14)与定子框架(1)之间的螺纹配合固定。

5.根据权利要求1所述的一种纳星部署器用电磁作动器，其特征在于：所述定子框架(1)、外磁轭(2)、后顺磁环(5A)、外前磁轭(5B)、内磁轭(10)、内后磁轭(13A)和内前磁轭(13B)均为1J50材料。

6.根据权利要求1所述的一种纳星部署器用电磁作动器，其特征在于：所述外轴向磁环(3)、外后径向磁环(4A)、外前径向磁环(4B)、中轴向磁环(7)、中后径向磁环(8A)、中前径向磁环(8B)、内轴向磁环(11)、内后径向磁环(12A)和内前径向磁环(12B)均为衫钴合金硬磁材料。