CN113572335B - 一种具有双绕组的单层磁极电磁作动器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种具有双绕组的单层磁极电磁作动器，属于航空航天领域。解决了现有电磁作动器推力小的问题。它包括定子和动子，所述定子包括定子框架、外磁结构和内磁结构，所述外磁结构包括外磁轭、外磁环、外后磁环、外前磁环、换向导磁环、外顺磁轭和外前磁轭，所述动子设置在定子内部。可实现纳卫星低成本高效率在轨释放。采用双气隙双绕组结构，内绕组电流方向和外绕组电流方向相反，抑制了电枢反应，提高了能量转换率。它主要用于电磁作动器。

Description

一种具有双绕组的单层磁极电磁作动器

技术领域

本发明属于航空航天领域，特别是涉及一种具有双绕组的单层磁极电磁作动器。

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、鲁棒性好，能完成大卫星无法独立完成的或所需成本高昂的任务。

为节约成本，往往在一次火箭发射升空任务中，利用部署器存储和在预定轨道上释放大量的纳卫星。纳星轨控能力较弱和携带的燃料有限，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，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对纳卫星实现调速释放，使不同质量的纳卫星按照预定的速度分离。而传统的部署器多采用压缩弹簧，难以对不同种类的纳卫星精确地调节释放速度。

电磁作动器利用通电线圈在永磁场中产生安培力推动并释放纳卫星，分离速度精确可调。为降低航天应用成本，往往期望电磁作动器体积小质量轻，且推力密度大，能量转换率高。然而当前传统的电磁作动器中，线圈产生的电磁场削弱了磁环产生的原永磁场，电枢反应明显，导致能量转换率低，电磁作动器推力小。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种具有双绕组的单层磁极电磁作动器。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种具有双绕组的单层磁极电磁作动器，它包括定子和动子，所述定子包括定子框架、外磁结构和内磁结构，所述外磁结构包括外磁轭、外磁环、外后磁环、外前磁环、换向导磁环、外顺磁轭和外前磁轭，所述外磁轭位于定子框架凹槽外壁的径向内侧中心位置，所述外磁环位于外磁轭的径向内侧中心位置，所述外后磁环位于外磁环的轴向后端，所述外前磁环位于外磁环的轴向前端，所述换向导磁环位于外磁轭和外后磁环的轴向后端，所述外顺磁轭位于外磁环的径向内侧，所述外前磁轭位于外顺磁轭的轴向前端，所述外磁结构通过外锁母固定安装在定子框架上所述内磁结构包括内磁轭、内磁环、内后磁环、内前磁环、内顺磁环和内前磁轭所述内磁轭位于定子框架的凹槽内壁的径向外侧中心位置，所述内磁环位于内磁轭的径向外侧中心位置，所述内后磁环位于内磁环的轴向后端，所述内前磁环位于内磁环的轴向前端，所述内顺磁环位于内磁环的径向外侧，所述内前磁轭位于内顺磁环的轴向前端，所述内磁结构通过内锁母固定安装在定子框架上，所述动子设置在定子内部。

更进一步的，所述动子包括内动子框架、内线圈、外动子框架和外线圈，所述内动子框架位于内磁结构的径向外侧，所述外动子框架位于外磁结构的径向内侧，所述内线圈环绕并固定在内动子框架的后端，所述外线圈环绕并固定在外动子框架的后端，所述内动子框架和外动子框架固定相连。

更进一步的，所述内动子框架和外动子框架通过底端的螺纹配合固定相连。

更进一步的，所述内线圈和外线圈通电电流方向相反。

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

更进一步的，所述外磁轭、换向导磁环、外顺磁轭、外前磁轭、内磁轭、内顺磁环和内前磁轭均为1J50材料。

更进一步的，所述的外磁环、外后磁环、外前磁环、内磁环、内后磁环和内前磁环均为钕铁硼合金硬磁材料。

更进一步的，所述外磁环、外后磁环、外前磁环、内磁环、内后磁环和内前磁环的充磁方向依次为：内N外S、右S左N、右N外S、内S外N、右S左N、右N左S。

更进一步的，所述外磁环、外后磁环、外前磁环、内磁环、内后磁环和内前磁环的充磁方向依次为：内S外N、右N左S、右S左N、内N外S、右N左S、右S左N。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有电磁作动器推力小的问题，具有推力密度大且平稳，能量转换率高的优点，可实现纳卫星低成本高效率在轨释放。采用双气隙双绕组结构，内绕组电流方向和外绕组电流方向相反，抑制了电枢反应，提高了能量转换率。利用换向导磁环既解决了磁路相向而导致磁场相消的问题，又实现了对不同支路磁通的引导，减少了漏磁并提高了气隙磁场强度，单层磁极和单层线圈结构有效降低了作动器轴向尺寸，便于安装搭载。本发明可重复使用、推力密度大、能量转换率高、体积小及质量轻，能够实现对不同质量的纳卫星在轨分时调速释放，可满足现阶段航天应用的实际需求。

与现有技术相比优点在于：

1.双气隙双绕组结构中，内绕组电流方向和外绕组电流方向相反，产生的电磁场相互抵消，抑制了电磁场对原永磁场的影响，提高了能量转换率。

2.利用换向导磁环既解决了磁路相向而导致磁场相消的问题，又实现了对不同支路磁通的引导，减少了漏磁并提高了气隙磁场强度，具有结构紧凑，体积小质量轻和推力密度大的优点。

3.单层磁极和单层线圈结构有效降低了作动器轴向尺寸，便于安装搭载。

附图说明

图1为本发明所述的一种具有双绕组的单层磁极电磁作动器径向剖视结构示意图；

图2为本发明所述的定子剖视结构示意图；

图3为本发明所述的动子剖视结构示意图；

图4为本发明所述的内动子框架剖视结构示意图；

图5为本发明所述的内动子框架立体结构示意图；

图6为本发明所述的外动子框架剖视结构示意图；

图7为本发明所述的外动子框架立体结构示意图。

1-定子框架，2-外磁轭，3-外磁环，4A-外后磁环，4B-外前磁环，5-换向导磁环，6-外顺磁轭，7-外前磁轭，8-外锁母，9-内磁轭，10-内磁环，11A-内后磁环，11B-内前磁环，12-内顺磁环，13-内前磁轭，14-内锁母，15-内动子框架，16-内线圈，17-外动子框架，18-外线圈,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1-7说明本实施方式，一种具有双绕组的单层磁极电磁作动器，它包括定子和动子，定子包括定子框架1、外磁结构和内磁结构，外磁结构包括外磁轭2、外磁环3、外后磁环4A、外前磁环4B、换向导磁环5、外顺磁轭6和外前磁轭7，外磁轭2位于定子框架1凹槽外壁的径向内侧中心位置，外磁环3位于外磁轭2的径向内侧中心位置，外后磁环4A位于外磁环3的轴向后端，外前磁环4B位于外磁环3的轴向前端，换向导磁环5位于外磁轭2和外后磁环4A的轴向后端，外顺磁轭6位于外磁环3的径向内侧，外前磁轭7位于外顺磁轭6的轴向前端，外磁结构通过外锁母8固定安装在定子框架1后内磁结构包括内磁轭9、内磁环10、内后磁环11A、内前磁环11B、内顺磁环12和内前磁轭13内磁轭9位于定子框架1的凹槽内壁的径向外侧中心位置，内磁环10位于内磁轭9的径向外侧中心位置，内后磁环11A位于内磁环10的轴向后端，内前磁环11B位于内磁环10的轴向前端，内顺磁环12位于内磁环10的径向外侧，内前磁轭13位于内顺磁环12的轴向前端，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、内线圈16、外动子框架17和外线圈18，内动子框架15位于内磁结构的径向外侧，外动子框架17位于外磁结构的径向内侧，内线圈16环绕并固定在内动子框架15的后端，外线圈18环绕并固定在外动子框架17的后端，内动子框架15和外动子框架17固定相连，，内动子框架15和外动子框架17通过底端的螺纹配合固定相连，内线圈16和外线圈18通电电流方向相反，外锁母8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，外磁轭2、换向导磁环5、外顺磁轭6、外前磁轭7、内磁轭9、内顺磁环12和内前磁轭13均为1J50材料，的外磁环3、外后磁环4A、外前磁环4B、内磁环10、内后磁环11A和内前磁环11B均为钕铁硼合金硬磁材料，外磁环3、外后磁环4A、外前磁环4B、内磁环10、内后磁环11A和内前磁环11B的充磁方向依次为：内N外S、右S左N、右N外S、内S外N、右S左N、右N左S或内S外N、右N左S、右S左N、内N外S、右N左S、右S左N。

本实施例的原理为：外磁环3、外后磁环4A和外前磁环4B产生的磁通形成外后和外前永磁回路，在外气隙中产生较大的永磁场，内磁环10、内后磁环11A和内前磁环11B产生的磁通形成内后和内前永磁回路，在内气隙中形成较大的内永磁场，外永磁场和内永磁场方向相反，外线圈18位于外永磁场中，内线圈16位于内永磁场中，内线圈16和外线圈18通入方向相反的电流，产生同向的电磁力从而推动纳卫星19释放。外后永磁磁路为：外后磁通从外磁环3的N极出发，经过外顺磁轭6、外线圈18、换向导磁环5的后部和外磁轭2的后部回到外磁环3的S极；外前永磁磁路为：外前磁通从外磁环3的N极出发，经过外顺磁轭6、外线圈18、换向导磁环5的前部、外前磁轭7和外磁轭2的前部回到外磁环3的S极；内后磁通从内磁环10的N极出发，经过内顺磁环12、内动子框架15、内线圈16、换向导磁环5的后部和内磁轭9的后部回到内磁环10的S极；内前磁通从内磁环10的N极出发，经过内顺磁环12、内动子框架15、内线圈16、换向导磁环5的前部和内磁轭9的前部回到内磁环10的S极。外后磁环4A、外前磁环4B、内后磁环11A和内前磁环11B产生的磁通起到汇聚外磁环3和内磁环10产生的磁通的作用，以增大气隙磁场并改善线圈前后两端局部区域的磁场分布。

以上对本发明所提供的一种具有双绕组的单层磁极电磁作动器，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，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种具有双绕组的单层磁极电磁作动器，其特征在于：它包括定子和动子，所述定子包括定子框架(1)、外磁结构和内磁结构，所述外磁结构包括外磁轭(2)、外磁环(3)、外后磁环(4A)、外前磁环(4B)、换向导磁环(5)、外顺磁轭(6)和外前磁轭(7)，所述外磁轭(2)位于定子框架(1)凹槽外壁的径向内侧中心位置，所述外磁环(3)位于外磁轭(2)的径向内侧中心位置，所述外后磁环(4A)位于外磁环(3)的轴向后端，所述外前磁环(4B)位于外磁环(3)的轴向前端，所述换向导磁环(5)位于外磁轭(2)和外后磁环(4A)的轴向后端，所述外顺磁轭(6)位于外磁环(3)的径向内侧，所述外前磁轭(7)位于外顺磁轭(6)的轴向前端，所述外磁结构通过外锁母(8)固定安装在定子框架(1)上，所述内磁结构包括内磁轭(9)、内磁环(10)、内后磁环(11A)、内前磁环(11B)、内顺磁环(12)和内前磁轭(13)，所述内磁轭(9)位于定子框架(1)的凹槽内壁的径向外侧中心位置，所述内磁环(10)位于内磁轭(9)的径向外侧中心位置，所述内后磁环(11A)位于内磁环(10)的轴向后端，所述内前磁环(11B)位于内磁环(10)的轴向前端，所述内顺磁环(12)位于内磁环(10)的径向外侧，所述内前磁轭(13)位于内顺磁环(12)的轴向前端，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，所述外磁环(3)、外后磁环(4A)、外前磁环(4B)、内磁环(10)、内后磁环(11A)和内前磁环(11B)的充磁方向依次为：内N外S、右S左N、右N外S、内S外N、右S左N、右N左S或内S外N、右N左S、右S左N、内N外S、右N左S、右S左N。

2.根据权利要求1所述的一种具有双绕组的单层磁极电磁作动器，其特征在于：所述动子包括内动子框架(15)、内线圈(16)、外动子框架(17)和外线圈(18)，所述内动子框架(15)位于内磁结构的径向外侧，所述外动子框架(17)位于外磁结构的径向内侧，所述内线圈(16)环绕并固定在内动子框架(15)的后端，所述外线圈(18)环绕并固定在外动子框架(17)的后端，所述内动子框架(15)和外动子框架(17)固定相连。

3.根据权利要求2所述的一种具有双绕组的单层磁极电磁作动器，其特征在于：所述内动子框架(15)和外动子框架(17)通过底端的螺纹配合固定相连。

4.根据权利要求2所述的一种具有双绕组的单层磁极电磁作动器，其特征在于：所述内线圈(16)和外线圈(18)通电电流方向相反。

5.根据权利要求1所述的一种具有双绕组的单层磁极电磁作动器，其特征在于：所述外锁母(8)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。

6.根据权利要求1所述的一种具有双绕组的单层磁极电磁作动器，其特征在于：所述外磁轭(2)、换向导磁环(5)、外顺磁轭(6)、外前磁轭(7)、内磁轭(9)、内顺磁环(12)和内前磁轭(13)均为软磁合金1J50材料。

7.根据权利要求1所述的一种具有双绕组的单层磁极电磁作动器，其特征在于：所述的外磁环(3)、外后磁环(4A)、外前磁环(4B)、内磁环(10)、内后磁环(11A)和内前磁环(11B)均为钕铁硼合金硬磁材料。

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