CN115180188A

CN115180188A - 一种空间非磁性金属体消旋装置及消旋方法

Info

Publication number: CN115180188A
Application number: CN202211112390.2A
Authority: CN
Inventors: 陈振; 杜磊; 户恒在; 赵静; 刘向东
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2022-09-14
Filing date: 2022-09-14
Publication date: 2022-10-14
Anticipated expiration: 2042-09-14
Also published as: CN115180188B

Abstract

本发明提供一种空间非磁性金属体消旋装置及消旋方法，属于空间电磁‑涡流消旋领域，空间非磁性金属体消旋装置放置在非磁性金属体的一侧，装置包括定子铁心及多个线圈；定子铁心上开设有多个凹槽；各线圈分别设置在定子铁心的凹槽中；各线圈的中心轴线均过非磁性金属体的重心；非磁性金属体的自旋轴垂直于各线圈的中心轴线；多个线圈用于在非磁性金属体的一侧产生交变磁场；交变磁场的旋转方向与所述非磁性金属体的旋转方向相反。将消旋装置放置在非磁性金属体的一侧，安全系数更高，磁力线优先通过定子，使得非磁性金属体所受到的磁场强度大大增强，最终使得其消旋力矩变大，减小消旋所需时间，提高了消旋效率。

Description

一种空间非磁性金属体消旋装置及消旋方法

技术领域

本发明涉及空间电磁-涡流消旋领域，特别是涉及一种空间非磁性金属体消旋装置及消旋方法。

背景技术

人类对外太空的探索活动日益增加，半个世纪以来，发射的航天器中只有约3300个在有效服役，其余的皆因燃料耗尽或损坏丧失了功能，这些失效卫星和碎片一方面占用了稀缺的轨道资源，另一方面还易与在轨运行卫星发生碰撞，危害在轨运行卫星的安全，所以必须对这些失效卫星和碎片进行回收或清除。而若能做到抓捕前将失效卫星和碎片的转速降低或使其静止，即消旋处理，将有利于后续的捕获清除及回收处理。

消旋实际是指利用外部消旋力（力矩）衰减目标角速度的过程，实现方式按消旋力（力矩）是否与目标接触，可分为接触式消旋和非接触式消旋。现有的采用接触式消旋如机械臂、空间绳网、减速刷、绳系机械爪等均需与目标发生物理接触，如果目标相对速度较大，则会发生碰撞风险，随之又产生新的“太空垃圾”，所以接触式消旋方法只适用于转速很小或静止的目标。然而通过观测发现，失效卫星或碎片的实际旋转速度高达30rpm，远远超出了接触式消旋所能允许的范围，因此采取非接触式消旋方法势在必行。失效卫星和碎片由铝合金钛合金等非磁化导电材料构成，这为基于电磁-涡流效应消旋提供了物理条件，这种非接触式消旋方法，目前研究主要侧重于两种，即：恒定磁场下的消旋方法和交变磁场下的消旋方法。

相关学者提出通过在失效卫星和碎片外建立线圈提供恒定磁场的方式，结合电生磁，磁变生电原理可知，运动的导电目标通过恒定磁场时，导电目标切割磁力线发生涡流效应并产生消旋力矩，迫使导电目标减速，但该种方式产生的消旋转矩单一，能量传递效率低，消旋时间较长。还有一些学者利用两个在空间上正交的交变磁场，通过失效卫星和碎片上感应出的涡流和磁场的相互作用，对失效卫星和碎片进行消旋，此方法改进了涡流转矩的产生方式，由运动导体切割磁力线的单一方式转变为导体与变化的磁场共同作用下产生涡流转矩的复合方式，这样旋转磁场和失效卫星、碎片的旋转方向相反，增大了旋转磁场与碎片之间运动的相对速度，进而使消旋转矩增大。但这种方法实现的前提是需保证两个交变磁场在空间上正交，才能保证满足条件的两个交变磁场在非磁化金属碎片内部感应出的涡流方向相同，以此同时产生制动性质的消旋力矩。这一前提会给服务航天器的位姿控制精度提出高要求。若满足不了这一前提，消旋任务将失败，失效卫星和碎片将面临加速、翻滚等不确定性运动特征，将导致碰撞等意外发生，给本就复杂的空间环境带来新的挑战。

基于上述问题，对空间非磁性金属体消旋时，亟需一种新的消旋装置及方法来保证消旋安全性的同时增大消旋效率、减少消旋所需的时间。

发明内容

本发明的目的是提供一种空间非磁性金属体消旋装置及消旋方法，可提高非磁性金属体消旋的安全性，降低碰撞风险，并提高消旋效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种空间非磁性金属体消旋装置，所述空间非磁性金属体消旋装置放置在非磁性金属体的一侧，所述空间非磁性金属体消旋装置包括：定子铁心及多个线圈；

所述定子铁心上开设有多个凹槽；各线圈分别设置在所述定子铁心的凹槽中；

各线圈的中心轴线均过非磁性金属体的重心；

所述非磁性金属体的自旋轴垂直于各线圈的中心轴线；

多个线圈用于在所述非磁性金属体的一侧产生交变磁场；所述交变磁场的旋转方向与所述非磁性金属体的旋转方向相反。

可选地，所述定子铁心由多层硅钢片材料叠压而成。

可选地，所述线圈由多匝铜线绕制而成。

可选地，所述定子铁心上开设的凹槽数量为6M个，所述线圈的数量为3M个，M≥1；

各线圈包括上线圈边及下线圈边；每一上线圈边及每一下线圈边分别设置在一个凹槽中。

可选地，同一线圈的上线圈边与下线圈边在空间中的夹角为

；

不同线圈的相邻上线圈边与下线圈边在空间中的夹角为

；

不同线圈的上线圈边在空间中的夹角为

；

不同线圈的下线圈边在空间中的夹角为

。

可选地，所述线圈的数量为3个，分别为第一线圈、第二线圈及第三线圈；

所述定子铁心的凹槽中沿逆时针方向依次设置第一线圈的上线圈边、第三线圈的下线圈边、第二线圈的上线圈边、第一线圈的下线圈边、第三线圈的上线圈边、第二线圈的下线圈边；

在各线圈中通入三相交流电，以在所述非磁性金属体的一侧产生与所述非磁性金属体的旋转方向相反的交变磁场。

可选地，当所述非磁性金属体逆时针旋转时，所述第一线圈中通入的交流电为：

；所述第二线圈中通入的交流电为：

；所述第三线圈中通入的交流电为：

；

当所述非磁性金属体顺时针旋转时，所述第一线圈中通入的交流电为：

；所述第二线圈中通入的交流电为：

；所述第三线圈中通入的交流电为：

；

其中，i _A为第一线圈中通入的交流电，i _B为第二线圈中通入的交流电，i _C为第三线圈中通入的交流电，I _ϕ为交流电电流的最大值，f为交流电的频率，t为时刻。

为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：

一种空间非磁性金属体消旋方法，包括：

将多个线圈分别设置在定子铁心的凹槽中，并将定子铁心放置在非磁性金属体的一侧；各线圈的中心轴线均过非磁性金属体的重心，非磁性金属体的自旋轴垂直于各线圈的中心轴线；

在各线圈中通入正弦交流电，以在所述非磁性金属体的一侧产生交变磁场，使所述非磁性金属体的旋转速度在安全转速范围内或静止不动；所述交变磁场的旋转方向与所述非磁性金属体的旋转方向相反。

可选地，相邻两个线圈中通入的正弦交流电的相位差为120°。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：将空间非磁性金属体消旋放置在非磁性金属体的一侧，相比放置在非磁性金属体环绕一周的消旋装置，安全系数更高，大大降低了碰撞的风险。在定子铁心上开设多个凹槽，各线圈分别设置在定子铁心的凹槽中，各线圈的中心轴线均过非磁性金属体的重心，非磁性金属体的自旋轴垂直于各线圈的中心轴线，多个线圈在非磁性金属体的一侧产生交变磁场，且交变磁场的旋转方向与非磁性金属体的旋转方向相反。采用定子铁心结合线圈的结构，磁力线优先通过定子，使得非磁性金属体所受到的磁场强度大大增强，最终使得其消旋力矩变大，减少消旋所需时间，提高了消旋效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明空间非磁性金属体消旋装置的二维平面示意图；

图2为本发明空间非磁性金属体消旋装置与非磁性金属体的位置示意图；

图3为本发明空间非磁性金属体消旋装置的三维立体示意图；

图4为本发明空间非磁性金属体消旋方法的流程图；

图5为消旋过程示意图；

图6为非磁性金属体逆时针旋转时，三相线圈通入的三相电流示意图；

图7为图6中t ₁时刻下各线圈边电流方向及旋转磁场情况示意图；

图8为图6中t ₂时刻下各线圈边电流方向及旋转磁场情况示意图；

图9为图6中t ₃时刻下各线圈边电流方向及旋转磁场情况示意图；

图10为图6中t ₁时刻下产生的基波合成磁动势情况示意图；

图11为图6中t ₂时刻下产生的基波合成磁动势情况示意图；

图12为图6中t ₃时刻下产生的基波合成磁动势情况示意图；

图13为图6中t ₁时刻非磁性金属体所受的消旋转矩图；

图14为非磁性金属体顺时针旋转时，三相线圈通入的三相电流示意图。

符号说明：

非磁性金属体-1，定子铁心-2，线圈-3，空间非磁性金属体消旋装置-4，合成基波磁动势-5。

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。

本发明的目的是提供一种空间非磁性金属体消旋装置及消旋方法，通过在非磁性金属体的一侧产生交变磁场提高了消旋的安全性，采用定子铁心结合线圈的结构，提高消旋效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图3所示，本发明空间非磁性金属体消旋装置4放置在非磁性金属体1的一侧，且空间非磁性金属体消旋装置4与非磁性金属体1不发生物理接触。相比于放置在非磁性金属体1环绕一周的装置，本发明空间非磁性金属体消旋装置4放置于非磁性金属体1的一侧安全系数更高，大大降低了碰撞风险。

本发明空间非磁性金属体消旋装置4包括定子铁心2及多个线圈3。

定子铁心2上开设有多个凹槽。各线圈3分别设置在所述定子铁心2的凹槽中。优选地，定子铁心2由多层硅钢片材料叠压而成。线圈3由多匝铜线绕制而成。

在本实施例中，根据非磁性金属体1的结构尺寸，所述定子铁心2上开设的凹槽数量为6M个，所述线圈3的数量为3M个，M≥1。各线圈3包括上线圈边及下线圈边。每一上线圈边及每一下线圈边分别设置在一个凹槽中。

同一线圈的上线圈边与下线圈边在空间中的夹角为

。

不同线圈的相邻上线圈边与下线圈边在空间中的夹角为

。

不同线圈的上线圈边在空间中的夹角为

。

不同线圈的下线圈边在空间中的夹角为

。

各线圈3的中心轴线均过非磁性金属体1的重心。

所述非磁性金属体1的自旋轴垂直于各线圈3的中心轴线。

本发明空间非磁性金属体消旋装置4的重心垂直于非磁性金属体1自旋轴所在的平面。

多个线圈3用于在所述非磁性金属体1的一侧产生交变磁场。所述交变磁场的旋转方向与所述非磁性金属体1的旋转方向相反。在各线圈3中分别通入正弦交流电，以在非磁性金属体1的一侧产生交变磁场。在本实施例中，相邻两个线圈3中通入的正弦交流电的相位差为120°。

相比于只含有线圈的消旋装置，本发明空间非磁性金属体消旋装置4由硅钢片叠压而成的定子和多匝线圈组成，这种硅钢片叠压而成的定子的磁导率远远大于外部空气，根据“磁阻最小原理”磁力线优先通过定子，这将使得非磁性金属体所受到的磁场强度大大增强，最终使得其消旋力矩变大，消旋所需的时间减小，提高了消旋效率。

为了更好地理解本发明的方案，下面以M=1时举例说明，将一套线圈（第一线圈、第二线圈、第三线圈）放置在定子铁心2的6个凹槽中，规定三个线圈3的上下线圈边分别记为A-X、B-Y、C-Z，且在逆时针方向上按A、Z、B、X、C、Y的形式排布。即逆时针方向上依次为第一线圈的上线圈边、第三线圈的下线圈边、第二线圈的上线圈边、第一线圈的下线圈边、第三线圈的上线圈边、第二线圈的下线圈边。约定当A相电流为正值时，电流从A边（第一线圈的上线圈边）流入纸面，以

号表示，并从X边（第一线圈的下线圈边）流出纸面，以

号表示。B、C相也做一致规定，在此不再赘述。

三相线圈的上线圈边 A、B 、C，下线圈边 X、Y、 Z在非磁性金属体的一侧排布，并保持同一线圈的上线圈边与下线圈边（如：A和X、B和Y、C和Z）在空间中的夹角为

；保持不同线圈的相邻上线圈边与下线圈边（如：A和Z、Z和B、B和X、X和C、C和Y）在空间的夹角为

；保持不同线圈的上线圈边（A、B、C）或下线圈边（X、Y、Z）在空间上彼此相差

。

如图4和图5所示，本发明空间非磁性金属体消旋方法包括：

S1：将多个线圈3分别设置在定子铁心2的凹槽中，并将定子铁心2放置在非磁性金属体1的一侧。各线圈3的中心轴线均过非磁性金属体1的重心，非磁性金属体1的自旋轴垂直于各线圈3的中心轴线。

S2：在各线圈3中通入正弦交流电，以在所述非磁性金属体1的一侧产生交变磁场，使所述非磁性金属体1的旋转速度在安全转速范围内或静止不动。所述交变磁场的旋转方向与所述非磁性金属体1的旋转方向相反。

为了更好地理解本发明的方案，下面以M=1时的空间非磁性金属体消旋装置4对消旋原理进一步说明。空间非磁性金属体消旋装置4三个线圈分别为第一线圈（A-X）、第二线圈（B-Y）及第三线圈（C-Z）。逆时针方向上依次为第一线圈的上线圈边A、第三线圈的下线圈边Z、第二线圈的上线圈边B、第一线圈的下线圈边X、第三线圈的上线圈边C、第二线圈的下线圈边Y。

规定当A相电流为正值时，电流从A线圈边流入纸面，以

号表示，并从X线圈边流出纸面，以

号表示。规定当B相电流为正值时，电流从B线圈边流入纸面，以

号表示，并从Y线圈边流出纸面，以

号表示。规定当C相电流为正值时，电流从C线圈边流入纸面，以

号表示，并从Z线圈边流出纸面，以

号表示。

由于一套线圈AZBXCY通三相交流电后产生的合成基波磁动势5将形成两极磁场，此时对应360°电角度，将AZBXCY均匀分布在一个圆周即：360°平面上，此时将有利于分析合成基波磁动势。

（1）当非磁性金属体1逆时针旋转时：

在空间非磁性金属体消旋装置4的三个线圈中通入相位互差120°的三相交流电，三相交流电合成的旋转磁场将按顺时针旋转，非磁性金属体1相对于旋转磁场向左运动，非磁性金属体1中感应出的涡流和旋转磁场相互作用，将产生制动性质的消旋力矩。

三个线圈3中通入的三相交流电分别为：

，

，

。其中，i _A为第一线圈中通入的交流电，i _B为第二线圈中通入的交流电，i _C为第三线圈中通入的交流电，I _ϕ为交流电电流的最大值，f为交流电的频率，t为时刻，此时三相线圈产生的交变磁场将在空间中矢量合成为按顺时针方向旋转的幅值恒定的旋转磁场。如图6所示为三相电流产生的合成旋转磁动势。

由图6可知，在t ₁时刻，i _A=I _ϕ、i _B=-1/2I _ϕ、i _C=-1/2I _ϕ，此时三相电流联合产生的基波合成磁动势如图7-图9所示。由于A相电流为正值，A相电流从A端流入纸面，X端流出纸面。B相和C相电流均为负值，其电流分别从Y、Z端流入纸面，B、C端流出纸面。通过右手定则可以判断，三相线圈电流产生的基波合成磁动势处于A相线圈的轴线上。此时刻A相电流最大，对基波合成磁动势的贡献也最大；而B相和C相的瞬时电流只有1/2I _ϕ(F _B=F _C=1/2F _A)，且其作用方向与合成磁动势的方向呈60°夹角，因此这两相线圈对基波合成磁动势的贡献分别为：1/2cos60°=1/2。所以，基波合成磁动势为A相线圈产生磁动势最大值的3/2倍，即：F _合=3/2F _A。其中，F _A为A相线圈产生的脉振磁动势基波，F _B为B相线圈产生的脉振磁动势基波，F _C为C相线圈产生的脉振磁动势基波，F _合为基波合成磁动势。

图7-图9中虚线所示为合成基波磁动势5所经过的轨迹图，其转速为Ns，虚线轨迹内的实心圆是以圆柱形为例说明的非磁性金属体1。此外图8、图9分别为图6中t ₂、t ₃时刻的合成基波磁动势5空间矢量图及对应磁动势产生的磁场情况，与图7分析类似。由图7-图9可看出，合成基波磁动势5既是时间的函数，又是空间电角度的函数，随着时间推移，基波合成磁动势经过时间t ₁、t ₂、t ₃分别由A轴线旋转120°电角度到C轴线，再由C轴线旋转120°电角度到B轴线。

以此类推，设单相线圈产生磁动势的最大值为F _ϕ，当三相电流变换一个周期（360°）时，合成磁动势在空间旋转一周，并且磁动势幅值始终保持F _合=3/2F _ϕ。同时，图7-图9也显示了非磁性金属体及空间非磁性金属体消旋装置4的平面剖面以及三相线圈的上下线圈边在空间上的排布及电流流向情况。此外由于磁动势产生的旋转磁场是由非磁性金属体指向线圈，故线圈处为S极。

图10-图12为非磁性金属体逆时针旋转时，通图6所示三相交流电后产生的顺时针旋转的合成基波磁动势形成的两极磁场，t ₁、t ₂、t ₃时刻对应的N、S极分别转过与图7-图9中合成基波磁动势相同的电角度，即120°电角度，其旋转轨迹和图7-图9所述的合成基波磁动势旋转轨迹一致均为顺时针旋转，此时可看出其磁场旋转方向与非磁性金属体旋转方向相反，则将产生制动性质的消旋力矩。

图13为非磁性金属体逆时针旋转时，通图6所示三相交流电后产生顺时针旋转的磁场，非磁性金属体相对于旋转磁场向左运动，非磁性金属体中感应出的涡流和旋转磁场相互作用，产生制动性质的消旋力矩图。

需要注意本实施例中三个线圈设置在非磁性金属体的一侧，图7-图9看起来是均匀设置在非磁性金属体的周围，其实并不是均匀分布在非磁性金属体的周围，图7-图9只是为了分析旋转磁场是顺时针旋转的，对应于图6中的N，S从t ₁-t ₂-t ₃的过程。

（2）当非磁性金属体1顺时针旋转时：

在空间非磁性金属体消旋装置4的三个线圈中通入相位互差120°的三相交流电，三相交流电合成的旋转磁场将按逆时针旋转，非磁性金属体1相对于旋转磁场向右运动，非磁性金属体1中感应出的涡流和旋转磁场相互作用，将产生制动性质的消旋力矩。

三个线圈3中通入的三相交流电分别为：

，

，

。此时三相线圈产生的交变磁场将在空间中矢量合成为按逆时针方向旋转的幅值恒定的旋转磁场。

非磁性金属体顺时针旋转时，定子三相线圈所需通的三相电流情况如图14所示，具体的原理及分析过程与非磁性金属体逆时针旋转的消旋方法相同，具体的消旋过程在此不再赘述。

设单相线圈产生磁动势的最大值为F _ϕ，A、B、C三相线圈中所通入的三相电流产生的基波合成磁动势为单相线圈产生磁动势最大值的3/2倍，即：F _合=3/2F _ϕ。可见，本发明的方案远远大于一个线圈及其他消旋方案的消旋情况。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

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。