基于仿真分析的電磁-渦流消旋試驗裝置設計

石永康，陳金山，鄒望，黃少華，閆佳慧

（1.新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830017；2.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；3.上海交通大學水動力學教育部重點實驗室，上海 200240）

空間目標的電磁-渦流消旋技術具有實現的物理基礎條件，是一種優勢明顯的消旋手段，國外已經具備切實可行的技術基礎。在國內，對于失效航天器的電磁-渦流消旋研究，目前除了數學模型的推導、仿真之外［1］，極少通過實驗進行驗證，這嚴重影響了電磁-渦流消旋技術在碎片移等航天任務中的應用。由于空間實驗耗資巨大，為了保證空間實驗的各種設備正常工作，需進行大量的地面實驗。

Sugai等［2］進行了消旋制動的仿真和地面試驗，設計了試驗裝置，但存在電磁線圈與目標間的相對距離過小等問題。Youngquist等［3］設計了3種金屬薄壁球殼與磁場的相互作用試驗方案，并搭建了試驗裝置，但試驗裝置只驗證了電磁消旋的效果。Walker等［4-7］設計了用于驗證數學模型的地面實驗平臺，采用高溫超導線圈產生超強磁場，但超導線圈需要復雜的控制系統、冷卻循環系統支持。Nurge等［8］研究了圓柱形永磁體產生的非均勻磁場與在磁場中旋轉的導體球之間的關系，但與傳統電磁線圈相比，永磁體質量更大。國內對于失效航天器的電磁-渦流消旋研究處于起步階段，只有少數團隊進行了研究，更少有文獻可查。黃攀峰等［9］設計了一種針對空間失控翻滾衛星消旋模擬的測試平臺，采用單自由度、非接觸式的方法，通過轉換關系求得電磁消旋力。路勇等［10］設計了一種針對空間翻滾目標的電磁消旋微小消旋力的測試平臺及其測試方法，適用于靜電、電磁環境下微小電磁消旋力的測量。綜上所述，在試驗裝置的研究方面，國內外研究少有大型試驗平臺的搭建、消旋相關數據的采集分析及實驗結果與理論結果的對比論證。

為了解決現有試驗裝置對無摩擦旋轉、勻強磁場、系統參數可測量和消旋效果可演示等要求無法兼顧的問題，設計一種電磁-渦流消旋試驗裝置，可直觀、快速地演示、驗證渦流消旋的效果。該裝置適用于研究電磁-渦流相互耦合的作用關系，對探究作用機理、驗證數學模型等具有非常大的價值。

1 電磁-渦流消旋原理

根據楞次定律，感應電流的效果總是反抗引起感應電流的原因。旋轉導體在磁場的作用下產生渦流，在原磁場和感生出的渦電流的相互作用下逐漸消旋，如圖1所示［2］。渦電流所生成的磁場與原激勵磁場之間始終是相抵制的，表現為對旋轉運動的阻尼效應。

圖1 電磁-渦流消旋原理Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic brake

2 試驗裝置的總體設計

電磁-渦流消旋試驗裝置要能直觀、快速地演示，驗證渦流消旋的效果，支持角速度、渦流力矩和磁感應強度等試驗數據的精確測量、采集及存儲。試驗裝置選用豎立式的框架布局如圖2所示。

圖2 試驗裝置框架Fig.2 Frame diagram of test device

以電磁-渦流消旋試驗裝置的功能需求為設計導向，按照試驗需求可將裝置分為以下3個組成部分：無摩擦旋轉機構、電磁渦流制動器、測試系統。試驗裝置的關鍵部件有螺桿空壓機、儲氣罐、干燥機、過濾器、氣浮軸承、試驗架、模型試驗件、電磁發生器、扭矩傳感器、轉速傳感器、特斯拉計、單片機、上位機等，如圖3所示。

圖3 試驗裝置設計方案Fig.3 Design scheme of test device

電磁-渦流消旋試驗裝置三維建模如圖4所示。軸套采用頂絲緊固的方式將氣浮軸承、扭矩傳感器固定在試驗架中心位置，并保持其豎直同軸的狀態；傳動軸、聯軸器連接氣浮軸承、扭矩傳感器、模型試驗件，并保持其豎直同軸的狀態；模型試驗件位于正中心。

圖4 試驗裝置三維建模Fig.4 The modeling of test device

使用MAXWELL軟件對電磁發生器進行仿真。電磁發生器磁場分布云圖如圖5所示，圖中磁感線閉環線路與線圈垂直，為了避免試驗架在實驗過程中對結果產生影響，試驗架與電磁發生器垂直放置。

圖5 磁場分布云圖Fig.5 Magnetic field distribution map

電磁發生器勻強磁場分布云圖如圖6所示。將電磁發生器的兩種布局情況進行對比，第1種布局是電磁發生器，第2種布局是安裝布置試驗架、氣浮軸承、扭矩傳感器等部件后的電磁發生器。磁感應強度沿線圈中心軸線的變化如圖7所示，兩種布局的勻強磁場區域的磁感應強度平均值分別為1.276×10-2T、1.254×10-2T。兩種布局相比，第2種布局的磁感應強度平均值降低了1.72%；兩種布局情況下勻強磁場范圍內同一點的磁感應強度最大差值為3.019×10-4T，第2種布局的磁感應強度極大值降低了2.34%。第1種布局滿足1%均勻度的勻強磁場范圍是132.8 mm×132.8 mm×132.8 mm；第2種布局滿足1%均勻度的勻強磁場范圍是127.2 mm×127.2 mm×127.2 mm。兩種布局相比，第2種布局的勻強磁場范圍縮小了12.12%。試驗架、氣浮軸承、扭矩傳感器等部件的安裝布置對電磁發生器的影響滿足本裝置試驗要求。

圖6 勻強磁場分布云圖Fig.6 Cloud chart of uniform magnetic field distribution

圖7 中心區域勻強磁場Fig.7 Uniform magnetic field in central region

3 試驗裝置的關鍵部件設計

3.1 無摩擦旋轉機構的設計

無摩擦旋轉機構有以下3個功能需求：支撐模型試驗件；保持模型試驗件繞單一軸線方向的穩定旋轉狀態；在整個變角速度的旋轉過程中，機構旋轉關節所受到的摩擦力矩極小，基本可以忽略。

因為軸承的摩阻與摩擦介質的黏度成正比，室溫下黏度僅為10號機油1/5000的空氣作為摩擦介質可滿足試驗需求，所以無摩擦旋轉機構采用定制QF-62氣浮軸承作為核心部件。定制QF-62氣浮軸承的總體結構成圓柱體形狀，由磨頭安裝位、進氣孔和消聲器等組成，如圖8所示。

圖8 定制QF-62氣浮軸承Fig.8 Customized QF-62 air bearing

根據定制QF-62氣浮軸承選定配套空氣激勵系統。空氣激勵系統由螺桿空壓機、儲氣罐、一級過濾器、二級過濾器、干燥機等設備組成，如圖9所示。

圖9 空氣激勵系統Fig.9 Air excitation system

確定主要設備后，進行無摩擦旋轉機構的安裝連接。氣浮軸承、下傳動軸、模型試驗件、上傳動軸、聯軸器、扭矩傳感器在豎直狀態下以頂絲緊固方式連接并保持同軸狀態，如圖10所示。轉動模型試驗件，使用千分尺測量各部件邊緣跳動，保證模型試驗件轉動狀態下的旋轉機構同軸度小于0.25 mm。

圖10 無摩擦旋轉機構Fig.10 Frictionless rotating mechanism

3.2 電磁發生器的設計

當中心磁感應強度線圈內部有效空間通入電流相同時，方形線圈與圓形線圈相比，具有功率更低，均勻度更高且易于裝配，總體性能更好等優勢。所以該試驗裝置采用方形亥姆霍茲線圈作為勻強磁場發生器。如圖11（a）所示，磁感應強度的方向為X軸方向，中心軸線上Q點坐標為（0，x），則Q點產生的磁感應強度B為

圖11 電磁發生器Fig.11 Electromagnetic generator

式中：l為線圈邊長；a為一對線圈的中心距；方形亥姆霍茲線圈產生勻強磁場的條件為a=0.5445l；I為線圈輸入電流；μ0為真空磁導率，μ0=4π×10-7N/A2。

電磁發生器采用一對匝數、邊長、高度、厚度相同的共軸平行放置的正方形線圈，構成正方形亥姆霍茲線圈。線圈外形長寬為640 mm，線圈厚度為35 mm，線圈高度為42 mm，兩個線圈的中心距離為322 mm。

使用MAXWELL軟件對電磁發生器的線圈進行仿真，輸入電流為80 A。如圖7所示，正方形亥姆霍茲線圈的磁感應強度為14 mT及均勻度為1%的勻強磁場，范圍為140 mm×140 mm×140 mm，滿足試驗需求。圖11（b）為最終設計及制作的電磁發生器，各項技術參數見表1。

表1 電磁發生器技術參數Tab.1 Technical parameter table

3.3 試驗架的設計

試驗架是一個定位、支撐裝置，模型試驗件在所選擇試驗狀態下進行消旋性能參數測試時，試驗架對模型試驗件起定位、支撐作用。試驗架由歐標30×30 L鋁型材組成，30角件緊固試驗架，如圖12所示。

圖12 試驗架Fig.12 Test stand

對試驗架進行靜力學仿真，計算全方向產生的總形變，以指導結構設計并驗證設計的合理性。試驗架的靜力學變形云圖如圖13所示。由仿真數據可知，試驗架最大變形量為2.5983×10-2mm，滿足模型試驗件旋轉狀態下機構的同軸度小于0.25 mm的要求，所以試驗架的設計滿足試驗要求。

圖13 全方向變形云圖Fig.13 Omnidirectional deformation nephogram

3.4 模型試驗件的設計

模型試驗件有以下功能需求：滿足電磁-渦流縮比模型，其使得模型試驗件所受的動力效應，包括物體的總質量、質心、慣性特性、合力和合力矩等各參數與渦流消旋成比例關系。

在模型試驗件的設計選型中，需要滿足導電能力充足、質量小的要求。模型試驗件外圍直徑一般取小于140 mm為宜；模型試驗件形狀有球殼體和正多面殼體，殼體壁厚選用5、10 mm兩種；模型試驗件的材料選用航天專用鋁、鋁合金；模型試驗件的質量小于10 kg，如圖14所示。

圖14 模型試驗件Fig.14 Model test piece

3.5 測試系統的設計

3.5.1 測試系統的硬件設計

傳感器等硬件需滿足模型試驗件受到的渦流力矩、轉速、中心區域的磁感應強度等參數的測量分辨率；實現扭矩傳感器、轉速傳感器和特斯拉計的同步采集。基于此需求，測試系統硬件由CYT-303微量程扭矩傳感器、SZGB-6光電轉速傳感器、TD8650特斯拉計、STM32單片機、開關電源等組成。

扭矩傳感器與轉換模塊連接，輸出1～5 V模擬信號；轉速傳感器輸出“1”（5±0.5）V、“0”0.5 V數字信號；特斯拉計輸出0～3 V模擬信號。以上3種信號通過單片機轉成RS485信號輸出，測試系統通過單片機與上位機串口之間的硬件連接實現數據的采集、顯示與存儲，如圖15所示。

圖15 測試系統信號流程Fig.15 Signal flow chart of test system

3.5.2 測試系統的軟件設計

測試系統的上位機采集程序由LabVIEW平臺編譯，由數據采集模塊、數據存儲模塊、可視化模塊3部分組成。數據采集界面如圖16所示。

圖16 數據采集界面Fig.16 Data acquisition interface

4 結論

（1）電磁-渦流消旋試驗裝置由無摩擦旋轉機構、電磁渦流制動器和測試系統組成。該裝置可實現對目標衛星無摩擦的自由旋轉運動的模擬，產生滿足消旋需求、恒定且均勻的強磁場，保持轉動狀態下旋轉機構的同軸度小于0.25 mm，達到與消旋目標在勻磁場區域內的幾何相似，實現角速度、渦流力矩、磁感應強度等試驗數據的實時測量，直觀及快速演示、驗證渦流消旋的效果。

（2）仿真結果表明：試驗架、氣浮軸承、扭矩傳感器等部件的安裝布置使電磁發生器所產生勻強磁場區域的平均磁感應強度降低1.72%，極值磁感應強度降低2.34%，勻強磁場范圍縮小12.12%；最終設計制作的電磁發生器的勻強磁場范圍為132.8 mm×132.8 mm×132.8 mm；試驗架最大變形量為2.5983×10-2mm，滿足旋轉狀態下機構的同軸度小于0.25 mm的要求。

綜上所述，電磁-渦流消旋試驗裝置的設計滿足探究電磁-渦流相互耦合作用關系的試驗需求，下一步將開展裝置的細化方案設計和環境適應性設計，最終研制樣機并開展地面試驗驗證。