基于仿真分析的電磁-渦流消旋試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

石永康，陳金山，鄒望，黃少華，閆佳慧

（1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830017；2.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；3.上海交通大學(xué)水動(dòng)力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

空間目標(biāo)的電磁-渦流消旋技術(shù)具有實(shí)現(xiàn)的物理基礎(chǔ)條件，是一種優(yōu)勢(shì)明顯的消旋手段，國(guó)外已經(jīng)具備切實(shí)可行的技術(shù)基礎(chǔ)。在國(guó)內(nèi)，對(duì)于失效航天器的電磁-渦流消旋研究，目前除了數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)、仿真之外［1］，極少通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，這嚴(yán)重影響了電磁-渦流消旋技術(shù)在碎片移等航天任務(wù)中的應(yīng)用。由于空間實(shí)驗(yàn)耗資巨大，為了保證空間實(shí)驗(yàn)的各種設(shè)備正常工作，需進(jìn)行大量的地面實(shí)驗(yàn)。

Sugai等［2］進(jìn)行了消旋制動(dòng)的仿真和地面試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置，但存在電磁線圈與目標(biāo)間的相對(duì)距離過(guò)小等問(wèn)題。Youngquist等［3］設(shè)計(jì)了3種金屬薄壁球殼與磁場(chǎng)的相互作用試驗(yàn)方案，并搭建了試驗(yàn)裝置，但試驗(yàn)裝置只驗(yàn)證了電磁消旋的效果。Walker等［4-7］設(shè)計(jì)了用于驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的地面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用高溫超導(dǎo)線圈產(chǎn)生超強(qiáng)磁場(chǎng)，但超導(dǎo)線圈需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)支持。Nurge等［8］研究了圓柱形永磁體產(chǎn)生的非均勻磁場(chǎng)與在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)體球之間的關(guān)系，但與傳統(tǒng)電磁線圈相比，永磁體質(zhì)量更大。國(guó)內(nèi)對(duì)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(shù)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了研究，更少有文獻(xiàn)可查。黃攀峰等［9］設(shè)計(jì)了一種針對(duì)空間失控翻滾衛(wèi)星消旋模擬的測(cè)試平臺(tái)，采用單自由度、非接觸式的方法，通過(guò)轉(zhuǎn)換關(guān)系求得電磁消旋力。路勇等［10］設(shè)計(jì)了一種針對(duì)空間翻滾目標(biāo)的電磁消旋微小消旋力的測(cè)試平臺(tái)及其測(cè)試方法，適用于靜電、電磁環(huán)境下微小電磁消旋力的測(cè)量。綜上所述，在試驗(yàn)裝置的研究方面，國(guó)內(nèi)外研究少有大型試驗(yàn)平臺(tái)的搭建、消旋相關(guān)數(shù)據(jù)的采集分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果的對(duì)比論證。

為了解決現(xiàn)有試驗(yàn)裝置對(duì)無(wú)摩擦旋轉(zhuǎn)、勻強(qiáng)磁場(chǎng)、系統(tǒng)參數(shù)可測(cè)量和消旋效果可演示等要求無(wú)法兼顧的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種電磁-渦流消旋試驗(yàn)裝置，可直觀、快速地演示、驗(yàn)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(guān)系，對(duì)探究作用機(jī)理、驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型等具有非常大的價(jià)值。

1 電磁-渦流消旋原理

根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的效果總是反抗引起感應(yīng)電流的原因。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)體在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生渦流，在原磁場(chǎng)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(chǎng)與原激勵(lì)磁場(chǎng)之間始終是相抵制的，表現(xiàn)為對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的阻尼效應(yīng)。

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

2 試驗(yàn)裝置的總體設(shè)計(jì)

電磁-渦流消旋試驗(yàn)裝置要能直觀、快速地演示，驗(yàn)證渦流消旋的效果，支持角速度、渦流力矩和磁感應(yīng)強(qiáng)度等試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確測(cè)量、采集及存儲(chǔ)。試驗(yàn)裝置選用豎立式的框架布局如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置框架Fig.2 Frame diagram of test device

以電磁-渦流消旋試驗(yàn)裝置的功能需求為設(shè)計(jì)導(dǎo)向，按照試驗(yàn)需求可將裝置分為以下3個(gè)組成部分：無(wú)摩擦旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、電磁渦流制動(dòng)器、測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部件有螺桿空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、干燥機(jī)、過(guò)濾器、氣浮軸承、試驗(yàn)架、模型試驗(yàn)件、電磁發(fā)生器、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、特斯拉計(jì)、單片機(jī)、上位機(jī)等，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)方案Fig.3 Design scheme of test device

電磁-渦流消旋試驗(yàn)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(yàn)架中心位置，并保持其豎直同軸的狀態(tài)；傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器連接氣浮軸承、扭矩傳感器、模型試驗(yàn)件，并保持其豎直同軸的狀態(tài)；模型試驗(yàn)件位于正中心。

圖4 試驗(yàn)裝置三維建模Fig.4 The modeling of test device

使用MAXWELL軟件對(duì)電磁發(fā)生器進(jìn)行仿真。電磁發(fā)生器磁場(chǎng)分布云圖如圖5所示，圖中磁感線閉環(huán)線路與線圈垂直，為了避免試驗(yàn)架在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，試驗(yàn)架與電磁發(fā)生器垂直放置。

圖5 磁場(chǎng)分布云圖Fig.5 Magnetic field distribution map

電磁發(fā)生器勻強(qiáng)磁場(chǎng)分布云圖如圖6所示。將電磁發(fā)生器的兩種布局情況進(jìn)行對(duì)比，第1種布局是電磁發(fā)生器，第2種布局是安裝布置試驗(yàn)架、氣浮軸承、扭矩傳感器等部件后的電磁發(fā)生器。磁感應(yīng)強(qiáng)度沿線圈中心軸線的變化如圖7所示，兩種布局的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度平均值降低了1.72%；兩種布局情況下勻強(qiáng)磁場(chǎng)范圍內(nèi)同一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大差值為3.019×10-4T，第2種布局的磁感應(yīng)強(qiáng)度極大值降低了2.34%。第1種布局滿足1%均勻度的勻強(qiáng)磁場(chǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)范圍縮小了12.12%。試驗(yàn)架、氣浮軸承、扭矩傳感器等部件的安裝布置對(duì)電磁發(fā)生器的影響滿足本裝置試驗(yàn)要求。

圖6 勻強(qiáng)磁場(chǎng)分布云圖Fig.6 Cloud chart of uniform magnetic field distribution

圖7 中心區(qū)域勻強(qiáng)磁場(chǎng)Fig.7 Uniform magnetic field in central region

3 試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)摩擦旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

無(wú)摩擦旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有以下3個(gè)功能需求：支撐模型試驗(yàn)件；保持模型試驗(yàn)件繞單一軸線方向的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)狀態(tài)；在整個(gè)變角速度的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)所受到的摩擦力矩極小，基本可以忽略。

因?yàn)檩S承的摩阻與摩擦介質(zhì)的黏度成正比，室溫下黏度僅為10號(hào)機(jī)油1/5000的空氣作為摩擦介質(zhì)可滿足試驗(yàn)需求，所以無(wú)摩擦旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)成圓柱體形狀，由磨頭安裝位、進(jìn)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(jù)定制QF-62氣浮軸承選定配套空氣激勵(lì)系統(tǒng)。空氣激勵(lì)系統(tǒng)由螺桿空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、一級(jí)過(guò)濾器、二級(jí)過(guò)濾器、干燥機(jī)等設(shè)備組成，如圖9所示。

圖9 空氣激勵(lì)系統(tǒng)Fig.9 Air excitation system

確定主要設(shè)備后，進(jìn)行無(wú)摩擦旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的安裝連接。氣浮軸承、下傳動(dòng)軸、模型試驗(yàn)件、上傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器、扭矩傳感器在豎直狀態(tài)下以頂絲緊固方式連接并保持同軸狀態(tài)，如圖10所示。轉(zhuǎn)動(dòng)模型試驗(yàn)件，使用千分尺測(cè)量各部件邊緣跳動(dòng)，保證模型試驗(yàn)件轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同軸度小于0.25 mm。

圖10 無(wú)摩擦旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)Fig.10 Frictionless rotating mechanism

3.2 電磁發(fā)生器的設(shè)計(jì)

當(dāng)中心磁感應(yīng)強(qiáng)度線圈內(nèi)部有效空間通入電流相同時(shí)，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(yōu)勢(shì)。所以該試驗(yàn)裝置采用方形亥姆霍茲線圈作為勻強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生器。如圖11（a）所示，磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向?yàn)閄軸方向，中心軸線上Q點(diǎn)坐標(biāo)為（0，x），則Q點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為

圖11 電磁發(fā)生器Fig.11 Electromagnetic generator

式中：l為線圈邊長(zhǎng)；a為一對(duì)線圈的中心距；方形亥姆霍茲線圈產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場(chǎng)的條件為a=0.5445l；I為線圈輸入電流；μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7N/A2。

電磁發(fā)生器采用一對(duì)匝數(shù)、邊長(zhǎng)、高度、厚度相同的共軸平行放置的正方形線圈，構(gòu)成正方形亥姆霍茲線圈。線圈外形長(zhǎng)寬為640 mm，線圈厚度為35 mm，線圈高度為42 mm，兩個(gè)線圈的中心距離為322 mm。

使用MAXWELL軟件對(duì)電磁發(fā)生器的線圈進(jìn)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(yīng)強(qiáng)度為14 mT及均勻度為1%的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，范圍為140 mm×140 mm×140 mm，滿足試驗(yàn)需求。圖11（b）為最終設(shè)計(jì)及制作的電磁發(fā)生器，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電磁發(fā)生器技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameter table

3.3 試驗(yàn)架的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)架是一個(gè)定位、支撐裝置，模型試驗(yàn)件在所選擇試驗(yàn)狀態(tài)下進(jìn)行消旋性能參數(shù)測(cè)試時(shí)，試驗(yàn)架對(duì)模型試驗(yàn)件起定位、支撐作用。試驗(yàn)架由歐標(biāo)30×30 L鋁型材組成，30角件緊固試驗(yàn)架，如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)架Fig.12 Test stand

對(duì)試驗(yàn)架進(jìn)行靜力學(xué)仿真，計(jì)算全方向產(chǎn)生的總形變，以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。試驗(yàn)架的靜力學(xué)變形云圖如圖13所示。由仿真數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)架最大變形量為2.5983×10-2mm，滿足模型試驗(yàn)件旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下機(jī)構(gòu)的同軸度小于0.25 mm的要求，所以試驗(yàn)架的設(shè)計(jì)滿足試驗(yàn)要求。

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

3.4 模型試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)

模型試驗(yàn)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(yàn)件所受的動(dòng)力效應(yīng)，包括物體的總質(zhì)量、質(zhì)心、慣性特性、合力和合力矩等各參數(shù)與渦流消旋成比例關(guān)系。

在模型試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)選型中，需要滿足導(dǎo)電能力充足、質(zhì)量小的要求。模型試驗(yàn)件外圍直徑一般取小于140 mm為宜；模型試驗(yàn)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(yàn)件的材料選用航天專用鋁、鋁合金；模型試驗(yàn)件的質(zhì)量小于10 kg，如圖14所示。

圖14 模型試驗(yàn)件Fig.14 Model test piece

3.5 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.5.1 測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

傳感器等硬件需滿足模型試驗(yàn)件受到的渦流力矩、轉(zhuǎn)速、中心區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度等參數(shù)的測(cè)量分辨率；實(shí)現(xiàn)扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和特斯拉計(jì)的同步采集。基于此需求，測(cè)試系統(tǒng)硬件由CYT-303微量程扭矩傳感器、SZGB-6光電轉(zhuǎn)速傳感器、TD8650特斯拉計(jì)、STM32單片機(jī)、開(kāi)關(guān)電源等組成。

扭矩傳感器與轉(zhuǎn)換模塊連接，輸出1～5 V模擬信號(hào)；轉(zhuǎn)速傳感器輸出“1”（5±0.5）V、“0”0.5 V數(shù)字信號(hào)；特斯拉計(jì)輸出0～3 V模擬信號(hào)。以上3種信號(hào)通過(guò)單片機(jī)轉(zhuǎn)成RS485信號(hào)輸出，測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)與上位機(jī)串口之間的硬件連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示與存儲(chǔ)，如圖15所示。

圖15 測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)流程Fig.15 Signal flow chart of test system

3.5.2 測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的上位機(jī)采集程序由LabVIEW平臺(tái)編譯，由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、可視化模塊3部分組成。數(shù)據(jù)采集界面如圖16所示。

圖16 數(shù)據(jù)采集界面Fig.16 Data acquisition interface

4 結(jié)論

（1）電磁-渦流消旋試驗(yàn)裝置由無(wú)摩擦旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、電磁渦流制動(dòng)器和測(cè)試系統(tǒng)組成。該裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星無(wú)摩擦的自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的模擬，產(chǎn)生滿足消旋需求、恒定且均勻的強(qiáng)磁場(chǎng)，保持轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的同軸度小于0.25 mm，達(dá)到與消旋目標(biāo)在勻磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的幾何相似，實(shí)現(xiàn)角速度、渦流力矩、磁感應(yīng)強(qiáng)度等試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，直觀及快速演示、驗(yàn)證渦流消旋的效果。

（2）仿真結(jié)果表明：試驗(yàn)架、氣浮軸承、扭矩傳感器等部件的安裝布置使電磁發(fā)生器所產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度降低1.72%，極值磁感應(yīng)強(qiáng)度降低2.34%，勻強(qiáng)磁場(chǎng)范圍縮小12.12%；最終設(shè)計(jì)制作的電磁發(fā)生器的勻強(qiáng)磁場(chǎng)范圍為132.8 mm×132.8 mm×132.8 mm；試驗(yàn)架最大變形量為2.5983×10-2mm，滿足旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下機(jī)構(gòu)的同軸度小于0.25 mm的要求。

綜上所述，電磁-渦流消旋試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)滿足探究電磁-渦流相互耦合作用關(guān)系的試驗(yàn)需求，下一步將開(kāi)展裝置的細(xì)化方案設(shè)計(jì)和環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，最終研制樣機(jī)并開(kāi)展地面試驗(yàn)驗(yàn)證。