CN113562203B - 一种具有冗余气隙的电磁作动器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种具有冗余气隙的电磁作动器，该电磁作动器包括定子和动子，定子包括定子框架、磁轭、隔磁环、磁环和锁母；动子包括线圈骨架和环形线圈。本发明在单层磁极结构中形成了上、下双永磁分支磁路，实现了永磁磁通分流从而缓解了整体磁饱和，所采用的隔磁环起到冗余气隙作用，进一步缓解了磁轭局部磁饱和，并有效降低了轴向和径向尺寸，便于安装搭载。本发明可重复使用、推力密度大、体积小且重量轻，实现对不同质量的纳卫星分时调速释放。

Description

一种具有冗余气隙的电磁作动器

技术领域

本发明涉及一种具有冗余气隙的电磁作动器，属于航空航天技术领域。

背景技术

多颗卫星协同工作完成复杂的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。尤其是立方星研制周期短、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，往往需要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。由于纳星具备较弱的轨控能力和有限的燃料，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针对不同质量的纳卫星实现调速释放。而传统的部署器采用多采用压缩弹簧，难以实现纳卫星可重复精确释放，且不可重复使用，导致成本高效率低。

电磁作动器利用通电线圈在磁场中产生电磁力，响应速度快，非常适用于部署器重复调速释放纳卫星。当前众多专利对电磁作动器的创新是往往通过重塑气隙磁场来提高电磁力系数，而忽略了磁轭磁饱和对整体的影响，导致作动器体积质量大。针对航天应用，为便于装配和降低发射成本，往往期望电磁作动器体积小重量轻。

发明内容

本发明为了解决上述背景技术中提到的现有技术的为便于装配和降低发射成本，需要设计一种体积小重量轻电磁作动器的技术问题，提出一种具有冗余气隙的电磁作动器，单层磁极形成了双永磁分支磁路，实现了永磁磁通分流从而缓解了磁轭磁饱和，利用隔磁环起到冗余气隙作用，进一步缓解局部磁饱和，相比于传统的电磁作动器，具有体积小、重量轻和推力大的优势。

本发明提出一种具有冗余气隙的电磁作动器，包括定子和动子，定子包括定子框架、端部磁轭、外隔磁环、外磁轭、外下磁环、外磁环、外上磁环、外上磁轭、外锁母、内隔磁环、内磁轭、内下磁环、内磁环、内上磁环、内上磁轭、内锁母和主气隙，动子包括线圈骨架和环形线圈；

所述端部磁轭位于定子框架环形槽底部，所述外隔磁环位于端部磁轭外环突起的上端，所述外磁轭位于外隔磁环的上端，所述外下磁环位于端部磁轭凹槽外壁的径向内侧，所述外磁环位于外下磁环的上端，所述外上磁环位于外下磁环和外磁环的上端，所述外上磁轭位于外上磁环的上端，所述外锁母位于外上磁轭的上端，所述端部磁轭、外隔磁环3、外磁轭、外下磁环、外磁环、外上磁环和外上磁轭通过定子框架与外锁母之间的锁母固定安装在定子框架上，所述内隔磁环位于端部磁轭内环突起的上端，所述内磁轭位于内隔磁环的上端，所述内下磁环位于端部磁轭凹槽内壁的径向外侧，所述内磁环位于内磁轭和内下磁环的上端，所述内上磁环位于内磁环的上端，所述内上磁轭位于内上磁环的上端，所述内锁母位于内上磁轭的上端，所述内隔磁环、内磁轭、内下磁环、内磁环和内上磁环通过内锁母和定子框架之间的螺纹固定安装在定子框架上，所述外下磁环、外磁环、外上磁环、外上磁轭和外锁母的内壁与内下磁环、内磁环、内上磁环、内上磁轭和内锁母的外壁形成主气隙，线圈骨架位于主气隙内，环形线圈环绕并固定在线圈骨架的槽内。

优选地，所述环形线圈环绕在线圈骨架的凹槽内，并通过环氧树脂胶固定。

优选地，所述外下磁环、外磁环、外上磁环、内下磁环、内磁环和内上磁环均为衫钴合金硬磁材料。

优选地，所述外磁环和内磁环为径向充磁，所述外下磁环、外上磁环、内下磁环和内上磁环为轴向充磁，充磁方向为外下磁环上N下S、外磁环外S内N、外上磁环上S下N、内下磁环上N下S、内磁环外S内N和内上磁环上N下S。

优选地，所述外磁环和内磁环为径向充磁，所述外下磁环、外上磁环、内下磁环和内上磁环为轴向充磁，充磁方向为外下磁环上S下N、外磁环外N内S、外上磁环上N下S、内下磁环上S下N、内磁环外N内S和内上磁环上S下N。

优选地，所述端部磁轭、外磁轭、外上磁轭、内磁轭和内上磁轭为软磁1J50材料。

优选地，所述外隔磁环和内隔磁环为钛合金材料。

优选地，所述外上磁环和外上磁轭的宽度等于外磁轭和外磁环的厚度之和，内上磁环和内上磁轭的宽度等于内磁轭和内磁环的厚度之和。

优选地，所述外隔磁环的宽度等于外磁轭厚度，内隔磁环的宽度等于内磁轭的厚度。

本发明所述的具有冗余气隙的电磁作动器的有益效果为：

1.本发明在单层磁极结构中形成了双永磁分支磁路，实现了永磁磁通分流从而改善了磁轭中的磁密分布，有效缓解了磁饱和，大幅降低了磁轭的厚度并减轻了电磁作动器的体积质量。

2.本发明相比传统的双面双层磁极构型，本发明的双面单层磁极构型有效减小了电磁作动器轴向尺寸，便于航天安装与搭载应用。

3.本发明隔磁环起到冗余气隙的作用，有效缓解了局部磁饱和，并形成了辅助永磁回路，增大了端部气隙磁密且使得磁场分布均匀，相比于传统电磁作动器，其推力密度大且平稳，有效抑制了推力波动。

4.本发明可重复使用、同时具有推力密度大和体积小及重量轻的特点，可实现对不同质量的纳卫星分时调速释放。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1为本发明所述的一种具有冗余气隙的电磁作动器的径向剖视图；

图2为本发明所述的一种具有冗余气隙的电磁作动器的定子剖视图；

图3为本发明所述的一种具有冗余气隙的电磁作动器的动子的立体图

图4为本发明所述的一种具有冗余气隙的电磁作动器的双永磁分支回路示意图；

图5为本发明所述的一种具有冗余气隙的电磁作动器的左半部分磁力线仿真图；

其中，1-定子框架、2-端部磁轭、3-外隔磁环、4-外磁轭、5-外下磁环、6-外磁环、7-外上磁环、8-外上磁轭、9-外锁母、10-内隔磁环、11-内磁轭、12-内下磁环、13-内磁环、14-内上磁环、15-内上磁轭、16-内锁母、17-主气隙。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

具体实施方式一：参见图1-5说明本实施方式。

图1为本发明技术解决方案的电磁作动器的径向剖视图，主要由定子和动子组成，其特征在于，定子主要包括：定子框架1、端部磁轭2、外隔磁环3、外磁轭4、外下磁环5、外磁环6、外上磁环7、外上磁轭8、外锁母9、内隔磁环10、内磁轭11、内下磁环12、内磁环13、内上磁环14、内上磁轭15、内锁母16和主气隙17；动子主要包括：线圈骨架18和环形线圈19；端部磁轭2位于定子框架1环形槽底部，外隔磁环3位于端部磁轭2外环突起的轴向上端，磁轭4位于外隔磁环3的轴向上端，外下磁环5位于端部磁轭2凹槽外壁的径向内侧，外磁环6位于外下磁环5的轴向上端，外上磁环7位于外下磁环5和外磁环6的轴向上端，外上磁轭8位于外上磁环7的轴向上端，外锁母9位于外上磁轭8的轴向上端，端部磁轭2、外隔磁环3、外磁轭4、外下磁环5、外磁环6、外上磁环7和外上磁轭8通过定子框架1与外锁母9之间的锁母固定安装在定子框架1上，内隔磁环10位于端部磁轭2内环突起的轴向上端，内磁轭11位于内隔磁环10的轴向上端，内下磁环12内磁环13位于端部磁轭2凹槽内壁的径向外侧，内磁环13位于内磁轭11和内下磁环12的轴向上端，内上磁环14位于内磁环13的轴向上端，内上磁轭15位于内上磁环14的轴向上端，内锁母16位于内上磁轭15的轴向上端，内隔磁环10、内磁轭11、内下磁环12、内磁环13和内上磁环14通过内锁母16和定子框架1之间的螺纹固定安装在定子框架1上，外下磁环5、外磁环6、外上磁环7、外上磁轭8和外锁母9的内壁与内下磁环12、内磁环13、内上磁环14、内上磁轭15和内锁母16的外壁形成主气隙17，线圈骨架18位于主气隙17内，环形线圈19环绕并固定在线圈骨架18的槽内。

图2为本发明技术解决方案的电磁作动器的定子剖视图，定子主要包括：定子框架1、端部磁轭2、外隔磁环3、外磁轭4、外下磁环5、外磁环6、外上磁环7、外上磁轭8、外锁母9、内隔磁环10、内磁轭11、内下磁环12、内磁环13、内上磁环14、内上磁轭15、内锁母16和主气隙17；所述端部磁轭2位于定子框架1环形槽底部，所述外隔磁环3位于端部磁轭2外环突起的轴向上端，所述磁轭4位于外隔磁环3的轴向上端，所述外下磁环5位于端部磁轭2凹槽外壁的径向内侧，外磁环6位于外下磁环5的轴向上端，所述外上磁环7位于外下磁环5和外磁环6的轴向上端，所述外上磁轭8位于外上磁环7的轴向上端，所述外锁母9位于外上磁轭8的轴向上端，所述端部磁轭2、外隔磁环3、外磁轭4、外下磁环5、外磁环6、外上磁环7和外上磁轭8通过定子框架1与外锁母9之间的锁母固定安装在定子框架1上，所述内隔磁环10位于端部磁轭2内环突起的轴向上端，所述内磁轭11位于内隔磁环10的轴向上端，所述内下磁环12内磁环13位于端部磁轭2凹槽内壁的径向外侧，所述内磁环13位于内磁轭11和内下磁环12的轴向上端，所述内上磁环14位于内磁环13的轴向上端，所述内上磁轭15位于内上磁环14的轴向上端，所述内锁母16位于内上磁轭15的轴向上端，所述内隔磁环10、内磁轭11、内下磁环12、内磁环13和内上磁环14通过内锁母16和定子框架1之间的螺纹固定安装在定子框架1上，所述外下磁环5、外磁环6、外上磁环7、外上磁轭8和外锁母9的内壁与内下磁环12、内磁环13、内上磁环14、内上磁轭15和内锁母16的外壁形成主气隙17。

所述的外下磁环5、外磁环6、外上磁环7、内下磁环12、内磁环13和内上磁环14均为衫钴合金硬磁材料，其中外磁环6和内磁环13为径向充磁，外下磁环5、外上磁环7、内下磁环12和内上磁环14为轴向充磁，充磁方向为外下磁环5上N下S、外磁环6外S内N、外上磁环7上S下N、内下磁环12上N下S、内磁环13外S内N和内上磁环14上N下S，或者为外下磁环5上S下N、外磁环6外N内S、外上磁环7上N下S、内下磁环12上S下N、内磁环13外N内S和内上磁环14上S下N。所述的端部磁轭2、外磁轭4、外上磁轭8、内磁轭11和内上磁轭15为软磁1J50材料。外隔磁环3和内隔磁环10为钛合金材料。

所述的外上磁环7和外上磁轭8的宽度等于外磁轭4和外磁环6的厚度之和，内上磁环14和内上磁轭15的宽度等于内磁轭11和内磁环13的厚度之和。

所述的外隔磁环3的宽度等于外磁轭4厚度，内隔磁环10的宽度等于内磁轭11的厚度。

图3为本发明技术解决方案的电磁作动器的动子的剖视图，动子主要包括：线圈骨架18和环形线圈19，，环形线圈19环绕在线圈骨架18的凹槽内，并通过环氧树脂胶固定。

图4为本发明技术解决方案的电磁作动器的双永磁分支回路示意图，本发明产生的上永磁分支磁路为：上磁通从外上磁环7的N极出发，经过外磁轭4的上半部分到达外磁环6的S极，从外磁环6的N极流出，经过主气隙17到达内磁环13的S极，从内磁环13的N极流出，经过内磁轭11的上半部分到达内上磁环14的S极，从内上磁环14的N极流出，依次经过内上磁环14、主气隙17和外上磁轭8回到外上磁环7的S极。

本发明产生的下永磁分支磁路为：下磁通从外磁环6的N极出发，经过主气隙17到达内磁环13的S极，从内磁环13的N极流出，依次经过内磁轭11的下半部分、内隔磁环10、端部磁轭2、外隔磁环3和外磁轭4回到外磁环6的S极；本发明产生的辅助永磁回路为：辅助磁通从外下磁环5的N极出发，依次经过外磁环6、主气隙17和内磁环13到达内下磁环12的S极，从内下磁环12的N极流出经过端部磁轭2回到外下磁环5的S极。

图5为本发明技术解决方案的电磁作动器左半部分的磁力线仿真图，可以看出磁力线明显形成了上永磁分支磁路，下永磁分支磁路和辅助永磁回路，气隙处磁力线分布均匀，同时缓解了端部拼接处的局部磁饱和，验证了本发明的创新性与可行性。

所述的具有冗余气隙的电磁作动器的工作原理为：

在单层磁极结构中形成了上、下双永磁分支磁路，利用分支磁路对永磁磁通分流有效缓解了磁轭磁饱和，并在气隙中产生较大的永磁场，放置在气隙中的线圈通电后产生安培力从而推动纳卫星释放。外隔磁环3和内隔磁环10为不导磁的钛合金材料，由于外隔磁环3和内隔磁环10的磁阻与气隙的磁阻近似，可视为冗余气隙，可有效缓解端部拼接处的局部磁饱和。由于外隔磁环3和内隔磁环10的存在，使得外下磁环5和内磁环13形成独立的辅助永磁回路，改善了气隙端部的磁场分布。

上永磁分支磁路产生原理为：上磁通从外上磁环7的N极出发，经过外磁轭4的上半部分到达外磁环6的S极，从外磁环6的N极流出，经过主气隙17到达内磁环13的S极，从内磁环13的N极流出，经过内磁轭11的上半部分到达内上磁环14的S极，从内上磁环14的N极流出，依次经过内上磁环14、主气隙17和外上磁轭8回到外上磁环7的S极；

下永磁分支磁路产生原理为：下磁通从外磁环6的N极出发，经过主气隙17到达内磁环13的S极，从内磁环13的N极流出，依次经过内磁轭11的下半部分、内隔磁环10、端部磁轭2、外隔磁环3和外磁轭4回到外磁环6的S极；

辅助永磁回路产生原理为：辅助磁通从外下磁环5的N极出发，依次经过外磁环6、主气隙17和内磁环13到达内下磁环12的S极，从内下磁环12的N极流出经过端部磁轭2回到外下磁环5的S极。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有冗余气隙的电磁作动器，其特征在于，包括定子和动子，定子包括定子框架（1）、端部磁轭（2）、外隔磁环（3）、外磁轭（4）、外下磁环（5）、外磁环（6）、外上磁环（7）、外上磁轭（8）、外锁母（9）、内隔磁环（10）、内磁轭（11）、内下磁环（12）、内磁环（13）、内上磁环（14）、内上磁轭（15）、内锁母（16）和主气隙（17），动子包括线圈骨架（18）和环形线圈（19）；

所述端部磁轭（2）位于定子框架（1）环形槽底部，所述外隔磁环（3）位于端部磁轭（2）外环突起的上端，所述外磁轭（4）位于外隔磁环（3）的上端，所述外下磁环（5）位于端部磁轭（2）凹槽外壁的径向内侧，所述外磁环（6）位于外下磁环（5）的上端，所述外上磁环（7）位于外下磁环（5）和外磁环（6）的上端，所述外上磁轭（8）位于外上磁环（7）的上端，所述外锁母（9）位于外上磁轭（8）的上端，所述端部磁轭（2）、外隔磁环（3）、外磁轭（4）、外下磁环（5）、外磁环（6）、外上磁环（7）和外上磁轭（8）通过定子框架（1）与外锁母（9）之间的锁母固定安装在定子框架（1）上，所述内隔磁环（10）位于端部磁轭（2）内环突起的上端，所述内磁轭（11）位于内隔磁环（10）的上端，所述内下磁环（12）位于端部磁轭（2）凹槽内壁的径向外侧，所述内磁环（13）位于内磁轭（11）和内下磁环（12）的上端，所述内上磁环（14）位于内磁环（13）的上端，所述内上磁轭（15）位于内上磁环（14）的上端，所述内锁母（16）位于内上磁轭（15）的上端，所述内隔磁环（10）、内磁轭（11）、内下磁环（12）、内磁环（13）和内上磁环（14）通过内锁母（16）和定子框架（1）之间的螺纹固定安装在定子框架（1）上，所述外下磁环（5）、外磁环（6）、外上磁环（7）、外上磁轭（8）和外锁母（9）的内壁与内下磁环（12）、内磁环（13）、内上磁环（14）、内上磁轭（15）和内锁母（16）的外壁形成主气隙（17），线圈骨架（18）位于主气隙（17）内，环形线圈（19）环绕并固定在线圈骨架（18）的槽内。

2.根据权利要求1所述的具有冗余气隙的电磁作动器，其特征在于，所述外下磁环（5）、外磁环（6）、外上磁环（7）、内下磁环（12）、内磁环（13）和内上磁环（14）均为钐钴合金硬磁材料。

3.根据权利要求1所述的具有冗余气隙的电磁作动器，其特征在于，所述外磁环（6）和内磁环（13）为径向充磁，所述外下磁环（5）、外上磁环（7）、内下磁环（12）和内上磁环（14）为轴向充磁，充磁方向为外下磁环（5）上N下S、外磁环（6）外S内N、外上磁环（7）上S下N、内下磁环（12）上N下S、内磁环（13）外S内N和内上磁环（14）上N下S。

4.根据权利要求1所述的具有冗余气隙的电磁作动器，其特征在于，所述外磁环（6）和内磁环（13）为径向充磁，所述外下磁环（5）、外上磁环（7）、内下磁环（12）和内上磁环（14）为轴向充磁，充磁方向为外下磁环（5）上S下N、外磁环（6）外N内S、外上磁环（7）上N下S、内下磁环（12）上S下N、内磁环（13）外N内S和内上磁环（14）上S下N。

5.根据权利要求1所述的具有冗余气隙的电磁作动器，其特征在于，所述端部磁轭（2）、外磁轭（4）、外上磁轭（8）、内磁轭（11）和内上磁轭（15）为软磁合金1J50材料。

6.根据权利要求1所述的具有冗余气隙的电磁作动器，其特征在于，所述外隔磁环（3）和内隔磁环（10）为钛合金材料。

7.根据权利要求1所述的具有冗余气隙的电磁作动器，其特征在于，所述外上磁环（7）和外上磁轭（8）的宽度等于外磁轭（4）和外磁环（6）的厚度之和，内上磁环（14）和内上磁轭（15）的宽度等于内磁轭（11）和内磁环（13）的厚度之和。

8.根据权利要求1所述的具有冗余气隙的电磁作动器，其特征在于，所述外隔磁环（3）的宽度等于外磁轭（4）厚度，内隔磁环（10）的宽度等于内磁轭（11）的厚度。

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