空间环境下的微特电机设计特点分析

顾苗苗 谷少煊

摘  要：微特电机近年来受到科研行业的高度关注，在利用微特电机时，应关注不同空间环境对其的应用要求，且不同的微特电机也会发挥出不同的功能。设计人员需要认清微特电机的应用发展趋势，要能够基于提高环境观测、气象观测以及数据通信等性能出发，对空间环境下微特电机进行科学设计。文章在对微特电机设计时，主要从微特电机的空间环境典型应用和设计特点进行了深入探讨。

关键词：空间环境;微特电机;设计要点

中图分类号：TM38         文献标志码：A         文章編号：2095-2945（2020）20-0083-02

Abstract： Micro and special motors have received great attention in the scientific research industry in recent years. While using micro special motors， we must pay attention to the application requirements of different kinds of space environment， and different micro and special motors will also perform different functions. Designers need to recognize the application development trend of micro and special motors， and must be able to scientifically design micro motors in the space environment based on the improvement of the performance of environmental observation， meteorological observation， and data communication. In this paper， the design of micro motors is discussed in depth from the typical applications and design characteristics of micro motors in the space environment.

Keywords： space environment; micro and special motor; design points

伴随着人类文明的快速发展，人类开始逐步迈入太空时代，航天器的发展不仅关系到国家航空事业的发展，更深切影响着现代社会生活。如地理定位、电视转播的信号、空间试验的轨道、载人空间站、宇宙飞船等，皆与人们的生活息息相关。近年来，我国的航天事业获得了快速发展，航天器运动机构在工作上需要各类有着多种功能的微特电机，在航天器中，最关键的构成之一即为各类功能各异的微特电机，一个航天器需要使用到多台电动机。如电池阵列展开驱动用电机与齿轮减速组件，展开驱动和方向调整用电机与齿轮减速机构，空间机械臂运动用电机组件，用于控制姿态的飞轮旋转无刷直流电机组件等。而空间环境指的是航天器外层空间飞行处于的环境，它直接影响着航天器系统工作状态。空间环境中存在较多影响微特电机设计的要素，包括空间辐射、极端温度和高真空等，基于此，在对微特电机进行应用设计时，需要充分考虑设计要点，提高设计水准，满足航天器的运行需求。

1 空间环境下微特电机的应用要点

航天器中涵盖较多的功能部件，核心功能部件的存在如发射及接收天线、太阳能电池阵列、观测或探测器件、消旋平台等组件都可以影响航天器的运行质量。在航天器中，微特电机组件为驱动源，与航天器相关电机组件一起发挥效用。而航天器用电机组件主要包括主驱动电机、减速装置、制动器、速度传感器以及驱动控制电路等。可以根据航天器的运行需求选择不提供的主驱动电机类型，减速装置和其他的装置也需要根据系统需求进行配置，但是都要保证系统具有完善的功能与较高的控制精度。微特电机在航天器中的应用需要关注空间环境，在进行应用时，要把握以下要点：

1.1 天线展开机构

航天器有其自身的运动轨迹，当进入到太空的预定轨道时，可以实现对各类信息的收发，在进入到预定轨道时，航天器的信息发送和接收天线就会按照自动设定程序展开和伸出，而航天器的旋转运动机构中的构成则较为复杂，主要包括混合式步进电动机、齿轮减速组件等，其中电机的作用是在减速状态下带动长丝杆缓慢旋转。观察与丝杆配套的特制螺母可知，其会在负载作用下进行直线运动，天线向外展开。而对天线展开结构而言，存在影响其展开度的因素，即用电机组件的性能指标与可靠性，而这两个指标也会影响航天器交互通讯质量。

1.2 太阳能电池阵列

当航天器在运行状态时，其正常的在轨道运行与太阳能电池阵列之间有重要关系。太阳能电池阵列可以说参与了航天器的运行全过程，在航天器发射时，太阳能电池阵列会固定特殊螺栓，此时，特殊螺栓会呈现收缩状态。接着，航线器会继续运行并达到预定轨道，固定螺栓需要经由地面遥控进行引爆，基于获得最大能量的要求，需要将其帆板展开并使其始终朝向太阳。航天器在运行过程中需要围绕地球进行公转与自转，其可以调整自身，从而调整帆板朝向。在这个过程中，旋转运动机构会帮助帆板进行缓慢的旋转运动，使帆板始终处于较为适宜的状态。此外，电池阵列帆板的转动还需要混合式步进电动机、齿轮减速组件的驱动。

1.3 光学相机、光电望远镜探测系统

对航天器的各种组件进行分析可知，构成航天器的主要组件中还包括光学相机和光电望远镜探测系统。该系统在航天器中被称之为载荷系统，其基本原理为光学和耦合原理，能够经过光学方式探测物体，从而将探测的信息转换成电信号，并对其进行编码，工作人员可以使用专用芯片，此时就可以经由数字通信传输，并形成相应的图像。不同的光学和光电探测系统其工作原理不同，但是在对其进行应用时，都需要关注光学调整与转动扫描机构等，在进行调焦和摆动镜片时，则需要借助电动机组件来进行驱动。不同精度的旋转运动机构其需要采用的驱动控制方式也不同，若精度较高，则需要使用开环对步进电动机和减速齿轮组件进行控制。若精度较低，则要采用闭环对无刷直流电动机、减速和角度位置编码器组件进行控制。

1.4 机械式消旋平台

航天器在太空预定轨道运行时，需要向地球传输重要信息，此时就需要借助航天器上的天线射束，并使其射向地球。但是考虑到航天器围绕地球进行公转、自转和自身调整，会导致天线射束产生变化。基于航天器天线射束稳定性的要求，工程人员需要在航天器系统中设置消旋平台，来稳定天线射束的位置，并使其处于相对锁定状态。在航天器中常用的消旋平台为机械式消旋平台，其是一种含有驱动源的运动机构。机械式消旋平台的工作原理为对步进电动机进行控制，使其达到规定转速，并转换电路状态，使其相对锁定，关注天线射束的状态，若没有对准地球目标，则要在控制电机旋转时使用锁相电路，确保天线射束与地球目标对准。

2 空间环境下的微特电机设计要点

微特电机的应用前景十分广阔，在进行设计时，需要把握空间环境对微特电机性能、结构及材质的特殊要求。在空间环境下设计微特电机时，设计人员需将电机运行可靠性作为设计要点，具体设计要求如下：

2.1 材料选择

对空间环境下的微特电机的应用进行设计，设计人员需要在选择材料时尤其关注材料质量。首先需要关注材料的气体逸出率，越低越好。在对具体的材料进行选择时，需要按照相关规定关注材料逸出气体量的相关指标，主要包括TML（质量损失比）不大于1%和CVCM（再凝缩物质量比）不大于0.1%;其次在选择材料时，还要关注材料的热传导性能。材料需具有对温度周期变化导致的温度应力变化的适应能力，一般要选用温度范围在-55℃～+125℃的材料。此外，也要关注材料对极限温度的适应性;最后在选择材料时，必须要选择耐辐射材料。

2.2 结构设计

基于空间环境的基本特性进行微特电机的结构设计时，需要关注微特电机自身的特性，主要包括体积小、重量轻、高性能和高可靠性等。此外，还需在对微特电机的结构设计中，考虑其应用在航天器中能够抵抗较大的变形冲击。以步进电动机结构为例，其具有较为复杂的定子结构，该结构需要在支撑轴承的同时对转子进行支撑，需要其具备能够抵抗温度与机械应力的稳定运行能力。基于微特电机的应用趋势而言，在进行设计时，需要关注在特殊环境条件下材料变形以及機械尺寸变化条件下微特电机应用性能的改善研究。

2.3 热设计

航天器在真空环境中运行时，其电机损耗会不断产生热量，机械摩擦也会产生热量，对于航天器的进一步稳定运行而言，其需要具备性能较好的散热设备，但是仅局限在热传导和热辐射两种，这两重散热方式散热速度较慢，考虑到航天器是个不等温体，存在较大的温度梯度，较大的热场变化会影响电机的工作稳定性。基于电机稳定工作的要求，在进行设计时，需要加深在真空环境下航天器微特电机的仿真实验，研究出具有更高效益的散热系统。

2.4 轴承润滑技术执行设计

微特电机在真空环境下的运行需要依托轴承才能得以正常运转，要选用科学的轴承润滑方式，采用科学的轴承润滑技术。在针对轴承润滑技术进行执行设计时，设计人员需要对轴承结构和尺寸精度进行严格把控，确保采用符合标准规范的安装技术，并积极对微特电机固体润滑轴承的应用技术进行全面研究，提高其使用效率，延长其使用寿命。

2.5 开展极限温度下产品设计研究

深空极限温度通常在-150℃～+150℃，因此，航天类产品在设计上应保证且在深空中能够适应其中的低空环境，切实提升航天产品的深空耐受力，航天器舱外运行需要配备微特电机，以此，微特电机表面温度有着极大的跨度，所以为保证维特电机的有序运行，必须做好其在极限温度下的技术研究。

2.6 产品工艺技术

从过去的实践经验来看，产品加工及装配工艺也关系到微特电机的工作实效。对此，还应对电机加工及总装工艺进行研究，确定总装设计，开发定位工装夹具，从而提升装配精度，继而降低空载损耗。

3 结束语

航天事业的发展与科学技术的进步有重要联系，对于当前的航天事业而言，需要高度关注微特电机的应用，同时要关注空间环境对微特电机设计的影响。设计人员需要对微特电机在航天器中的具体应用进行分析，把握应用要点，在此基础上进行科学的设计，形成完整的设计方案。而在进行具体设计时，则要对材料进行科学选择，要加强对结构、热能、轴承润滑技术执行等设计的研究，确保微特电机能够在航天器组件中发挥应有的效用。

参考文献：

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