基于仿真分析的电磁-涡流消旋试验装置设计

石永康，陈金山，邹望，黄少华，闫佳慧

（1.新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830017；2.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；3.上海交通大学水动力学教育部重点实验室，上海 200240）

空间目标的电磁-涡流消旋技术具有实现的物理基础条件，是一种优势明显的消旋手段，国外已经具备切实可行的技术基础。在国内，对于失效航天器的电磁-涡流消旋研究，目前除了数学模型的推导、仿真之外［1］，极少通过实验进行验证，这严重影响了电磁-涡流消旋技术在碎片移等航天任务中的应用。由于空间实验耗资巨大，为了保证空间实验的各种设备正常工作，需进行大量的地面实验。

Sugai等［2］进行了消旋制动的仿真和地面试验，设计了试验装置，但存在电磁线圈与目标间的相对距离过小等问题。Youngquist等［3］设计了3种金属薄壁球壳与磁场的相互作用试验方案，并搭建了试验装置，但试验装置只验证了电磁消旋的效果。Walker等［4-7］设计了用于验证数学模型的地面实验平台，采用高温超导线圈产生超强磁场，但超导线圈需要复杂的控制系统、冷却循环系统支持。Nurge等［8］研究了圆柱形永磁体产生的非均匀磁场与在磁场中旋转的导体球之间的关系，但与传统电磁线圈相比，永磁体质量更大。国内对于失效航天器的电磁-涡流消旋研究处于起步阶段，只有少数团队进行了研究，更少有文献可查。黄攀峰等［9］设计了一种针对空间失控翻滚卫星消旋模拟的测试平台，采用单自由度、非接触式的方法，通过转换关系求得电磁消旋力。路勇等［10］设计了一种针对空间翻滚目标的电磁消旋微小消旋力的测试平台及其测试方法，适用于静电、电磁环境下微小电磁消旋力的测量。综上所述，在试验装置的研究方面，国内外研究少有大型试验平台的搭建、消旋相关数据的采集分析及实验结果与理论结果的对比论证。

为了解决现有试验装置对无摩擦旋转、匀强磁场、系统参数可测量和消旋效果可演示等要求无法兼顾的问题，设计一种电磁-涡流消旋试验装置，可直观、快速地演示、验证涡流消旋的效果。该装置适用于研究电磁-涡流相互耦合的作用关系，对探究作用机理、验证数学模型等具有非常大的价值。

1 电磁-涡流消旋原理

根据楞次定律，感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。旋转导体在磁场的作用下产生涡流，在原磁场和感生出的涡电流的相互作用下逐渐消旋，如图1所示［2］。涡电流所生成的磁场与原激励磁场之间始终是相抵制的，表现为对旋转运动的阻尼效应。

图1 电磁-涡流消旋原理Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic brake

2 试验装置的总体设计

电磁-涡流消旋试验装置要能直观、快速地演示，验证涡流消旋的效果，支持角速度、涡流力矩和磁感应强度等试验数据的精确测量、采集及存储。试验装置选用竖立式的框架布局如图2所示。

图2 试验装置框架Fig.2 Frame diagram of test device

以电磁-涡流消旋试验装置的功能需求为设计导向，按照试验需求可将装置分为以下3个组成部分：无摩擦旋转机构、电磁涡流制动器、测试系统。试验装置的关键部件有螺杆空压机、储气罐、干燥机、过滤器、气浮轴承、试验架、模型试验件、电磁发生器、扭矩传感器、转速传感器、特斯拉计、单片机、上位机等，如图3所示。

图3 试验装置设计方案Fig.3 Design scheme of test device

电磁-涡流消旋试验装置三维建模如图4所示。轴套采用顶丝紧固的方式将气浮轴承、扭矩传感器固定在试验架中心位置，并保持其竖直同轴的状态；传动轴、联轴器连接气浮轴承、扭矩传感器、模型试验件，并保持其竖直同轴的状态；模型试验件位于正中心。

图4 试验装置三维建模Fig.4 The modeling of test device

使用MAXWELL软件对电磁发生器进行仿真。电磁发生器磁场分布云图如图5所示，图中磁感线闭环线路与线圈垂直，为了避免试验架在实验过程中对结果产生影响，试验架与电磁发生器垂直放置。

图5 磁场分布云图Fig.5 Magnetic field distribution map

电磁发生器匀强磁场分布云图如图6所示。将电磁发生器的两种布局情况进行对比，第1种布局是电磁发生器，第2种布局是安装布置试验架、气浮轴承、扭矩传感器等部件后的电磁发生器。磁感应强度沿线圈中心轴线的变化如图7所示，两种布局的匀强磁场区域的磁感应强度平均值分别为1.276×10-2T、1.254×10-2T。两种布局相比，第2种布局的磁感应强度平均值降低了1.72%；两种布局情况下匀强磁场范围内同一点的磁感应强度最大差值为3.019×10-4T，第2种布局的磁感应强度极大值降低了2.34%。第1种布局满足1%均匀度的匀强磁场范围是132.8 mm×132.8 mm×132.8 mm；第2种布局满足1%均匀度的匀强磁场范围是127.2 mm×127.2 mm×127.2 mm。两种布局相比，第2种布局的匀强磁场范围缩小了12.12%。试验架、气浮轴承、扭矩传感器等部件的安装布置对电磁发生器的影响满足本装置试验要求。

图6 匀强磁场分布云图Fig.6 Cloud chart of uniform magnetic field distribution

图7 中心区域匀强磁场Fig.7 Uniform magnetic field in central region

3 试验装置的关键部件设计

3.1 无摩擦旋转机构的设计

无摩擦旋转机构有以下3个功能需求：支撑模型试验件；保持模型试验件绕单一轴线方向的稳定旋转状态；在整个变角速度的旋转过程中，机构旋转关节所受到的摩擦力矩极小，基本可以忽略。

因为轴承的摩阻与摩擦介质的黏度成正比，室温下黏度仅为10号机油1/5000的空气作为摩擦介质可满足试验需求，所以无摩擦旋转机构采用定制QF-62气浮轴承作为核心部件。定制QF-62气浮轴承的总体结构成圆柱体形状，由磨头安装位、进气孔和消声器等组成，如图8所示。

图8 定制QF-62气浮轴承Fig.8 Customized QF-62 air bearing

根据定制QF-62气浮轴承选定配套空气激励系统。空气激励系统由螺杆空压机、储气罐、一级过滤器、二级过滤器、干燥机等设备组成，如图9所示。

图9 空气激励系统Fig.9 Air excitation system

确定主要设备后，进行无摩擦旋转机构的安装连接。气浮轴承、下传动轴、模型试验件、上传动轴、联轴器、扭矩传感器在竖直状态下以顶丝紧固方式连接并保持同轴状态，如图10所示。转动模型试验件，使用千分尺测量各部件边缘跳动，保证模型试验件转动状态下的旋转机构同轴度小于0.25 mm。

图10 无摩擦旋转机构Fig.10 Frictionless rotating mechanism

3.2 电磁发生器的设计

当中心磁感应强度线圈内部有效空间通入电流相同时，方形线圈与圆形线圈相比，具有功率更低，均匀度更高且易于装配，总体性能更好等优势。所以该试验装置采用方形亥姆霍兹线圈作为匀强磁场发生器。如图11（a）所示，磁感应强度的方向为X轴方向，中心轴线上Q点坐标为（0，x），则Q点产生的磁感应强度B为

图11 电磁发生器Fig.11 Electromagnetic generator

式中：l为线圈边长；a为一对线圈的中心距；方形亥姆霍兹线圈产生匀强磁场的条件为a=0.5445l；I为线圈输入电流；μ0为真空磁导率，μ0=4π×10-7N/A2。

电磁发生器采用一对匝数、边长、高度、厚度相同的共轴平行放置的正方形线圈，构成正方形亥姆霍兹线圈。线圈外形长宽为640 mm，线圈厚度为35 mm，线圈高度为42 mm，两个线圈的中心距离为322 mm。

使用MAXWELL软件对电磁发生器的线圈进行仿真，输入电流为80 A。如图7所示，正方形亥姆霍兹线圈的磁感应强度为14 mT及均匀度为1%的匀强磁场，范围为140 mm×140 mm×140 mm，满足试验需求。图11（b）为最终设计及制作的电磁发生器，各项技术参数见表1。

表1 电磁发生器技术参数Tab.1 Technical parameter table

3.3 试验架的设计

试验架是一个定位、支撑装置，模型试验件在所选择试验状态下进行消旋性能参数测试时，试验架对模型试验件起定位、支撑作用。试验架由欧标30×30 L铝型材组成，30角件紧固试验架，如图12所示。

图12 试验架Fig.12 Test stand

对试验架进行静力学仿真，计算全方向产生的总形变，以指导结构设计并验证设计的合理性。试验架的静力学变形云图如图13所示。由仿真数据可知，试验架最大变形量为2.5983×10-2mm，满足模型试验件旋转状态下机构的同轴度小于0.25 mm的要求，所以试验架的设计满足试验要求。

图13 全方向变形云图Fig.13 Omnidirectional deformation nephogram

3.4 模型试验件的设计

模型试验件有以下功能需求：满足电磁-涡流缩比模型，其使得模型试验件所受的动力效应，包括物体的总质量、质心、惯性特性、合力和合力矩等各参数与涡流消旋成比例关系。

在模型试验件的设计选型中，需要满足导电能力充足、质量小的要求。模型试验件外围直径一般取小于140 mm为宜；模型试验件形状有球壳体和正多面壳体，壳体壁厚选用5、10 mm两种；模型试验件的材料选用航天专用铝、铝合金；模型试验件的质量小于10 kg，如图14所示。

图14 模型试验件Fig.14 Model test piece

3.5 测试系统的设计

3.5.1 测试系统的硬件设计

传感器等硬件需满足模型试验件受到的涡流力矩、转速、中心区域的磁感应强度等参数的测量分辨率；实现扭矩传感器、转速传感器和特斯拉计的同步采集。基于此需求，测试系统硬件由CYT-303微量程扭矩传感器、SZGB-6光电转速传感器、TD8650特斯拉计、STM32单片机、开关电源等组成。

扭矩传感器与转换模块连接，输出1～5 V模拟信号；转速传感器输出“1”（5±0.5）V、“0”0.5 V数字信号；特斯拉计输出0～3 V模拟信号。以上3种信号通过单片机转成RS485信号输出，测试系统通过单片机与上位机串口之间的硬件连接实现数据的采集、显示与存储，如图15所示。

图15 测试系统信号流程Fig.15 Signal flow chart of test system

3.5.2 测试系统的软件设计

测试系统的上位机采集程序由LabVIEW平台编译，由数据采集模块、数据存储模块、可视化模块3部分组成。数据采集界面如图16所示。

图16 数据采集界面Fig.16 Data acquisition interface

4 结论

（1）电磁-涡流消旋试验装置由无摩擦旋转机构、电磁涡流制动器和测试系统组成。该装置可实现对目标卫星无摩擦的自由旋转运动的模拟，产生满足消旋需求、恒定且均匀的强磁场，保持转动状态下旋转机构的同轴度小于0.25 mm，达到与消旋目标在匀磁场区域内的几何相似，实现角速度、涡流力矩、磁感应强度等试验数据的实时测量，直观及快速演示、验证涡流消旋的效果。

（2）仿真结果表明：试验架、气浮轴承、扭矩传感器等部件的安装布置使电磁发生器所产生匀强磁场区域的平均磁感应强度降低1.72%，极值磁感应强度降低2.34%，匀强磁场范围缩小12.12%；最终设计制作的电磁发生器的匀强磁场范围为132.8 mm×132.8 mm×132.8 mm；试验架最大变形量为2.5983×10-2mm，满足旋转状态下机构的同轴度小于0.25 mm的要求。

综上所述，电磁-涡流消旋试验装置的设计满足探究电磁-涡流相互耦合作用关系的试验需求，下一步将开展装置的细化方案设计和环境适应性设计，最终研制样机并开展地面试验验证。