在航空航天領域，經常采用電機單元作為驅動裝置，帶動負載（如觀測設備）在有限轉角范圍內按一定規律運動，如進行定位運動、掃描運動。這與傳統的電機系統是有所不同的，一是電機由原來的圓周運動變為在一定角度范圍內的運動，大多數是在±30°之間；二是負載本身的變化，負載不再是傳統力矩性質的負載，而一般是慣性負載，轉動慣量比較小，所受摩擦轉矩也比較小。

為避免處于休眠狀態的運動部件對航天設備姿態造成影響，需要在其可以自由活動的工作區域以外，單獨設置鎖定區域，并在此區域設計合理的輔助機構完成對運動部分的鎖定功能。現有文獻所提出方案均為機械接觸式方案，依靠線圈完成鎖定與解鎖之間的狀態轉換，忽略了運動部件的主觀能動性。永磁體即使被引入也只是作為輔助部件，因此現有方案結構復雜、穩定性差，且需要考慮焦耳熱帶來的散熱問題。

有相關研究中的鎖定機構是和本文要求最接近的，它用在儲能飛輪中的電磁軸承處，航天設備發射時對電磁軸承進行保護。它采用的是機械彈簧結合電磁鐵的作用方式，最終鎖定的還是機械摩擦而不是非接觸電磁力。另外，針對應用在航天設備上的機構，要求在滿足出力與熱負荷的約束下實現體積和重量的最小化。所以，目前來看尚無滿足本文要求的這種特殊功能的鎖定裝置。

電磁鐵具有能量密度高、響應速度快、可靠性高等優點，已成功應用于日常生活、工業生產、軍事國防等各個領域。從原理上看，利用電磁場無需接觸就可以相互作用的特性，可以實現可靠性更為優越的無接觸式鎖定功能，完成對休眠狀態運動部分的鎖定。因此，對于無接觸式鎖定機構的研究對于提高航天設備的穩定性具有重要的實際意義。

本文所提出的無接觸式鎖定機構中動子與定子的相對位置關系如圖1a所示，其中鎖定機構動子部分與電機軸進行固定連接，并與電機軸圍繞點O進行同步旋轉運動，而鎖定機構定子部分與動子部分間隔一定距離并固定在機架上。無接觸式鎖定機構的工作區與鎖定區示意如圖1b所示。

當設備需要進入休眠狀態時，鎖定機構動子只需緩慢運動到距離定子一定角度范圍內，便可在定子與動子之間的電磁吸引力作用下繼續運動并最終進入鎖定狀態，這個使設備能夠克服機械摩擦阻力開始鎖定的角度范圍，即為鎖定機構的鎖定區域。

圖1 無接觸式鎖定機構的工作示意圖

當鎖定機構的動子部分進入鎖定區域后，設備只需依靠定子與動子之間的電磁鎖定力便可進入鎖定狀態，并使其運動部分最終被鎖定在一定的角度范圍。在此角度范圍內，設備可以抵抗一定程度上的擾動，將該擾動角度范圍定義為無接觸式鎖定機構的鎖定誤差。依據航天應用場合對輕量化以及可靠性高的要求，無接觸式鎖定機構對設計參數的具體要求可以歸納為：①鎖定區域越大越好；②鎖定誤差越小越好；③能量密度越高越好。

針對無接觸式鎖定機構，本文提出了電磁式和永磁式兩種設計方案，并通過解析磁路法對兩種設計方案進行了解析分析，推導出各自的電磁轉矩方程并進行了歸一化，統一形式的電磁轉矩方程清晰揭示了性能參數與結構參數之間的關系，為后續分析奠定了理論基礎。

通過有限元仿真計算，對電磁式鎖定方案和永磁式鎖定方案進行了對比研究。最后根據有限元計算的結果制作了樣機并進行相關試驗，對本文理論結果的正確性進行了驗證。

圖10 永磁式無接觸鎖定機構樣機測試平臺

總結

本文對無接觸式鎖定機構進行了結構設計、解析分析、有限元分析與樣機實驗，得到以下幾個重要結論：

• 1）無接觸式鎖定機構的主要性能指標可以用臨界角和峰值力矩這兩個指標來表述，它們分別代表著最后的鎖定誤差和最大的鎖定能力。
• 2）本文通過解析法推導了電磁式方案與永磁式方案兩種結構轉矩特性的數學表達式，并歸納了一個統一的表達式，清晰揭示了無接觸式鎖定機構的性能指標與結構參數之間的關系。
• 3）從臨界角和峰值力矩這兩個最重要的參數來看，永磁式方案具有明顯的優勢，是工程設計中的首選方案。
• 4）樣機的研制和測試，證明了本文理論分析的正確性；樣機實現了預期的鎖定功能，證明本設計具有很好的工程實用性。

本文的研究成果可以為無接觸式鎖定機構的設計與分析研究提供參考，并對其工程應用具有重要參考意義。