哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
星上光学设备驱动单元在正常工作时需根据需求执行观测运动以实现瞄准跟
踪功能，而在设备停止运动进入休眠状态时需要保持载荷在当前位置附近。针对以
上需求，本研究提出了两种无接触式锁定电机方案并对方案的设计和优化进行了
深入研究。所提出的方案不但能够满足应用中连续位置锁定、克服小转矩扰动和快
速切换到锁定状态等需求，同时具有轻量化和高分辨率等显著特点。
首先，针对星上光学设备驱动单元在锁定休眠状态下的需求，本研究基于现有
的伺服电机提出了满足要求的锁定方案。通过对各方案进行简单建模计算和理论
分析，综合考虑轻量化、节能化和可靠性等因素，对它们的优缺点进行了评估。在
此基础上，选择了最优方案并进行了进一步的设计优化。
其次，本研究针对适用性最高的分体式锁定方案展开了深入探究。从等效磁路
出发，推导锁定电机的气隙磁导、磁密和力矩表达式与结构参数之间的关系，并寻
求电磁式和永磁式转矩公式的共同点，建立两种锁定方案的解析设计程序，并对锁
定电机的尺寸设计方案进行了分析。
然后，本研究采用基于电磁式和永磁式锁定电机的三维有限元模型，对齿数、
齿宽、齿高、齿型以及气隙长度等结构参数对锁定电机性能的影响进行了探究，并
对之前的解析设计程序进行了补充。同时，对参数的敏感度进行了分析，探究各个
参数之间的关系，并根据参数的敏感度选择出对实现轻量化设计影响较大的变量，
以便进一步进行优化。
最后，本文将将计算机辅助设计程序应用于锁定电机的设计。用户需提供需求
指标和几何条件制约的范围，辅助设计程序能够自动计算初步参数，并使用协方差
自适应遗传算法基于有限元模型对计算的初步方案进行优化，以实现锁定电机设
计的自动化。
关键词：无接触；锁定电机；锁定力矩；定位精度；航天
I
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
ABSTRACT
Theon-staropticaldevicerequiresadriveunittoaimandtrackduringnormal
operationandkeeptheloadinplacewhenitsnotmoving.Whenthedeviceisin
hibernationmode,itneedstocontinuouslylockitsposition,overcomeminordisturbances,
andswitchtolockquickly.Tomeettheserequirements,twocontactlesslockingmotor
schemeswithhighreliabilityandlightweightwereproposedforaerospaceapplications,
whichhavebeendesignedandoptimized.
First,forthedemandoflockinghibernationofthedriveunitsofon-staroptical
devices,alockingschemeisproposedtomeettherequirementsbasedontheoriginal
servomotors.Bycombiningsimplemodelingcalculationswiththeory,theadvantages
anddisadvantagesofeachschemeintermsoflightweight,energysaving,andreliability
areexamined,andtheoptimalschemeisselectedforfurther