中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

天文望远镜的跟踪驱动系统需要同时满足超低转速高精度跟踪、高速快响应指向以及极端环境下的高可靠运行、易维护等多重要求。针对传统有铁芯电机存在齿槽转矩、导致低速跟踪时转矩波动大的固有缺陷，本文提出一种面向天文应用的轴向盘式无铁芯永磁同步电机统一设计方法，并将其成功应用于南极昆仑站
150mm望远镜、南极中山站310mm望远镜和河北兴隆司天工程原型机三个典型
场景，验证了方法的有效性与可扩展性。
本文建立了适用于天文望远镜驱动系统的轴向盘式无铁芯电机设计方法。通过对比四种盘式电机拓扑结构，结合望远镜耳轴空间与自重约束，确定小口径望远镜采用单定子单转子结构、米级口径望远镜采用单定子双转子结构。基于盘式电机转矩方程与磁路模型，推导了主要尺寸与电磁性能的解析关系，完成了定转子尺寸、永磁体规格等关键参数设计。针对南极极端环境，设计了迷宫式密封结构，并根据不同站点温度条件分别采用航空润滑脂和无润滑脂方案。
开展基于多物理场仿真的电机性能分析与关键参数优化。以南极150mm望远镜电机为代表性机型，建立三维电磁场有限元模型。通过有铁芯与无铁芯方案的对比仿真，定量揭示了无铁芯设计在降低转矩波动方面的根本优势。气隙参数扫描分析表明，平均转矩随气隙增大单调下降。基于仿真结果构建包含平均转矩与转矩波动的多目标评价函数，确定最优气隙。温度场与热应力仿真验证了电机在-80℃极端低温下的热稳定性和结构可靠性。同时，系统分析了装配误差对电机性能的影响。针对绕组气隙偏差和永磁体剩磁误差两类主要误差来源，建立参数化有限元模型开展敏感性分析。结果表明，单个线圈微小偏移对整体性能影响有限，但偏移线圈数量超过五个时转矩波动显著增大，但如果出现正向和反向偏移在对称位置上形成补偿可以适量降低转矩波动的情况；永磁体剩磁偏差对平均转矩影响较小，但连续同向偏差会加剧转矩波动。
最后，基于三个典型应用场景的实际观测数据验证了电机在真实台址环境下的跟踪精度，验证本文所设计电机在多种应用场景下的普适性与可靠性。