【摘要】：磁懸浮球形飛輪作為一種新型航天器用姿控機構,同時具備姿控和檢測姿態(tài)功能,是航天器用于進行高精度、高穩(wěn)定性姿控功能的理想選擇。磁懸浮球形飛輪通過純電磁力磁軸承和洛倫茲力磁軸承進行轉子徑/軸向平動控制和轉子徑向偏轉控制,既降低了飛輪系統(tǒng)承重功耗,又提高了轉子偏轉控制精度,同時,球形轉子結構消除了轉子偏轉時氣隙變形導致的干擾力矩。本文針對磁懸浮球形飛輪,主要的研究內容如下:(1)為了將磁懸浮球形飛輪進行轉子動力學建模,介紹了磁懸浮球形飛輪的工作原理和機械結構,根據實際的磁懸浮球形飛輪機械結構進行坐標系定義,從而將磁懸浮球形飛輪各個關鍵部件的尺寸和位置關系進行了簡化。在建立了磁懸浮球形飛輪軸承轉子系統(tǒng)動力學模型的同時,對動力學模型進行了矩陣化和公式化,通過轉換矩陣的形式將磁懸浮球形飛輪轉子磁軸承系統(tǒng)中各個關鍵部件的位置和角度關系進行了公式表述,從而得到了軸承轉子系統(tǒng)動力學模型對應的動力學方程。(2)針對磁懸浮球形飛輪平動磁軸承和偏轉磁軸承進行數學建模,首先對轉子平動控制用純電磁磁軸承進行了結構和原理分析,通過推導軸承位移剛度和電流剛度,對平動控制磁軸承進行了建模,其次是對轉子偏轉控制用洛倫茲力磁軸承進行結構和原理分析,通過對比不同永磁體情況下的磁密均勻性,確定了梯形永磁體方案,并對其進行了仿真分析和等效磁路搭建,從而將磁軸承的磁通磁阻進行了數學量化處理,完成了偏轉磁軸承建模。(3)針對磁懸浮球形飛輪的轉子不平衡振動補償,提出了一種磁懸浮球轉子前饋補償控制方法。依據達朗伯原理,將轉子不平衡質量矩等效至轉子兩端配重面,得到了轉子兩端的軸承動反力。為維持球面磁極氣隙的球殼形狀,消除磁拉偏負力矩,將高速轉子球心與定子球心始終重合。分析了轉子質心偏離旋轉軸引起的離心力,計算了轉子質心偏離球心后,因電磁懸浮力始終指向轉子球心而引起的偏轉負力矩。搭建磁懸浮球形飛輪的仿真系統(tǒng)模型,并編寫了仿真程序,基于此,對不同加載順序下的前饋抑制環(huán)節(jié)進行了仿真,確定了最佳抑制順序,完成了不平衡振動仿真和實驗研究。(4)針對磁懸浮球形飛輪系統(tǒng)穩(wěn)定性進行了分析研究。首先針對磁懸浮球形飛輪加工及裝配造成的系統(tǒng)中的機械誤差進行了分析,其中包括轉子研磨精度低導致的轉子高速旋轉時存在的非球形誤差,轉子形心、轉子質心與位移傳感器檢測中心三心不重合導致的安裝誤差,其次分析了磁懸浮球形飛輪控制系統(tǒng)中因為矩陣和控制通道存在的誤差,包括傳感器測量值與轉子實際位移值之間的矩陣轉換帶來的控制誤差,磁懸浮球形飛輪用洛倫茲力磁軸承偏轉控制通道中存在耦合導致的控制誤差。通過對上述誤差產生原因和誤差機理的研究,分析了誤差對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,完成了飛輪系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。
【圖文】：

法國SPOT-5所用磁懸浮飛輪Fig.1-1MagneticallysuspendedflywheelofFrenchSPOT-5

純磁阻力磁懸浮萬向飛輪Fig.1-2Puremagneticresistancemagneticallysuspendeduniversalflywheel
【學位授予單位】：北京石油化工學院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V448.22

【參考文獻】

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本文編號：2631058