磁悬浮径向球面纯电磁磁轴承的设计

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1、2017年1月北京航空航天大学学报January2017第43卷第1期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．43No·1http：}}bhxb．buaa．edu．en、buaa@buaa．edu．enDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2016．0027磁悬浮径向球面纯电磁磁轴承的设计赵航1，缪存孝1一，张立元1，韩天1，任元2，樊亚洪3(1．北京科技大学机械工程学院，北京100083；2．装备学院航天

2、装备系，jE京1014163．北京控制工程研究所，北京100190)摘要：针对柱面磁轴承偏转时干扰力矩较大问题，本文提出一种径向球面纯电磁磁轴承设计方法。在本设计中，当磁轴承产生偏转或偏移时，电磁力会指向转子球心，从而降低定子磁极对转子产生的干扰力矩，提高磁轴承的控制精度。首先，阐述球面磁轴承的工作原理并建立数学模型，运用等效磁路理论方法和有限元数值方法分析其电流刚度和位移刚度，2种方法的计算结果基本吻合，表明球面磁轴承的有限元分析模型是合理的。接着，运用有限元方法分析球面磁轴承和柱面磁轴承产生偏转

3、时的干扰力矩，结果表明当转子达到最大偏转角0．3o时，球面磁轴承的干扰力矩是柱面磁轴承的干扰力矩的1．8％，表明球面磁轴承相对于柱面磁轴承在抗干扰力矩能力方面有很大的提高。最后，进一步分析球面磁轴承产生X方向或z方向偏移时的干扰力矩，计算结果与偏转时干扰力矩的量级相当。综上所述，本文提出的径向球面纯电磁磁轴承有低干扰力矩的优点，可用于航天航空工程中惯性执行机构的高精度控制和角速率检测。关键词：球面磁轴承；柱面磁轴承；干扰力矩；偏转；偏移中图分类号：V448．2；THl33．3文献标识码：A文章编号：

4、1001-5965(2017)01-0159-08随着航天技术的发展，卫星、空间站等航天器对于姿态控制的精度要求不断提高，传统机械飞轮渐显不足mJ。磁悬浮飞轮采用磁轴承支承，消除了机械轴承的接触式摩擦磨损，无需润滑，具有高力矩精度、微振动和主动振动抑制的功能等优点，提高了控制力矩的精度和稳定度，是高精度对地观测卫星的理想惯性执行机构”⋯。磁轴承可分为永磁偏置和电磁控制的混合磁轴承，以及偏置、控制均由电磁控制的纯电磁式磁轴承‘71。混合磁轴承靠永磁体产生的磁力承担主要的偏置力，电磁场提供辅助的调节力，

5、但只有电磁力是可控的，导致其控制精度较低。纯电磁式磁轴承的偏置力和控制力均靠电磁场产生，二者均为可控的，因此其控制精度较高。文献[8]提出了一种新型永磁偏置径向磁轴承，该磁轴承通过第二气隙来形成控制磁路，降低了x方向和Y方向磁路的耦合，但该结构磁路相对复杂，给磁轴承的控制带来一定难度。文献[9]提出一种新型的永磁偏置轴向磁轴承，该磁轴承通过偏置磁路与控制磁路共同作用来实现转子的稳定悬浮，但该结构相对复杂，给磁轴承的加工装配带来一定难度。文献[10]提出了一种新颖的主动磁轴承，该磁轴承定子采用爪结构，

6、有效地减小了磁轴承的径向尺寸，但当转子发生偏转时，干扰力矩较大，影响磁轴承的控制精度。文献[11]中的磁悬浮飞轮采用1个轴向磁轴承和2个径向磁轴承实收稿13期：2016_01-07；录用日期：2016-04-08；网络出版时间：2016-04-2113：08网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20160421．1308．001．html基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金(FRF-TP一15-024A2，FRF—TP．14-019A1)；国家自然科

7、学基金(51475472，61403396)}通讯作者：E．mail：miao—cunxiao@163．tom；f用格式：赵航，缪存孝，张立元，等．磁悬浮径向球面纯电磁磁轴承的设计ⅣJ．北京航空航天大学学报，2017，43(1)：159—166．ZHA0H，MIAOCX，ZHANGLY，eta1．Maglevelectromagneticradialsphericalmagneticbcan'ngdesign【l1．JournalofBeringUniversityofAeronauticsandA

8、stronautics，2017，43(I)：159—166(inChinese)．160北京航空航天大学学报2017年现磁悬浮转子的三自由度悬浮，但当转子偏转时，不能消除干扰力矩的影响。文献[12]中的磁悬浮控制力矩陀螺采用一种Halbach结构的轴向磁轴承，有效地降低了功率损耗，但当其转子发生偏转时，不能避免干扰力矩的出现。文献[13]提出一种径向磁轴承，该磁轴承的永磁磁场和电磁磁场在同一平面，定子由8个磁极构成，在提供相同承载力的前提下减小了轴向尺寸，但由于8个