超声电机在磁悬浮飞轮锁紧装置中应用的研究

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1、NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringResearchonLockingDeviceDrivenbyUltrasonicMotorforMagneticBearingFlywheelAThesisinMeasurementandTestingTechnology&InstrumentsDesignandTheorybyLiXiaoniuAdvisedbyProf

2、.YaoZhiyuanSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringDecember,2012承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复

3、印件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要随着航天器姿态控制系统的发展，磁悬浮飞轮以其优越的控制精度和长寿命脱颖而出，得到了越来越多的应用。在航天器发射段飞轮系统要承受高加速度的振动和冲击；航天器在轨运行段，需要使飞轮转子处于自由状态便于悬浮；磁悬浮飞轮系统定、转子之间存在间隙，不是刚性联接，因而必须设置锁紧装置保护飞轮系统。锁紧装置是磁

4、悬浮飞轮系统的关键部件之一。目前，基于火工品和电磁电机的锁紧装置存在着体积大、重量大和结构复杂等缺点；同时也不能满足磁悬浮飞轮的进一步小型化的要求。超声电机具有低转速大转矩、转矩密度大的特点，被认为是理想的动力源。本课题创新性地利用超声电机作为锁紧装置的动力源，驱动锁紧机构完成锁紧和解锁功能，实现保护飞轮的目的；并开展相关试验研究。本文主要内容如下：1.介绍了磁悬浮飞轮系统概念，综述了磁悬浮飞轮锁紧装置研究现状，对超声电机特点、分类和应用研究做了概述。2.提出了超声电机驱动的锁紧装置设计方案，选定了超声

5、电机类型和型号；根据航天领域的应用要求，对选定的超声电机进行了改进和优化设计。3.设计了用于锁紧装置的超声电机的驱动控制系统，实现了对锁紧装置锁紧和解锁的自动控制。4.开展了试验研究。针对超声电机关键性能指标，如定子模态、电气性能和温升特性开展了试验研究；为评估基于超声电机的锁紧装置，开展了锁紧装置振动环境测试和锁紧效果测试。试验表明，基于超声电机的锁紧装置能有效完成锁紧和解锁任务，实现保护飞轮系统的目的。关键词：磁悬浮飞轮，锁紧装置，超声电机，驱动控制，测试本项目得到了国家自然科学基金(资助号：509

6、05085和91116020)和国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2011CB707602)的资助。本学位论文在机械结构力学及控制国家重点实验室（南航）完成。i超声电机在磁悬浮飞轮锁紧装置中的应用研究ABSTRACTWiththedevelopmentofthespacecraftattitudecontrolsystem,themagneticbearingflywheelasitssuperiorcontrolprecisionandlonglifestandoutbythegrowi

7、ngnumberofapplications.Butagapexistsbetweenthestatorandtherotorofthemagneticbearingflywheel,andtheflywheelisnon-contactsupport.Soalockingdeviceisusedtoeliminatethegapinordertopreventitfromshockandvibration.Sincethepresentlockingdevicesdrivenbyinitiatinge

8、xplosivedeviceormagneticmotorhavethedisadvantagessuchasheavyweight,largesize,andcomplexstructure.Takingtheadvantageofultrasonicmotorssuchashightorque,smallsize,andlightweight,ultrasonicmotorisconsideredastheidealactuator.S