姿态控制用永磁球形电机磁场分析

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1、姿态控制用永磁球形电机磁场分析MagneticFieldAnalysisofPermanentMagnetSphericalMotorforAttitudeControl（国家自然科学基金资助项目51677130）学科专业：电气工程作者姓名：李志天指导教师：李斌副教授天津大学电气自动化与信息工程学院二零一七年十二月摘要传统的卫星姿态控制系统一般是由多台动量轮或控制陀螺组成，系统结构冗余、控制复杂，严重影响了卫星姿态控制系统的体积、重量、功耗和成本。球形电机是近年来出现的一种新型多自由度电磁装置，能够代替沉重复杂的机械传动结构，实现转子的三自由度运动，在航

2、天领域有着广阔的应用前景。本文以卫星姿态控制用永磁球形电机为研究对象，球形电机采用双多面体结构。转子磁极采用圆柱形永磁体，N、S极交替分布在虚拟正六面体与球相接的顶点上，定子线圈分布在虚拟正八面体与球相接的顶点以及以球心为起点，过面心和棱中点的射线在球面的辐射点上。永磁球形电机中赤道层表贴式二面锥形磁极由于上下所跨纬度、左右所跨经度相同，其空间磁场可以用球谐函数的形式很好的进行解析和表达，而圆柱形磁极由于易于制造和空间磁场对称性，在球形电机转子磁极的设计中应用广泛，因此考虑将虚拟赤道层圆柱形磁极近似等效成厚度相同的表贴式二面锥形磁极。通过结合边界条件解拉

3、普拉斯方程的方法，得到其空间磁场密度的数学解析模型。经过旋转变换得到其它球面分布磁极的空间磁场解析模型，将其线性叠加，可以得到近似表贴式二面锥形磁极转子整体磁场的解析模型。通过与有限元法仿真和实验测量得到的磁场数据进行对比，证明了此方法的合理性和有效性。此方法具有普遍意义和推广价值，为后续球形电机的转矩计算、结构优化和控制系统等研究奠定了基础。关键词：姿态控制，永磁球形电机，圆柱形磁极，近似等效，二面锥形磁极，旋转变换，转子磁场ⅠABSTRACTThetraditionalsatelliteattitudecontrolsystemisgenerally

4、composedofmultiplecontrolmomentgyroscopesorflywheels.Thesystemstructureiscomplicatedandthecomponentsareredundantlyrepeated,whichseriouslyaffectstheweight,volume,powerconsumptionandcostoftheattitudecontrolsystem.Sphericalmotorisanewtypeofmulti-degree-of-freedomelectromagneticdevic

5、ethathasemergedinrecentyears.Itcanreplacethree-degree-of-freedommotionoftherotorinsteadofthecomplicatedandcomplicatedmechanicaltransmissionstructure.Ithasbroadapplicationprospectinaerospacefield,butitisdirectlyusedasamomentumexchangedevicewhichisstillinitsinfancy.Inthispaper,thep

6、ermanentmagnetsphericalmotorforsatelliteattitudecontrolistakenastheresearchobject,thesphericalmotoradoptsthedoublepolyhedronstructure.Therotorpolesarecylindricalpermanentmagnets,andtheNandSpolesarealternatelyarrangedontheverticesconnectingthevirtualregularhexahedronandtheball.The

7、statorcoilsaredistributedattheverticesoftheimaginaryoctahedronconnectedtothesphere,andthepointstherayspassingthecenterofthefaceandthemidpointoftheedgeandstartingfromthespherecenterareprojectedonthesphericalsurface.Duetothesurface-mountdihedralconepolecrossingthesamelongitudeupand

8、downandthesamelatitudeleftandrightinthee