磁悬浮反作用飞轮热设计方法与实验研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaApr．252011V01．32No．4598—607ISSN1000．6893ON11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa，edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2011)04—0598一10磁悬浮反作用飞轮热设计方法与实验研究王春娥h2，房建成1’2一，汤继强h2，孙津济1’21．北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京1001912．北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室，北京10019

2、1摘要：作为新型航天器姿态控制执行机构，磁悬浮反作用色轮丁作在高真空环境下且转子完全悬浮．使得热量不易散jIj．故需要对飞轮进行温度场计算并进行热优化设计。为此。提m一种有限元与热网络模型相结合的优化热设计方法：首先利用有限元法计算温度场分布；然后对不符合温度要求的部件建立热网络模型。分析影响温度的因素。提出优化措施。该方法具有计算精度高、优化速度快的特点。将该方法应用于某样机的热优化设计中，使飞轮的最高温度由121．6℃降到了52．7℃。对经热设计前后的两台磁悬浮反作用飞轮的实验研究证明了热设计的正确性，从而为磁悬浮飞轮系统的结构设计和热

3、设计奠定了基础。关键词：热设计；有限元；热网络；磁悬浮反作用飞轮；温度场中图分类号：V448．22+2；THl33．3文献标识码：A磁悬浮反作用飞轮具有无需润滑、寿命长与控制力矩精度高等优点[1‘2]，被认为是未来航天器高精度姿态控制的理想执行机构，现已应用于卫星姿态控制中[3]。磁悬浮反作用飞轮依靠磁轴承提供的电磁力进行支撑并依靠电机加减速输出力矩，故飞轮在工作过程中磁轴承和电机均会产生铁耗和铜耗，这些损耗最终都将转化成热。由于磁悬浮反作用飞轮工作在高真空环境下，内部产生的热量只能通过热传导和热辐射向外散出，散热条件差，如果系统温度过高将

4、引起材料磁性能损失、胶层老化等，严重影响飞轮工作性能。所以对磁悬浮反作用飞轮系统进行热分析和合理的热设计成为飞轮设计中的关键部分。由于磁悬浮反作用飞轮的工程应用尚处于起步阶段，在飞轮热特性的研究方面国内外相关文献并不多见，文献[4]中建立了一种机械轴承支撑飞轮的热模型，并用等效热路法求解了系统中部分采样点的温度；文献Esl中用有限元方法分析了磁悬浮反作用飞轮转子部件的温度场分布，但忽略了真空条件下转子部件与定子部件之间的热辐射等相互影响；文献[6]中用等效热网络方法分析了高速飞轮储能系统的热特性，但重点只分析了高速电机产生的损耗对温度的影响

5、。因此确定一种有效的热分析方法成为对磁悬浮反作用飞轮进行热设计前亟待解决的问题。在现有温度场分析方法中，等效热网络法因采用网络拓扑模型反映结构件之间复杂的热量交换关系而经常被用于航天器的热分析中[7】。文献[8]用热网络分析方法建立了行星齿轮传递系统的热传递模型，得到了系统的稳态温度分布；文献[9]中建立了卫星的热网络模型并用基于最,'b--乘法的修正技术进行了改进，解决了工况数据不足、约束多的问题。随着收稿日期：2010．08．03；退修日期：2010-11-08；录用日期：2010-12-15；网络出版时问：2011．01—2017：2

6、9网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／11．1929．V．20110120．1729．004htmlDOI：CNKI：11-1929／V．20110120．1729．004基金项目：围家杰出青年科学基金(60825305)；同家。973”计划(2009cB724001。2009cB724002)*通讯作者．Tel．：010-82339487E-mail：fangjiancheng@buaa，edu，∞荨

7、焉格武I王春娥．旁建戎。汤继强．等．磁悬浮反作用飞艳热设计方法与实验研究[∞．航空学报．2011，32(4)：5

8、98-607．WangChun7e．FangJiancheng．TangJiqiang·etal．ThermaldesignmethodandexperimentalresearchofmagneticallySL删[sac—tionflywheelEJ_7．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，201，，32(4)j598-607．J．#镕*td*口&*H1#*＆”^№’女#Ⅱn¨算机技术的发展，有限元法被越来越多地应用在温度场的计算中，且在各类电机、轴承等的温度场计算中应用尤为广泛“川l，在航空航天领域

9、的应用也越来越多．文献[15]始出了空间E行器天线反射器热分析的有限兀求解方法，文献[16]用软件ANSYS90分析了对流和热辐射边界条件下飞机刹车副的瞬态温度场．文献[17]用