磁悬浮飞轮用轴向力偏转永磁偏置轴向磁轴承磁路耦合特性

《磁悬浮飞轮用轴向力偏转永磁偏置轴向磁轴承磁路耦合特性》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaApr．252011V01．32No．4649—663ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000-6893(2011)04—0649-15磁悬浮飞轮用轴向力偏转永磁偏置轴向磁轴承磁路耦合特性王曦，房建成*，樊亚洪，刘彬，李光军，刘刚北京航空航天大学“惯性技术”国防科技重点实验室，北京10019l擒要：为使磁悬浮飞轮具有高精度，大力矩、多自由度动量交换能力，提出

2、并设计了一种永磁偏置轴向磁轴承(AG-MB)，主动控制飞轮转子沿轴向平动和绕径向偏转这3个自由度的运动。提出偏置磁通耦合度、控制磁通耦合度的概念，并给出了定义。通过磁路分析得到了AGMB和应用于微动框架的传统永磁偏置径向磁轴承(即径向力偏转磁轴承，RGMB)的耦合度的解析表达式。建立了磁路模型与磁路耦合程度之间的数值公式联系，进而定量分析了磁路耦合度对决定色轮微动框架性能的偏置力变化率、电流刚度变化率以及最大承载力等磁轴承性能指标的影响，为解析分析和评价磁轴承的磁路耦合特性及其对磁轴承性能的影响提供了一条理论途径。经解析计算和有限元(F

3、E)仿真验证表明，AG—MB具有更好的磁路弱耦合特性和偏转性能：微动框架时磁路耦合度的变化范围较RGMB小近一个数量级，从而偏置力变化率、电流刚度变化率的变化范围小近一个数量级，飞轮最大偏转力矩指标是RGMB的2．7倍以上。基于AGMB所设计的50N·133·S磁悬浮飞轮．可实现最大偏转角0．5。、最大偏转力矩8．1N·m，偏置力与电流刚度的变化率全工况下不超过15％的大容量．高精度的微动框架功能。关键词：磁悬浮弋轮；微动框架；轴向磁轴承；永磁偏置；磁路解耦；耦合度；等效磁路；有限元方法中图分类号：V488．22；THl33．3文献标识

4、码：A飞轮是航天器姿态控制的惯性执行机构，磁悬浮飞轮利用磁轴承代替传统的机械轴承，避免了过零摩擦，提高了姿态控制的精度；同时消除了机械磨损，提高了飞轮的寿命[1]。若将飞轮转子五自由度全主动悬浮，还可实现飞轮微动框架(Vernier—gimballingL2]，或称多自由度动量交换E3]、动量矩方向偏转[4])功能，减少航天器所需飞轮的个数。进一步，若采用永磁偏置磁轴承，一方面利用永磁产生偏置磁场，大幅度降低励磁功耗[53；另一方面利用电流励磁调节轴承力，刚度高，且通过控制算法可有效抑制转子振动，提高飞轮输出力矩矢量的方向精度[6]。磁

5、悬浮飞轮实现微动框架功能，就是磁轴承对转子施加绕径向的偏转力矩，使转子在磁间隙范围内以一定角速率偏转，则航天器受到相应的陀螺力矩，抵消扰动力矩或实现姿态调整[2]。施加偏转力矩的磁轴承既可以是径向磁轴承[6]，也可以是轴向磁轴承I-2．7-8]，或者是锥形磁轴承[9’1叩(可等效为同时利用轴向力与径向力输出偏转力矩)。径向力偏转需采用一对径向磁轴承以一定跨距沿轴向排列以保证足够的力矩输出能力，同时要求飞轮轴向不能过短。而轴向力偏收稿日期：2010—11．24；退修日期：2010—12·13；录用日期：2011—01—06；网络出版时问：

6、2011-01-2017：25网络出版地址：WWW．onki．net／kcms／detail／11．1929．V．20110120．1725．001．htmID0l：CNKI：11-1929／V．20110120．1725．001基金项目：国家杰出青年科学基金(60825305)l国家。973”计划(2009CB72400103)*通讯作者．Tel．：010—82339487E-mail：fangjiancheng@buaa．edu．cn鳓期格武

7、王曦。旁建成．樊亚洪．荨．鞋悬浮飞轮禹轴向力偏转隶磁偏l轴向磁轴承磁路舞合特性fJI．航空

8、学报。2011．32(4)：649-663．WangxI·FangJiancheng。FanYahong。eta1．Magneticcircuitcouplingcharacteristicsofaxialgimballingmagneticbearingbiasedwithpermanentmagnetformagneticallysuspendedflywheel￡J二．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．201I，32(4)；649·663．航空学报Apr．252011Vol32No．4转可充分

9、利用飞轮充裕的径向空间作为力臂，适于微动框架。锥形磁轴承虽结构紧凑，但径向与轴向通道问同时存在磁路耦合与磁力耦合，需复杂的解耦控制I-⋯。常用磁轴承还包括轴向一径向t自由度及五自由度磁轴承ll引，其本质都是