【摘要】：磁懸浮陀螺飛輪既可利用轉(zhuǎn)子的定軸性敏感航天器姿態(tài),又可迫使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)輸出陀螺力矩從而控制航天器姿態(tài)。本文介紹了一種混合力構(gòu)型的磁懸浮陀螺飛輪,該構(gòu)型采用球面磁阻力磁軸承實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的三自由度平動控制,采用洛倫茲力磁軸承實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子兩自由度偏轉(zhuǎn)控制,由于該構(gòu)型消除了平動懸浮對偏轉(zhuǎn)懸浮的干擾,其輸出陀螺力矩精度取決于洛倫茲力磁軸承。然而,現(xiàn)有的洛倫茲力磁軸承氣隙磁密均勻性較差,難以實(shí)現(xiàn)高精度力矩輸出,制約了磁懸浮陀螺飛輪性能的進(jìn)一步提升。本文從研究洛倫茲力磁軸承磁路走向及氣隙磁場分布出發(fā),旨在設(shè)計出一種具有高磁場強(qiáng)度和高磁密均勻性的洛倫茲力磁軸承,以實(shí)現(xiàn)高精度大力矩輸出。針對傳統(tǒng)的顯式洛倫茲力磁軸承,在忽略外圍漏磁的情況下,采用等效磁路法建立了其電磁力數(shù)學(xué)模型,采用有限元法分析了其徑向截面內(nèi)的磁場分布,發(fā)現(xiàn)磁場縱向擴(kuò)散是導(dǎo)致氣隙磁密均勻性差的主要因素,由此提出了梯形截面磁鋼方案和球面梯形截面磁鋼方案,并比較分析了三者氣隙磁密特性。針對較優(yōu)的球面梯形截面磁鋼方案,分別對磁鋼氣隙側(cè)邊角、隔磁環(huán)長度以及磁鋼充磁長度這三個關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,進(jìn)一步提高了氣隙磁場強(qiáng)度和磁密均勻性。受工藝限制,洛倫茲力磁軸承中的大尺寸永磁環(huán)往往采用多塊弧形磁鋼拼接而成,通過有限元分析其周向磁密分布,發(fā)現(xiàn)相鄰磁鋼的拼接縫隙是導(dǎo)致磁密周向均勻性差的主要原因。由此提出了一種磁鋼內(nèi)置導(dǎo)磁環(huán)的隱式洛倫茲力磁軸承,仿真結(jié)果表明通過軟磁材料的順磁作用,可有效抑制磁密周向波動,氣隙磁密均勻性得到了有效提高,但其磁場強(qiáng)度有所降低�？紤]外圍漏磁,基于磁阻分割法和等效磁路法獲得了氣隙磁密,并考慮每根線圈位置,建立了電磁力數(shù)學(xué)模型。分別對磁鋼磁化長度、導(dǎo)磁環(huán)邊角以及磁鋼氣隙側(cè)頂角這三個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化,有效提高了隱式方案的磁密特性。對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓展分析,提出了一種雙磁路隱式洛倫茲力磁軸承,簡要介紹了其磁路疊加原理及徑向截面內(nèi)和周向上的磁密分布特點(diǎn)。為彌補(bǔ)顯式方案和隱式方案的不足,提出了一種磁路疊加設(shè)計方法并設(shè)計出一種聚磁效應(yīng)的洛倫茲力磁軸承。利用多支路磁通疊加和順磁環(huán)作用,有效抑制了磁密縱向擴(kuò)散和周向磁密波動。仿真結(jié)果表明,聚磁方案在不降低氣隙磁場強(qiáng)度的前提下,可有效提高磁密均勻性。針對其磁場分布復(fù)雜采用等效磁路法時難以劃分磁阻的問題,提出了一種按介質(zhì)邊界劃分磁阻的方法�？紤]轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)狀態(tài)下每根線圈的位置及尺寸,建立了聚磁方案電磁力數(shù)學(xué)模型。采用有限元法比較分析了顯式方案和聚磁方案的電磁力性能,結(jié)果表明聚磁方案在偏轉(zhuǎn)狀態(tài)下,電磁力仍具有良好的線性度,非常合適磁懸浮陀螺飛輪高精度大力矩的輸出。通過將該聚磁的洛倫茲力磁軸承拓?fù)錇閂型結(jié)構(gòu),簡要總結(jié)了設(shè)計和改進(jìn)洛倫茲力磁軸承的思想和方法。最后,總結(jié)并比較了顯式方案、隱式方案和聚磁方案各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用的場合,并進(jìn)一步指出提高洛倫茲力磁軸承電磁力性能可研究的方向與內(nèi)容。
【學(xué)位授予單位】：北京石油化工學(xué)院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH133.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2732707