【摘要】：磁懸浮球形飛輪作為一種新型航天器用姿控機(jī)構(gòu),同時(shí)具備姿控和檢測(cè)姿態(tài)功能,是航天器用于進(jìn)行高精度、高穩(wěn)定性姿控功能的理想選擇。磁懸浮球形飛輪通過純電磁力磁軸承和洛倫茲力磁軸承進(jìn)行轉(zhuǎn)子徑/軸向平動(dòng)控制和轉(zhuǎn)子徑向偏轉(zhuǎn)控制,既降低了飛輪系統(tǒng)承重功耗,又提高了轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)控制精度,同時(shí),球形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)消除了轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)時(shí)氣隙變形導(dǎo)致的干擾力矩。本文針對(duì)磁懸浮球形飛輪,主要的研究?jī)?nèi)容如下:(1)為了將磁懸浮球形飛輪進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)建模,介紹了磁懸浮球形飛輪的工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu),根據(jù)實(shí)際的磁懸浮球形飛輪機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行坐標(biāo)系定義,從而將磁懸浮球形飛輪各個(gè)關(guān)鍵部件的尺寸和位置關(guān)系進(jìn)行了簡(jiǎn)化。在建立了磁懸浮球形飛輪軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的同時(shí),對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了矩陣化和公式化,通過轉(zhuǎn)換矩陣的形式將磁懸浮球形飛輪轉(zhuǎn)子磁軸承系統(tǒng)中各個(gè)關(guān)鍵部件的位置和角度關(guān)系進(jìn)行了公式表述,從而得到了軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程。(2)針對(duì)磁懸浮球形飛輪平動(dòng)磁軸承和偏轉(zhuǎn)磁軸承進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,首先對(duì)轉(zhuǎn)子平動(dòng)控制用純電磁磁軸承進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和原理分析,通過推導(dǎo)軸承位移剛度和電流剛度,對(duì)平動(dòng)控制磁軸承進(jìn)行了建模,其次是對(duì)轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)控制用洛倫茲力磁軸承進(jìn)行結(jié)構(gòu)和原理分析,通過對(duì)比不同永磁體情況下的磁密均勻性,確定了梯形永磁體方案,并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析和等效磁路搭建,從而將磁軸承的磁通磁阻進(jìn)行了數(shù)學(xué)量化處理,完成了偏轉(zhuǎn)磁軸承建模。(3)針對(duì)磁懸浮球形飛輪的轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)補(bǔ)償,提出了一種磁懸浮球轉(zhuǎn)子前饋補(bǔ)償控制方法。依據(jù)達(dá)朗伯原理,將轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量矩等效至轉(zhuǎn)子兩端配重面,得到了轉(zhuǎn)子兩端的軸承動(dòng)反力。為維持球面磁極氣隙的球殼形狀,消除磁拉偏負(fù)力矩,將高速轉(zhuǎn)子球心與定子球心始終重合。分析了轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏離旋轉(zhuǎn)軸引起的離心力,計(jì)算了轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏離球心后,因電磁懸浮力始終指向轉(zhuǎn)子球心而引起的偏轉(zhuǎn)負(fù)力矩。搭建磁懸浮球形飛輪的仿真系統(tǒng)模型,并編寫了仿真程序,基于此,對(duì)不同加載順序下的前饋抑制環(huán)節(jié)進(jìn)行了仿真,確定了最佳抑制順序,完成了不平衡振動(dòng)仿真和實(shí)驗(yàn)研究。(4)針對(duì)磁懸浮球形飛輪系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究。首先針對(duì)磁懸浮球形飛輪加工及裝配造成的系統(tǒng)中的機(jī)械誤差進(jìn)行了分析,其中包括轉(zhuǎn)子研磨精度低導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)存在的非球形誤差,轉(zhuǎn)子形心、轉(zhuǎn)子質(zhì)心與位移傳感器檢測(cè)中心三心不重合導(dǎo)致的安裝誤差,其次分析了磁懸浮球形飛輪控制系統(tǒng)中因?yàn)榫仃嚭涂刂仆ǖ来嬖诘恼`差,包括傳感器測(cè)量值與轉(zhuǎn)子實(shí)際位移值之間的矩陣轉(zhuǎn)換帶來的控制誤差,磁懸浮球形飛輪用洛倫茲力磁軸承偏轉(zhuǎn)控制通道中存在耦合導(dǎo)致的控制誤差。通過對(duì)上述誤差產(chǎn)生原因和誤差機(jī)理的研究,分析了誤差對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,完成了飛輪系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。
【圖文】：

法國SPOT-5所用磁懸浮飛輪Fig.1-1MagneticallysuspendedflywheelofFrenchSPOT-5

純磁阻力磁懸浮萬向飛輪Fig.1-2Puremagneticresistancemagneticallysuspendeduniversalflywheel
【學(xué)位授予單位】：北京石油化工學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V448.22

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2631058