磁懸浮飛輪用軸向力偏轉(zhuǎn)永磁偏置軸向磁軸承磁路耦合特性

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1、航空學(xué)報ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaApr．252011V01．32No．4649—663ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章編號：1000-6893(2011)04—0649-15磁懸浮飛輪用軸向力偏轉(zhuǎn)永磁偏置軸向磁軸承磁路耦合特性王曦，房建成*，樊亞洪，劉彬，李光軍，劉剛北京航空航天大學(xué)“慣性技術(shù)”國防科技重點實驗室，北京10019l擒要：為使磁懸浮飛輪具有高精度，大力矩、多自由度動量交換能力，提出

2、并設(shè)計了一種永磁偏置軸向磁軸承(AG-MB)，主動控制飛輪轉(zhuǎn)子沿軸向平動和繞徑向偏轉(zhuǎn)這3個自由度的運動。提出偏置磁通耦合度、控制磁通耦合度的概念，并給出了定義。通過磁路分析得到了AGMB和應(yīng)用于微動框架的傳統(tǒng)永磁偏置徑向磁軸承(即徑向力偏轉(zhuǎn)磁軸承，RGMB)的耦合度的解析表達(dá)式。建立了磁路模型與磁路耦合程度之間的數(shù)值公式聯(lián)系，進(jìn)而定量分析了磁路耦合度對決定色輪微動框架性能的偏置力變化率、電流剛度變化率以及最大承載力等磁軸承性能指標(biāo)的影響，為解析分析和評價磁軸承的磁路耦合特性及其對磁軸承性能的影響提供了一條理論途徑。經(jīng)解析計算和有限元(F

3、E)仿真驗證表明，AG—MB具有更好的磁路弱耦合特性和偏轉(zhuǎn)性能：微動框架時磁路耦合度的變化范圍較RGMB小近一個數(shù)量級，從而偏置力變化率、電流剛度變化率的變化范圍小近一個數(shù)量級，飛輪最大偏轉(zhuǎn)力矩指標(biāo)是RGMB的2．7倍以上?；贏GMB所設(shè)計的50N·133·S磁懸浮飛輪．可實現(xiàn)最大偏轉(zhuǎn)角0．5。、最大偏轉(zhuǎn)力矩8．1N·m，偏置力與電流剛度的變化率全工況下不超過15％的大容量．高精度的微動框架功能。關(guān)鍵詞：磁懸浮弋輪；微動框架；軸向磁軸承；永磁偏置；磁路解耦；耦合度；等效磁路；有限元方法中圖分類號：V488．22；THl33．3文獻(xiàn)標(biāo)識

4、碼：A飛輪是航天器姿態(tài)控制的慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)，磁懸浮飛輪利用磁軸承代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械軸承，避免了過零摩擦，提高了姿態(tài)控制的精度；同時消除了機(jī)械磨損，提高了飛輪的壽命[1]。若將飛輪轉(zhuǎn)子五自由度全主動懸浮，還可實現(xiàn)飛輪微動框架(Vernier—gimballingL2]，或稱多自由度動量交換E3]、動量矩方向偏轉(zhuǎn)[4])功能，減少航天器所需飛輪的個數(shù)。進(jìn)一步，若采用永磁偏置磁軸承，一方面利用永磁產(chǎn)生偏置磁場，大幅度降低勵磁功耗[53；另一方面利用電流勵磁調(diào)節(jié)軸承力，剛度高，且通過控制算法可有效抑制轉(zhuǎn)子振動，提高飛輪輸出力矩矢量的方向精度[6]。磁

5、懸浮飛輪實現(xiàn)微動框架功能，就是磁軸承對轉(zhuǎn)子施加繞徑向的偏轉(zhuǎn)力矩，使轉(zhuǎn)子在磁間隙范圍內(nèi)以一定角速率偏轉(zhuǎn)，則航天器受到相應(yīng)的陀螺力矩，抵消擾動力矩或?qū)崿F(xiàn)姿態(tài)調(diào)整[2]。施加偏轉(zhuǎn)力矩的磁軸承既可以是徑向磁軸承[6]，也可以是軸向磁軸承I-2．7-8]，或者是錐形磁軸承[9’1叩(可等效為同時利用軸向力與徑向力輸出偏轉(zhuǎn)力矩)。徑向力偏轉(zhuǎn)需采用一對徑向磁軸承以一定跨距沿軸向排列以保證足夠的力矩輸出能力，同時要求飛輪軸向不能過短。而軸向力偏收稿日期：2010—11．24；退修日期：2010—12·13；錄用日期：2011—01—06；網(wǎng)絡(luò)出版時問：

6、2011-01-2017：25網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWW．onki．net／kcms／detail／11．1929．V．20110120．1725．001．htmID0l：CNKI：11-1929／V．20110120．1725．001基金項目：國家杰出青年科學(xué)基金(60825305)l國家。973”計劃(2009CB72400103)*通訊作者．Tel．：010—82339487E-mail：fangjiancheng@buaa．edu．cn鰳期格武

7、王曦。旁建成．樊亞洪．蕁．鞋懸浮飛輪禹軸向力偏轉(zhuǎn)隸磁偏l軸向磁軸承磁路舞合特性fJI．航空

8、學(xué)報。2011．32(4)：649-663．WangxI·FangJiancheng。FanYahong。eta1．Magneticcircuitcouplingcharacteristicsofaxialgimballingmagneticbearingbiasedwithpermanentmagnetformagneticallysuspendedflywheel￡J二．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．201I，32(4)；649·663．航空學(xué)報Apr．252011Vol32No．4轉(zhuǎn)可充分

9、利用飛輪充裕的徑向空間作為力臂，適于微動框架。錐形磁軸承雖結(jié)構(gòu)緊湊，但徑向與軸向通道問同時存在磁路耦合與磁力耦合，需復(fù)雜的解耦控制I-?。常用磁軸承還包括軸向一徑向t自由度及五自由度磁軸承l(wèi)l引，其本質(zhì)都是