50Nms磁悬浮反作用飞轮转子优化设计方法的研究

介绍了一种额定工作转速为-5000rpm-5000rpm，额定角动量为50Nms的五自由度磁悬浮反作用飞轮。利用多学科设计优化软件iSIGHT及有限元分析软件ANSYS，通过序列二次规划法对飞轮转子进行了多学科设计优化研究：以转子质量为优化目标，以转子、静力学、共振频率、转子动力学、角动量、几何尺寸等多学科要求同时作为约束条件进行了优化设计。结果表明，通过多学科设计优化，在满足设计要求的同时，使转子重量达到了最小化（4．09kg），提高了设计效率和设计质量，在航天器姿态控制系统的设计中具有现实意义。     

基于iSIGHT的磁悬浮反作用飞轮优化设计

针对一种额定角动量为15Nms的磁悬浮反作用飞轮,分析了系统的控制模型,得知若飞轮转子质心位于上下径向磁轴承几何对称中心,可以减少控制参数的耦合,简化控制器设计。基于此分析结论,以优化设计软件iSIGHT为平台,对15Nms的磁悬浮反作用飞轮进行了多学科优化设计方法研究,改进了原有的优化设计方法,设计结果表明:在保证多约束条件下使转子质量达到最小,同时降低控制系统调试和检测的难度。此优化方法进一步提高了飞轮的设计和调试效率,有助于实现系统的高精度控制。     

某磁悬浮飞轮控制模型及其转子质心轴向偏移仿真分析

基于某磁悬浮飞轮转子动力学模型,根据现代控制理论构建了该飞轮系统的状态控制模型。由极点配置法设计了全状态反馈控制器,用Matlab/Simulink软件仿真分析了转子系统质心的轴向偏移对控制器设计和整个系统性能的影响。结果表明:设计的飞轮转子系统满足要求。分析对磁悬浮飞轮系统的优化设计有一定的参考意义。     

一种磁悬浮飞轮转子位移信号转速估计方法

针对无测速传感器条件下磁悬浮飞轮主动振动抑制所需的转速信号的高精度提取问题,首先提出了一种改进Hilbert变换转速估计方法,实现了仅通过一路转子径向位移信号获得高精度的转子转速信号;将所估计的转速信号引入磁悬浮飞轮不平衡振动控制仿真模型中,对所提出的转速估计方法进行了仿真分析;在磁悬浮飞轮样机上进行了所提出的改进Hilbert变换转子转速估计方法的验证,并对引入估计转速信号前后磁悬浮飞轮的振动信号进行了对比分析。仿真和实验结果表明,此方法在磁悬浮飞轮处于变速和恒速两种情况下都具有良好的适应性,在磁悬浮飞轮的工作转速范围内引入转速估计信号后同频不平衡振动衰减达到80%以上。     

新型微框架磁悬浮飞轮用洛伦兹力磁轴承

针对微框架磁悬浮飞轮用磁阻力磁轴承存在偏转负力矩和洛伦兹力磁轴承气隙磁密均匀性较差的缺点,提出了一种基于球形转子的微框架磁悬浮飞轮,介绍了其结构、工作原理和洛伦兹力磁轴承方案。采用等效磁路法建立了洛伦兹力磁轴承磁路数学模型,得到了其径向偏转力矩和轴向平动悬浮力。利用电磁场数值分析法,对三种洛伦兹力磁轴承方案的磁密和磁通进行比较分析,得到了最优的球面梯形磁钢方案。在此基础上,结合15Nms微框架磁悬浮飞轮技术指标,对磁轴承进行了详细实例设计。根据设计结果研制了一台微框架磁悬浮飞轮,并利用线性磁密霍尔对磁轴承气隙磁密进行动态测试。测试结果与优化结果一致,对微框架磁悬浮飞轮系统整体设计具有重要意义。     

磁悬浮飞轮与机械飞轮干扰特性的对比分析

针对飞轮在工作过程中对航天器姿态控制精度和稳定度所产生的不利影响,提出使用干扰模型来对比分析和研究磁悬浮飞轮与机械飞轮的干扰特性。通过建立飞轮系统的数学模型,得到机械飞轮与磁悬浮飞轮的平动及转动的干扰特性,比较和分析两种飞轮干扰特性的相同点和不同点,运用试验对分析结果进行验证。研究结果表明,高速转子的不平衡振动是产生飞轮干扰的主要原因,机械飞轮由于支承的固有特性使得干扰的频率成分相对比较复杂,采用磁轴承使得高速转子与支承之间具有一定的间隙存在,所以转子的陀螺效应表现得更为明显,当飞轮转速达到转子系统反向涡动频率时会产生较大干扰。     

在轨条件下磁悬浮动量轮磁轴承系统稳定性研究

陀螺效应产生的进动和章动是影响磁轴承系统稳定性的根本原因.为了分析在轨条件下星体和磁悬浮动量轮转子的动力学耦合对磁轴承控制系统稳定性的影响,在建立磁悬浮动量轮转子动力学方程和磁轴承控制系统模型的基础上,采用相位分析法和广义根轨迹法对在轨条件下磁轴承控制系统的章动和进动稳定性进行了仿真分析.由于转子的极转动惯量远小于星体的俯仰轴转动惯量,磁轴承控制回路的星体耦合项不影响系统的章动稳定性,而对于低频进动运动提供小角度相位超前增大了进动运动的相角稳定裕度.仿真结果表明在轨条件下动量轮磁轴承控制系统的章动运动相角稳定裕度不变而进动运动相角稳定裕度得到提高.     

一种超薄反作用飞轮的大面积磁悬浮结构分析

为提高轴向磁通反作用飞轮的轴向刚度和寿命,结合轴向磁通飞轮的结构,提出一种超薄、大面积磁悬浮的反作用飞轮。重点分析该飞轮的大面积磁悬浮结构,从磁环的宽度、磁环的充磁方向、磁环间距、铁芯厚度和磁悬浮刚度五个方面展开研究。通过有限元仿真可以发现：随磁环宽度的增加,定子对转子的斥力是先增大后减小;定子内外环磁化方向相反时比相同时能得到更大的斥力;在内外环磁化方向相反时,内外环磁钢间距越小,定子对转子斥力越大;磁悬浮部分铁芯厚度的减小对定转子间的斥力的影响极其有限,但对降低飞轮重量具有重要意义;磁悬浮的刚度与转子偏离中心的距离近似成正比。     

大型磁悬浮CMG转子的组合优化策略

为提高空间站用大型磁悬浮CMG（Control Moment Gyroscope）系统的设计效率,并获得最优设计参数,针对高转速（12000r/min）大角动量（1000N·m·s）磁悬浮转子进行优化设计与分析。提出了一种基于遗传算法(Genetic Algorithm, GA)和序列二次规划算法(Sequential Quadratic Programming, NLPQL)的组合优化策略来优化转子组件。采用ANSYS进行参数化建模,通过ISIGHT软件集成ANSYS实现优化过程。取转子质量和最大等效应力分别最小为优化目标,选择转子轮盘结构尺寸为设计变量,并根据转子运行工况对转子提出包括尺寸、强度、效能等方面约束限制。与GA、NLPQL算法相比组合优化策略的优化结果要优于单纯使用一种全局优化算法或局部优化算法。组合优化策略结果表明转子质量减少了3.92%;安全系数提高了2.69%。实验结果证明了组合优化策略的设计结果。     

双状态非线性隔振器参数设计与试验研究

为有效抑制在轨微振动对有效载荷指向精度的影响,并改善其发射段动力学环境,设计了一种双状态非线性隔振器,利用发射与在轨状态载荷条件的差异,使其在两个阶段有不同的隔振频率。分析了各设计参数对发射段动态响应以及在轨隔振性能的影响,提出了隔振器参数设计方法。试制了隔振器样件,进行了静力学测试,并按照发射和在轨两种状态的力学环境进行了动力学试验,测试了隔振器在两种状态下的传递率。试验结果表明,隔振器在发射段准静态载荷作用下可避免出现大变形,并显著改善星载设备的动力学环境。在轨时可有效隔离微振动,将5Hz以上频段受到的扰动幅度下降92%以上。     

一种低干扰力矩的三自由度球面磁轴承

提出一种低干扰力矩的三自由度球面磁轴承结构,球面磁轴承定、转子均采用球面结构。当磁通作用在转子的球形包络面时,产生的电磁力会指向转子球心,不会对转子产生干扰力矩,但少量的漏磁磁通会作用在转子的非球形平面上,导致低干扰力矩的出现。利用等效磁路法对球形转子偏转时轴向部分漏磁导致的干扰力矩进行分析,得出干扰力矩的数学表达式。运用有限元法分析球面磁轴承和柱面磁轴承产生偏转时的干扰力矩,结果表明干扰力矩随着转子偏转角度的增加而增大,当转子偏转角达到最大允许值0.3°时,球面磁轴承与柱面磁轴承相比干扰力矩减小两个数量级。球面磁轴承的低干扰力矩特性决定其特别适用于磁悬浮控制力矩陀螺,可提高陀螺的控制精度,在磁悬浮高能密度电机、其他飞轮系统等场合具有广阔的应用前景。     

航天器机动时DGMSCMG磁悬浮转子干扰补偿控制

双框架磁悬浮控制力矩陀螺（DGMSCMG）具有寿命长、综合效益好等突出优势,但航天器机动时,航天器及DGMSCMG内、外框架系统的转动均导致磁悬浮高速转子产生一定的耦合运动,影响磁悬浮转子系统的稳定性,同时使输出力矩精度下降,从而严重影响航天器姿态控制的精度。本文建立了基于DGMSCMG的航天器动力学模型,分析航天器、外框架、内框架、磁悬浮转子四者之间的动力学耦合关系。针对磁悬浮转子的非线性耦合干扰,提出一种基于复合控制的补偿方法,通过磁轴承产生相应的电磁力,对陀螺耦合力矩和惯性耦合力矩进行补偿控制。仿真结果表明,干扰补偿控制能有效抑制航天器及框架对磁悬浮转子的耦合干扰,也有效提高了磁悬浮转子系统的稳定性。     

磁悬浮飞轮用新型异极性永磁偏置径向磁轴承

为满足应用于航天器姿控、储能的磁悬浮飞轮采用的扁平构型或高转速转子需求,提出了一种新型异极性永磁偏置径向磁轴承,具有轴向长度短、结构紧凑的优点,有利于扁平转子或高速转子的磁悬浮控制。在新型径向磁轴承磁路分析的基础上,通过应用于50 Nms反作用飞轮的设计实例,经仿真分析,校验了新型径向磁轴承的基本性能;并与传统同极性永磁偏置径向磁轴承进行了比较,验证了新型径向磁轴承的优点。     

飞轮振源特征参数提取方法及其分布特性

为了从飞轮微振动输出中提取飞轮转子的振源信息，提出利用鲁棒回归辨识飞轮在升速过程中各主要阶次的振幅对转速的二次幂系数，并将其作为飞轮的振源幅值特征参数；为探究参数的分布特性，利用Weibull分布拟合多个飞轮在同一阶次的特征参数，并计算出特定概率点的分位数。振源特征参数的分位数既系统地展示了飞轮振源分布情况，亦可作为振源分级判据。将该方法成功应用于50 Nms飞轮的振源特征参数分布研究中，为该型飞轮的超静性能筛选和设计改进提供了判定准则和参考依据。     

磁悬浮框架飞轮磁轴承技术研究与发展现状

对磁悬浮框架飞轮(MSGFW)和高精度磁轴承研究现状及其未来发展进行了详细阐述。根据转子悬浮力类型，将磁悬浮框架飞轮分为磁阻力构型、洛伦兹力构型和混合力构型，并结合三种构型论述了国内外框架飞轮的发展过程。在此基础上，对球面磁阻力磁轴承和洛伦兹力磁轴承进行了详细介绍，并结合磁路图分析其工作原理，比较了同类磁轴承的优劣。展望了磁悬浮框架飞轮与高精度磁轴承的未来发展方向，指出高动态响应检控共位平动球面磁阻力磁轴承，标准磁悬浮动量球和磁悬浮控制敏感球是磁悬浮框架飞轮的研究重点。     

一种通用的设备转动惯量测量方法

在航天领域的控制系统半实物仿真试验中,经常需要获取某些参试设备的转动惯量以进行姿控系统设计.通常这些设备的形状不规则并且内部质量分布不均,仅采用基于外部形状的三维建模方法难以获得较为精确的转动惯量.本文以某项目地面气浮仿真试验中参试设备转动惯量的测量为应用背景,在GJB361A-97关于三线悬吊法测转子转动惯量的基础上.提出了一种通用的不规则设备的转动惯量测量方法,该方法通过简单的测量步骤对形状不规则、质心不确定、质量分配不均、内部构造复杂等参试设备的转动惯量加以精确测量.测量结果表明,该方法所测转动惯量完全能够满足姿控系统设计的相关指标要求.     

A feedback linearization control for the nonlinear 5-DOF flywheel suspended by the permanent magnet biased hybrid magnetic bearings

The dynamic model of the magnetic suspension flywheel (MSFW) whose rotor is suspended by the permanent magnet (PM) biased hybrid magnetic bearing is nonlinear, complicated and coupled because of the superposition and couple of the electromagnetic flux and PM flux. It is a challenge for the closed-loop controller design of the MSFW. In this paper, the MIMO nonlinear dynamic model of such MSFW has been obtained using the equivalent magnetic flux circuit calculation and integrating the rotor dynamics. A nonlinear Luenberger observer has been designed to estimate the state variables of the system, and then the dynamic model has been exact linearized to linear and decoupled one using the state feedback. At last, a linear controller has been designed based on the obtained exact linearization model. The better abilities of decoupling and disturbance depression of the proposed controller compared to the controllers designed based on the Taylor linearization model are verified by simulations and experiments.