常闭式电磁制动器驱动结构设计及性能分析

针对常闭式电磁制动器耗能高、制动力密度小、励磁线圈发热严重等缺点,尝试将永磁体引入至制动器驱动结构中,设计出了一种电磁与永磁混合作用的新型电永磁驱动结构。结合有限元软件,采用有限元法分析了其内部磁通量分布并研究励磁线圈电流、气隙及永磁体结构形状等因素对电磁力的影响。结果表明,电磁与永磁两磁场耦合性较好,电磁吸力随电流增加及气隙的减小增幅较大,且同等条件下L形永磁体的电磁驱动结构对衔铁的吸力最大,对电磁制动器轻量化研究具有指导意义。     

单向电永磁作动器结构优化与动态特性分析

针对电磁作动器的使用要求，设计出一种具有能耗低、吸力大及响应快等特点的新型单向电永磁作动器。结合有限元仿真软件，利用有限元法研究作动器的结构参数如铁芯齿形结构、平面结构、无永磁结构、铁芯的倾斜角度及衔铁位移（气隙厚度）等因素对作动器电磁吸力和响应速度的影响。结果表明，电磁吸力随着作动衔铁位移的增加而大幅度减小；倾角结构的铁芯设计能使作动器性能达到最佳，且铁芯的倾斜角度为50°时，电磁吸力有最大值3071N。     

一种磁悬浮飞轮用新型永磁偏置径向磁轴承

为了克服现有永磁偏置径向混合磁轴承的缺陷,提出了一种磁悬浮飞轮用新型永磁偏置径向混合磁轴承,分析了其工作原理,并分别利用等效磁路法及有限元方法对该永磁偏置径向混合磁轴承进行了电磁分析.分析结果表明:所提出的新型永磁偏置径向混合磁轴承采用永磁磁场作为偏置磁场,并且其永磁磁路与电励磁磁路在任一径向截面中共面,可使磁轴承轴向长度大为减小,与现有永磁偏置径向混合磁轴承相比具有体积更小的优点,同时该种永磁偏置径向混合磁轴承产生的偏置磁场在X,Y方向上不会产生耦合,可使控制更加容易,特别适用于高速、低功耗等场合.      

电磁测力系统研究

介绍了电磁测力系统中静磁场分析与优化、通电线圈位置控制方法及提高线性度的自校准方法。运用Maxwell 3D进行仿真计算，得到了相对优化的磁密及磁均匀性，通过控制通电线圈在磁场中位置及分段线性微分技术，提高了电磁测力准确度。构建了试验装置，对比试验数据表明，该研究措施对于提高电磁测力准确度取得了较好效果。     

电磁轴承电磁铁单边工作控制方式的实现

由于电磁力与位移及励磁电流的强非线性,使电磁轴承AMB(Active Magnetic Bearing)系统精确建模比较困难,较高的偏置电流增加了系统的功耗,系统的高刚度与大范围稳定又是一对矛盾体.为此,在建模型时,以电磁力为控制量,将电磁力计算公式、电磁铁及功率放大器集成为电磁力构件,避开了电磁力非线性的影响;在基础电流为0.2 A时,采用电磁轴承单边的工作方式,实现了系统的高刚度;以模糊控制方法解决了系统高刚度与大范围稳定的矛盾.仿真与试验表明:以电磁力构件的方式构造电磁轴承模型有较好的精度,采用单边的工作方式降低了系统的功率损耗,采用模糊控制方法实现了系统大范围稳定小范围内高刚度.      

平板型电磁作动器优化研究CSCD

本文针对卫星隔振系统中的电磁作动器输出力矩精度问题,设计从构型和控制两个方面对其输出精度进行优化。针对单个电磁作动器输出精度进行优化,设计永磁体与主作用线圈的相对位置的构型,确保动子运动过程中,磁场作用下的主作用线圈长度不变,从而提高作动器的输出精度;针对两个电磁作动器加工和安装误差带来的输出力矩不对称的问题,设计力矩补偿函数,确保两个电磁作动器输出力矩相等,从而保证隔振系统的隔振精度。     

一种航天器用先导级电磁阀的新型结构设计

提出了一种新型两位三通结构的先导级电磁阀设计方案,由2组永磁体和3组控制线圈构造3条永磁锁位磁路和2条电磁偏置磁路,不仅实现了阀门的小型化结构和无功耗位置保持,而且提高了阀门的密封可靠性.这种阀门可以作为大推力发动机推进剂主阀的先导级控制阀,能够满足在轨长期应用的需求.通过电磁场有限元分析和产品样机试验的方法,对设计方案的可行性进行验证,验证结果表明新型先导级电磁阀的各项性能指标均达到设计目标.     

基于电磁力与力矩的航天器运动控制的研究进展

电磁力与力矩是一种非接触式的相互作用力与力矩.将通电线圈或磁铁放在磁场中会受到电磁力与力矩的作用.多个通电线圈或磁铁相互作用时，在彼此构成的磁场中也会受到电磁力与力矩的作用.作为一种非接触的力与力矩，电磁力与力矩在航天器的姿态与相对位置控制系统中已有了广泛和深入的应用.本文主要介绍近年来由航天器上电磁装置受到地磁场作用产生电磁力矩在姿态控制中的应用，和带有电磁机构的多航天器间相互作用控制多航天器间相对位姿的应用等.     

一种航天器用先导级电磁阀的新型结构设计

提出了一种新型两位三通结构的先导级电磁阀设计方案,由2组永磁体和3组控制线圈构造3条永磁锁位磁路和2条电磁偏置磁路,不仅实现了阀门的小型化结构和无功耗位置保持,而且提高了阀门的密封可靠性.这种阀门可以作为大推力发动机推进剂主阀的先导级控制阀,能够满足在轨长期应用的需求.通过电磁场有限元分析和产品样机试验的方法,对设计方案的可行性进行验证,验证结果表明新型先导级电磁阀的各项性能指标均达到设计目标.     

一种磁悬浮开关磁阻电机用轴向径向磁轴承

为了克服现有永磁偏置轴向径向磁轴承的缺陷,研究了一种新型结构的磁悬浮开关磁阻电机用永磁偏置轴向径向磁轴承.分析其结构及工作原理,利用等效磁路法进行分析,得出了轴向悬浮力及径向悬浮力的数学模型,并对数学模型进行了线性化处理,得出了其轴向、径向位移刚度和电流刚度.给出了磁极面积、控制线圈安匝数、定转子结构等主要参数的设计方法,给出了样机参数,用有限元对样机进行了三维仿真分析.理论研究和仿真分析表明:该永磁偏置轴向径向磁轴承结构紧凑,轴向控制磁通和径向控制磁通彼此解耦,控制更加容易,适用于高速、低功耗等场合.      

基于亥姆霍兹线圈的大尺寸均匀电磁场模拟

针对外层空间物理环境模拟系统的技术要求,基于亥姆霍兹线圈的工作原理,采用一对匝数、边长、高度和厚度相同的共轴平行放置的正方形线圈构成了Helmholtz线圈,结合恒流源和单片机控制技术,设计了电磁场模拟系统.采用ANSYS Workbench有限元分析软件对正方形Helmholtz线圈的电磁场分布进行了数值模拟,重点考察了线圈X轴、Y轴和线圈表面附近的电磁场分布,在此基础上设计了线圈结构参数.对所设计的正方形Helmholtz线圈内部12个关键点的电磁场进行了测量,结果表明线圈内的磁感应强度和磁场均匀性能够满足环境模拟系统的要求.      

非晶带材磁性卷取辊吸附特性数值模拟

卷取辊(TUR)是非晶带材自动化生产线中的一个关键部件,卷取辊的起卷效率决定带材质量及生产效率.由于起卷过程中非晶带材运行线速度较高且受到不同的阻力,卷取辊需要提供足够的吸附力用来满足不同的阻力条件.根据带材生产工艺需求,设计出钕铁硼(NdFeB)永磁吸附型磁性卷取辊结构.利用有限元方法对不同起卷卷取步骤中的磁吸附特性进行分析,得到了磁性卷取辊在不同气隙下各个方向上的磁吸附力变化趋势云图和磁场分布.计算结果表明,气隙小于30 mm时,在给定的空间范围内,磁性卷取辊磁吸附力能够克服各个阻力完成起卷卷取过程.最终,通过现场实验验证了不同气隙下的最大磁吸附力与仿真结果变化趋势一致.      

电脉冲除冰系统电磁脉冲力仿真分析

为了获得更精确的电脉冲除冰(EIDI)系统中电磁力在飞机蒙皮上的分布及其随时间变化的情况,针对系统的工作原理与工作过程进行了仿真研究。计算分析了EIDI系统电路中电流随时间变化的关系;通过麦克斯韦方程组的求解完成了EIDI系统电磁场的仿真;计算分析了电磁力随时间变化的规律,获得了蒙皮上的磁感应强度分布、涡电流密度分布和瞬态电磁力密度分布。考虑线圈工作时蒙皮对其电感的影响,建立了更接近真实电路的激励加载方法,得到了准确的电磁力变化趋势;考虑趋肤效应对蒙皮厚度方向上涡电流密度、电磁力密度分布的影响,用有限元分析方法使蒙皮上电磁力分布的计算更为全面合理。      

电脉冲除冰系统非线性等效电路分析

为了更有效地进行电脉冲除冰系统(EIDI)的电路参数设计,利用能量守恒原理研究了电脉冲除冰中系统振动能量的非线性等效负载,并推导了与系统参数相关的非线性等效电路模型.在ANSOFT Maxwell电磁场有限元环境中建立了轴对称圆柱型脉冲线圈的三维瞬态电磁场仿真模型,采用数值拟合的方法得到在除冰激励周期内法向电磁力的表达式;在此基础上研究了铝板蒙皮在该脉冲力作用下的形变表达式和电磁力做功情况.最终利用非线性等效电路模型设计了不同气隙间距下的储能元件电路参数,且通过实验验证了本文方法的正确性,为电脉冲除冰系统的设计提供了理论依据.      

主动隔振系统中驱动器的有限元分析

用于空间科学实验的主动振动隔离系统采用洛伦兹力驱动的方法, 将被隔振的平台 悬浮于空中. 对电磁驱动部分的动力学分析是各种设计和实验的基础. 提出了一种驱动器的结构, 并对驱动器的永磁部分进行了有限元分析, 包括模型的建立、 静力学分析、模态分析、瞬态分析、谐响应分析和谱分析, 由此验证其力学性能可以 满足设计要求. 为优化结构设计, 减小驱动器尺寸, 降低设计开发成本, 缩短设计开发周期, 提高产品质量奠定了基础.      

高精度球面洛伦兹力磁轴承设计与分析

针对柱面洛伦兹力磁轴承(LFMB)偏角有限导致磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)力矩输出持续时间短和气隙磁密均匀度低影响控制敏感精度的突出问题, 提出了一种高精度球面LFMB设计与分析方法。所设计的LFMB转子球面导磁套和定子球面绕组均与双球面陀螺转子同球心, 气隙呈球壳状, 保证转子偏转时定子绕组两侧气隙宽度不变, 相较于柱面LFMB, 转子可偏转角度由±0.6°扩大到±2°。利用等效磁路法推导了柱面与球面LFMB气隙磁密的数学解析模型, 并基于ANSYS命令流构建了柱面与球面LFMB的有限元仿真模型。仿真结果表明:在转子可偏转范围内, 沿偏转中心线, 球面LFMB最大磁密较柱面下降了34.1%;当转子不偏转时, 球面LFMB绕组截面内的磁密均匀度较柱面提高了11.6%;当转子偏转时, 球面LFMB绕组截面内的磁密均匀度较柱面提高了17.7%。所提方法为磁悬浮控制敏感陀螺控制与敏感性能的提升奠定了基础。      

磁悬浮径向球面纯电磁磁轴承的设计

针对柱面磁轴承偏转时干扰力矩较大问题,本文提出一种径向球面纯电磁磁轴承设计方法。在本设计中,当磁轴承产生偏转或偏移时,电磁力会指向转子球心,从而降低定子磁极对转子产生的干扰力矩,提高磁轴承的控制精度。首先,阐述球面磁轴承的工作原理并建立数学模型,运用等效磁路理论方法和有限元数值方法分析其电流刚度和位移刚度,2种方法的计算结果基本吻合,表明球面磁轴承的有限元分析模型是合理的。接着,运用有限元方法分析球面磁轴承和柱面磁轴承产生偏转时的干扰力矩,结果表明当转子达到最大偏转角0.3°时,球面磁轴承的干扰力矩是柱面磁轴承的干扰力矩的1.8%,表明球面磁轴承相对于柱面磁轴承在抗干扰力矩能力方面有很大的提高。最后,进一步分析球面磁轴承产生X方向或Z方向偏移时的干扰力矩,计算结果与偏转时干扰力矩的量级相当。综上所述,本文提出的径向球面纯电磁磁轴承有低干扰力矩的优点,可用于航天航空工程中惯性执行机构的高精度控制和角速率检测。