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。     

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。     

磁悬浮飞轮优化设计与实验

针对在轨磁悬浮飞轮转子系统,考虑发射主动段振动工况,提出一种基于灵敏度分析的多学科优化设计方法。通过比较分析内、外锁紧方案对锁紧状态飞轮转子系统共振频率的影响,得到了较优的抱式外锁紧方案。在此基础上,对飞轮转子进行灵敏度分析,并选择高灵敏度结构参数作为优化设计变量。考虑其结构强度、转动惯量、控制性能、自由状态和锁紧状态一阶共振频率,以飞轮转子质量最小为优化目标,利用序列二次规划法对其进行多学科优化设计。优化结果表明,在满足发射振动工况下,飞轮转子极转动惯量与质量的数值比达到最大为0.0070,比初始值0.0064提高了9.4%。该优化方法提高了飞轮转子设计的可靠性和效率,其首次在轨实验成功对我国磁悬浮飞轮空间应用具有重要意义。     

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。     

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。     

ANSYS有限元分析软件在微小飞轮设计中的应用

应用ANSYS有限元分析软件 ,对一种微小飞轮的转子结构建立了其力学性能的有限元分析模型。针对结构参数的四种设计方案 ,分别计算了该飞轮转子结构在两种静力学条件下的节点应力分布及位移分布 ,并通过模态分析得到了相应的固有频率以及对应的振型     

基于结构可靠性的姿控/储能飞轮转子设计方法研究

姿控／储能两用飞轮在工作过程中依靠飞轮转速的变化来实现姿控和储能两方面的需求，在转速变化过程中，飞轮结构承受的交变载荷作用会导致飞轮发生疲劳破坏。为保证结构安全工作，需要依据结构可靠性的要求对飞轮转子进行结构设计，本文介绍了姿控／储能飞轮结构所采用的金属材料及复合材料的可靠性分析理论，并针对两用飞轮结构的特点提出了基于结构可靠性的姿控／储能两用飞轮转子设计方法。基于通用有限元分析软件建立了飞轮的三维有限元分析模型以得到结构的应力分布。最后给出了设计示例。该研究为飞轮的结构设计和飞轮的破坏试验提供理论依据。     

卫星储能/姿控一体化飞轮构型及其误差分析

介绍了卫星储能/姿控一体化飞轮的偏置动量、零动量和单个飞轮的不同构型及其组成,并分析了成对飞轮偏置动量、单个飞轮零动量构型的动量和能量转换。建立了偏置动量和零动量飞轮的控制模型。对电机转矩不对称,以及转子转动惯量和安装不同轴误差对卫星姿态的影响进行了仿真试验。结果表明,前者的影响甚微;后者在不同轴误差为0.2°时,转动误差应小于2%。     

扁平型外转子混合磁悬浮飞轮动力学分析

针对扁平型外转子磁悬浮飞轮,考虑轴向被动悬浮刚度影响,采用理论模型与数值模拟相结合的方法,对系统静态悬浮和稳定旋转两种工况下的动力学特性进行了研究.结果表明,静态悬浮时,轴向刚度的变化对径向摆动固有频率影响明显,径向刚度的变化主要影响系统径向刚体平动固有频率,振型交换区内系统振型为转子刚体平动与摆动的叠加;稳定旋转时,轴向刚度的变化主要影响低速圆锥涡动频率,径向刚度的变化主要影响圆柱涡动频率.     

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。     

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。     

采用混合执行机构的卫星快速机动技术研究

研究了一种采用混合执行机构的姿态单轴快速机动的控制方法.设计了由平行构型单框架控制力矩陀螺(SGCMG)和飞轮组成的混合执行机构配置方案.综合姿态机动规划,设计了前馈和反馈相结合的姿态机动控制律,并通过执行机构动力学分析给出了操纵律.仿真结果表明:采用平行构型SGCMGs和飞轮的混合执行机构模式,可实现姿态三轴高精度稳定控制和侧摆快速机动的任务要求.     

基于FCMAC的空间零重力环境 地面模拟装置控制

文章提出了一种新型的空间零重力地面模拟系统,该系统采用机械传动、电机驱动和气悬浮组合的方式来实现空间零重力环境的模拟,即:水平方向采用气悬浮方式,竖直方向采用永磁同步电机（PMSM）作为其执行器件,经减速器后利用滚珠丝杠及带直线轴承的导向杆的传动装置,通过力反馈控制方式来实时抵消目标重力。考虑到永磁同步电机具有非线性、强耦合的特点以及机械摩擦等不确定性及外界干扰,为保证实时性,内环采用动态性较好的滑模变结构控制器,外环采用学习速度快的模糊小脑模型关联控制（FCMAC）神经网络的控制策略来自适应学习并补偿各种不确定及非线性影响。仿真结果表明:所设计的试验系统具有整体重量轻、使用方便及零重力环境模拟精度高等优点,适用于复杂运动的大中型飞行器三维空间零重力地面模拟试验。     

可用于航天助推发射的高温超导磁悬浮技术

为了满足低成本、高安全可靠的可重复使用航天运载器发展需要,磁悬浮助推发射技术以其高地面起飞速度,提供了一种可能的技术途径。设计和研究了一种永磁导轨与高温超导体作用形成的磁悬浮系统。通过建立磁悬浮单元准静态力测试系统,分析了块状高温超导体在永磁导轨上方不同位置作用的悬浮特性。然后建立高温超导磁悬浮缩比研究试验平台,其包括4个磁悬浮单元和7米双永磁导轨。通过测试和分析试验平台在不同场冷高度和载荷条件下的悬浮特性,得出低场冷高度有利于提高磁悬浮发射装置的横向稳定性。     

欠驱动航天器飞轮控制方法

针对应用任意剪刀对构型飞轮群的欠驱动刚体航天器姿态控制问题,将飞轮群与航天器看作整体系统进行建模,从整体系统可控性角度分析采用传统模型进行控制系统设计存在的局限性。随后通过对飞轮群角动量集合描述,得出航天器姿态可机动集合。由于飞轮群构型的任意性及航天器的欠驱动特性,导致具有初始角动量的整体系统难以针对系统状态方程采用Lyapunov函数方法进行状态反馈控制器设计,同时为了保证存在外扰动力矩的航天器姿态机动精度,采用非线性预测控制方法实现系统的反馈控制。所提控制算法实现了任意飞轮群剪刀对构型、飞轮群角动量非饱和条件下,任意系统初始角动量欠驱动航天器在姿态可机动集合中的机动控制。仿真结果表明,系统具有良好的控制性能及精度。     

采用变速控制力矩陀螺的一种姿态/能量一体化控制研究

本文研究采用变速控制力矩陀螺（VSCMG）的航天器姿态／能量一体化控制技术。首先建立了以变速控制力矩陀螺为执行机构的航天器姿态动力学模型，并给出了全局稳定的姿态反馈控制律。以控制力矩陀螺群的构型奇异量度为依据，分别考虑了VSCMG的控制力矩陀螺（CMG）工作模式和反作用飞轮（RW）工作模式。在陀螺群接近奇异时启用转子的反作用飞轮工作模式来补偿控制力矩陀螺采用鲁棒伪逆操纵律时所引起的力矩误差；在陀螺群远离奇异状态时，用控制力矩陀螺来补偿转子储能带来的干扰力矩。在姿态控制的同时利用转子的变速特性，完成按照给定的功率存储／释放能量，并在陀螺群远离奇异状态时对储能过程中转子的转速进行调节，以保持良好地动量包络外形。最后以某航天器的姿态控制为例，给出了数值仿真结果。     

基于飞轮控制的空间机器人质量参数辨识

针对空间机器人进行在轨辨识时存在精度不高、燃料消耗较大等问题,提出了基于飞轮控制的在轨辨识方法,可以有效地解决辨识时存在的问题。该方法采用飞轮控制作为激励方式,通过改变机械臂的构型使整个空间机器人系统的质量分布发生变化,分别测量构型改变后的角速度和线加速度,以计算出基座本体的质量、质心和转动惯量。此外,分析了机械臂与本体的质量比对辨识精度的影响。仿真结果表明,本文的方法可操作性强、精度较高,燃料消耗较小,可以应用于空间机器人的在轨辨识中。     

磁悬浮飞轮不平衡振动前馈抑制方法与实验

针对磁悬浮飞轮不平衡质量导致转子在高速旋转时径向振幅较大的缺点,提出了一种前馈抑制方法。建立了磁轴承转子动力学模型,基于达朗伯原理,分别得到了不平衡质量矩引起的动约束力和转子惯性轴偏离几何轴引起的离心力。仿真结果表明:转子两端的不平衡质量大小相等,转速为5000r/min时,飞轮转子采用前馈抑制方法后,转子径向振幅从12μm减小至2μm,减小约83%。实验结果与仿真结果一致,验证了前馈抑制方法可大幅度提高飞轮系统的稳定性。     

微型反作用飞轮技术

针对微小卫星姿控系统对微型飞轮的需求,设计了一种微小型、长寿命的飞轮.给出了微型飞轮的总体组成.控制电路采用数字量控制一体化设计,电机转子和轮体一体化设计,控制软件实现对飞轮两种工作模式四种工作状态的控制.介绍了轴承组件的润滑系统、预载荷设计和寿命预测,电机组成及特性、定子和转子,控制电路的微控制单元、电动驱动单元、电机电流采样反馈单元、飞轮温度采样处理单元、RS485通信接口电路及其电路元器件选用,飞轮控制软件需求、任务流程和运行模式等关键技术.地面和环境模拟试验考核表明:微型飞轮设计正确,各项性能指标满足微小卫星姿控系统要求.     

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。