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.      

磁悬浮飞轮储能用永磁偏置磁轴承设计

为了降低飞轮储能系统的磁轴承损耗,设计了一种永磁偏置磁轴承,分析了该永磁偏置磁轴承的工作原理并建立了数学模型,在此基础上对永磁偏置磁轴承进行了参数设计和仿真验证。通过飞轮储能系统试验,验证了该永磁偏置磁轴承设计的合理性。与纯电磁轴承相比,永磁偏置磁轴承显著降低了磁轴承功耗,为飞轮储能系统的长期稳定运行提供了基础。     

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。     

一种抑制扰动的轴向磁轴承鲁棒控制新方法

从鲁棒稳定性和抑制扰动的动态性能角度,分析了干扰观测器应用到轴向磁轴承时其有效带宽较低的问题,指出磁轴承易受到低频干扰并提出了一种抑制扰动鲁棒控制方法.基于动态分析建立了轴向磁轴承的名义模型,并设计了内环控制的干扰观测器,采用标准H∞问题的方法设计抑制扰动鲁棒控制器作为外环控制.仿真分析与实验说明了该方法能够提高干扰观测器的带宽,同时,实验验证了对于系统参数不确定性具有较强的鲁棒性能,对比单一的控制方法具有良好的抑制扰动能力.     

磁悬浮反作用飞轮磁轴承动反力分析及实验

针对磁悬浮反作用飞轮转子系统,提出了一种描述混合磁轴承动反力的新模型.基于拉格朗日原理,将飞轮转子两去重面内不平衡质量矩等效至两端径向磁轴承位置,并与转子惯性轴偏离几何轴引起的离心力共同作用,得到磁轴承动反力.仿真结果表明:转子两不平衡质量矩大小相等时,其振幅从相位差φa-φb=0时的30μm减小至φa-φb=π时的10μm(减小了2/3),从转速为1000 r/min时的5μm增加至5000 r/min时的10μm(增加了1倍).测试实验结果与仿真结果一致,为飞轮系统高精度高稳定度控制奠定了基础.     

对接机构方案样机轴向缓冲力仿真分析与试验验证

在对接机构方案样机缓冲试验中发现了轴向缓冲力超标的问题. 针对这一问题, 理论分析了轴向缓冲力过大的原因, 进行了仿真计算, 给出了降低轴向缓冲力的措施, 并在对接机构方案样机上实施了部分措施进行验证试验, 验证试验数据表明仿真正确、措施有效. 仿真也复现了飞行器模拟件自振频率对轴向缓冲力的影响, 并在飞行器模拟件的模态测试中得到了验证, 仿真给出了必须对试验数据进行滤波分析的结论.      

磁悬浮控制敏感陀螺转子前馈解耦内模控制

磁悬浮控制敏感陀螺以洛伦兹力磁轴承（LFMB）为力矩器驱动转子偏转。针对磁悬浮控制敏感陀螺转子径向转动自由度间存在耦合的问题以及转子偏转高精度快响应要求,提出一种前馈解耦内模控制方法。根据洛伦兹力磁轴承的工作原理建立了转子偏转动力学模型,并设计了前馈解耦矩阵实现转子径向偏转解耦,在此基础上,采用二自由度内模控制器（2-DOF IMC）对转子进行高精度快响应偏转控制。MATLAB仿真结果表明所提出的控制方法可有效实现对陀螺转子偏转的完全解耦,且转子偏转响应时间较交叉PID算法减少57.1%,受0.1sin（2πt）°正弦信号扰动影响产生的偏转波动幅值较交叉PID算法减少76%。      

一种可承受径向和轴向载荷的超声悬浮轴承

基于压电驱动原理和超声波近场悬浮技术,提出了一种可同时承受径向和轴向载荷的超声悬浮轴承方案。此方案只依靠单一激励源即可实现双向支承,结构紧凑,控制简单。为准确预测超声轴承的工作频率和声阻抗,建立了超声轴承的声阻抗网络模型;利用有限元分析(FEA)方法,对超声轴承径向和轴向辐射面的振幅进行了仿真计算;研制了超声悬浮轴承原理样机并开展了轴承悬浮承载能力测试实验。实验结果表明:超声悬浮轴承具有良好的悬浮效果,可承受较大的径向载荷和一定的轴向载荷。此类超声轴承的研究可为未来新型轴承结构的研发开拓新的思路。     

多相电机驱动系统的建模与仿真研究

以双Y移30°六相永磁同步电机为研究对象,首先通过坐标变换得到了其用于矢量控制的数学模型,并且分析了以直轴id=0为控制方案的电流控制策略在多相电机驱动系统中的应用,同时给出了矢量控制框图。其次在MATLAB仿真环境下搭建其电机本体、控制等各个模块的仿真模型。最后通过给定基本的电机参数以及理论计算出仿真中用到的参数并对其进行仿真验证。结果表明提出的控制策略是有效的,并且验证了所建立的数学模型和搭建的仿真模型的合理性与正确性,对以后多相电机的驱动研究具有很大的帮助。     

超磁致伸缩作动器的结构分析

从力学和磁学两方面分析了超磁致伸缩作动器内部结构形式对作动器特性的影响,重点研究了永磁铁式偏置磁场的不同结构形式以及作动器外壳材料对作动器的输出性能及作动器轴向刚度的影响.研究结果表明,环套式永磁铁的结构形式不可避免地在作动器外围产生较大磁场;分段式永磁铁的结构形式,采用钢制外壳时可避免漏磁;但是在芯棒区域的磁场与理想均匀磁场的差异将给作动器的输出位移带来较大损失,对作动器的刚度也会产生不可忽略的影响,二者在设计中必须考虑.在结构分析的同时,基于超磁致伸缩材料的特性提出了磁场与刚度相关联的设计理念,可为超磁致伸缩作动器的结构设计提供参考.     

用于GMA的新型永磁偏置闭合磁路

利用ANSYS有限元软件进行仿真模拟,对超磁致伸缩执行器(GMA,Giant Magnetostrictive Actuator)的磁路结构进行了分析和优化.根据磁致伸缩棒内磁场均匀性好,场外漏磁小的设计目标,利用极性相反的双永磁补偿原理,提出了一种新型的内置式永磁组合偏置结构,使得沿磁致伸缩棒长方向磁场分布均匀的同时,偏置磁场和激励磁场都形成良好的闭合磁路.ANSYS分析结果表明,棒中偏置磁场不均匀度为3.51%,激励磁场不均匀度为8.73%,均满足不均匀度小于10%的设计目标;在执行器指定位置(距离GMA 7 cm)的总漏磁场强度为30.4 A/m,符合实际应用的标准要求(<80 A/m).     

充磁导致的超高速永磁同步电机不平衡磁拉力

转子永磁体充磁角度偏差导致的不平衡磁拉力对微型燃气轮机发电系统用超高速永磁同步电机的安全稳定运行有很大的影响.采用有限元数值分析方法,分别在不考虑转子偏心和考虑转子偏心的情况下,对由充磁角度偏差导致的超高速永磁同步电机不平衡磁拉力进行了计算和分析;将不平衡磁拉力的计算结果作为载荷,获得了超高速永磁同步电机空气轴承-转子系统的固有频率及振动特性.研究结果表明:转子系统在740 Hz附近发生共振,共振幅值随着转子磁芯充磁偏差角度的增大而增大;要保证转子系统安全可靠的工作,需要将磁芯的充磁角度偏差限制在5°以内.     

基于双磁钢转子的大力矩飞轮用电机设计

针对卫星快速敏捷和大角度机动的需求,设计了一种基于双磁钢转子的大力矩飞轮用永磁电机。介绍了大力矩飞轮用电机的工作原理和结构构成,给出了主要尺寸的设计准则,并在Maxwell 环境下对双磁钢转子的永磁直流电动机进行了有限元分析。     

MPDT超导磁喷管外部磁场影响分析

由于传统提供附加磁场的液冷铜线圈存在体积大、质量大、电耗大等显著缺点,因此电流密度高、体积小、损耗低的高温超导（HTS）磁体在附加场磁等离子发动机（AF MPDT）上的应用受到了广泛的关注。然而由于超导材料的临界特性,HTS磁体容易受到外部磁场的影响而发生失超。文章通过对MPDT放电回路的简化,采用仿真和试验的方法来分析简化回路通电时激发的磁场,并研究其对外围HTS磁体的影响程度。仿真结果表明,MPDT放电室内部磁场以周向磁场为主,且由于阳极壁面电流对内部磁场的屏蔽作用,使得外部几乎没有磁场分布。试验结果和仿真也取得了良好的一致性,因此在设计超导磁喷管时几乎可以不考虑来自MPDT放电室磁场的影响。该研究为HTS磁体在AF MPDT上的应用提供了参考。     

CMG中角接触球轴承在随机振动下的安全性分析

研究CMG中角接触球轴承在随机振动下的安全性。推导轴承在轴向力和径向力联合作用下的轴向刚度和径向刚度,建立轴承的等效线性弹簧模型,并利用ANSYS的谱分析迭代求取轴承在随机振动下的轴向力和径向力,将径向当量静载荷和轴向载荷分别与径向基本额度静载荷和极限轴向载荷比较,分析其安全性。以某种角接触球轴承为例,验证了其在给定输入功率谱密度下任意方向加载都安全。