基于阻力矩测量方法的高速磁悬浮飞轮损耗分析与优化

磁悬浮惯性执行机构是空间飞行器姿控系统的关键执行机构,为了准确获得高速磁悬浮飞轮的能耗影响因素,对飞轮结构进行优化设计.首先分析了旋转磁通条件下磁性材料的铜损耗、磁滞损耗和涡流损耗,提出采用电机阻力矩测量方法间接测量磁悬浮飞轮内部的能量损耗,通过实际测量飞轮降速曲线和理论计算得到飞轮阻力矩,测量不同结构形式和基座材质下飞轮的阻力矩,并比较了飞轮能耗.实验结果表明,在满足飞轮其他性能情况下,增加电机定转子轴向间距、添加电机隔磁环、改变电机定子及磁轴承基座材料可以降低飞轮阻力矩.优化后的飞轮阻力矩由原来的28.7mN·m降低至21.5mN·m,能耗降低25％以上.     

磁悬浮反作用飞轮速率模式控制系统设计

针对磁悬浮反作用飞轮干扰力矩对输出力矩精度的影响,提出了一种速率模式数字控制方法,实现了正向加速、正向减速、反向加速、反向减速的四象限高精度稳定的转速跟踪控制,减速时,高速段利用飞轮储存的动能进行能耗制动,低速时进行反接制动,从而实现磁悬浮反作用飞轮速率模式控制.     

磁悬浮反作用飞轮热设计方法与实验研究

 作为新型航天器姿态控制执行机构,磁悬浮反作用飞轮工作在高真空环境下且转子完全悬浮,使得热量不易散出,故需要对飞轮进行温度场计算并进行热优化设计。为此,提出一种有限元与热网络模型相结合的优化热设计方法:首先利用有限元法计算温度场分布;然后对不符合温度要求的部件建立热网络模型,分析影响温度的因素,提出优化措施。该方法具有计算精度高、优化速度快的特点。将该方法应用于某样机的热优化设计中,使飞轮的最高温度由121.6 ℃降到了52.7 ℃。对经热设计前后的两台磁悬浮反作用飞轮的实验研究证明了热设计的正确性,从而为磁悬浮飞轮系统的结构设计和热设计奠定了基础。     

磁悬浮反作用飞轮速率模式非线性协同控制方法

 为了改善磁悬浮反作用飞轮制动过程的动态性能和转速过零特性,提高飞轮的输出力矩精度,提出一种磁悬浮反作用飞轮速率模式非线性协同控制方法。首先建立包含电机和功率变换器的飞轮系统状态空间平均模型,然后基于飞轮系统的状态空间平均模型设计了加速和制动运行的协同控制律,并对控制律中的不确定扰动力矩项进行符号化处理,以提高控制系统抑制力矩扰动的动态响应速度。仿真和实验结果表明,该控制方法改善了转速过零特性,增强了飞轮对随机力矩扰动的鲁棒性,提高了制动控制的准确性,飞轮输出力矩精度达到6.2×10^-4N·m。     

关于剩磁对卫星姿态确定与控制影响的研究

讨论了稳态剩磁对地磁姿态确定与控制系统的性能的影响。对某些卫星来说,星上的直流电设备单元会产生一个支配性的稳定磁场。文中提出一个姿态确定滤波器对剩磁场的影响进行了估计,然后从剩磁矩指向、大小及伸杆长度3方面分析了剩磁干扰力矩对姿态控制精度的影响。通过计算机仿真发现:该滤波器能有效消除剩磁场对姿态确定的影响;不同指向的剩磁矩令三轴控制精度出现较大的起伏,而不断增大的剩磁量则使控制偏差呈正比例增大,伸杆长度的影响却很微小。     

一种磁悬浮陀螺飞轮方案设计与关键技术分析

提出一种磁悬浮陀螺飞轮的设计方案,采用洛伦兹力磁轴承对陀螺飞轮转子进行五自由度支承以提供转动自由度,并利用洛伦兹力磁轴承磁力与电流的线性特性,间接测量陀螺仪的输入角速度.该装置作为姿态控制执行机构兼有敏感器功能,可同时进行三自由度姿态控制与两自由度姿态敏感.针对磁悬浮陀螺飞轮二自由度姿态敏感与三自由度姿态控制这两项关键...     

飞轮储能用混合磁悬浮轴承温度场分析

磁悬浮轴承(MBs)作为飞轮系统的重要组成部分,工作在真空环境,然而散热条件差,温度过高严重影响了飞轮的运行,降低了飞轮的可靠性。在对飞轮储能用混合型磁悬浮轴承损耗进行分析的基础上,利用ANSYS有限元软件建立混合型磁轴承的3D热模型,将不同运行状态下磁悬浮轴承的损耗作为热源导入温度场中,得到了磁悬浮轴承在不同运行状态下的温度分布,为磁悬浮轴承的设计和温升控制提供了重要的依据。     

磁悬浮飞轮储能发电运行前馈-反馈控制器设计

针对磁悬浮储能飞轮在发电模式下发电环节的控制方法做了探讨,设计了前馈-反馈控制器,在SIMULINK中对控制系统进行仿真研究,并在磁悬浮储能飞轮实验平台上进行了实验。仿真及实验结果表明该控制器的引入,使得输出电压能不受输入电压变化的干扰而保持稳定。     

磁悬浮飞轮转子系统的现场动平衡方法

针对磁悬浮飞轮的转子平衡后转动效果不理想、转子平衡过程复杂等问题,提出了一种基于磁轴承系统特性的现场动平衡检测方法。该方法通过考虑电磁力的影响,进行转子系统的整体动平衡,而非转子本身的动平衡。通过分别检测转子平动的最大位移和相位、转子转动的最大位移和相位,分别得到等效力/力偶不平衡质量的大小和相位,实现了整体不平衡量的现场检测和飞轮转子系统的高精度平衡。试验结果表明,该方法能有效提高飞轮转子系统的平衡精度,转子的跳动量、磁轴承的控制电流以及飞轮轮体的振动量显著减小。     

磁悬浮飞轮用轴向力偏转永磁偏置轴向磁轴承磁路耦合特性

为使磁悬浮飞轮具有高精度、大力矩、多自由度动量交换能力,提出并设计了一种永磁偏置轴向磁轴承(AGMB),主动控制飞轮转子沿轴向平动和绕径向偏转这3个自由度的运动.提出偏置磁通耦合度、控制磁通耦合度的概念,并给出了定义.通过磁路分析得到了AGMB和应用于微动框架的传统永磁偏置径向磁轴承(即径向力偏转磁轴承,RGMB)的耦...     

基于旋转高频信号注入法的内置式永磁同步电机低速段转子位置检测及其误差补偿

旋转高频信号注入法注入信号较为稳定,且位置估计过程不依赖电机参数,因而十分适用于内置式永磁同步电机(IPMSM)的零、低速转子位置检测。针对传统高频信号注入法无法辨别磁极的问题,用电压方波注入法检测磁极,结合有限元软件仿真,来合理选取方波电压幅值和时长,有效缩短了磁极判断耗时。分析了滤波器和信号离散化对位置估计精度的影响,提出在低速段可用线段拟合带通滤波器中心频率处的相频特性曲线,推导所需补偿角度与电机转速的关系。在理论分析的基础上,采用基于DSP28335的样机平台进行试验,结果表明磁极判断过程稳定,耗时较短,补偿后的位置估计值相比补偿前有明显改善,调速过程中系统动态性能良好。     

强磁干扰环境下磁航向误差补偿技术研究

解决强磁环境下磁强计易受干扰的问题,能够提高微型姿态参照系统航向角测量精度。建立了磁强计误差两次补偿模型,首先采用椭圆坐标修正法对磁强计进行罗差补偿,以减小环境磁场的干扰;其次采用最小二乘拟合法对获得的磁航向角进行二次补偿,提高系统航向角测量精度。试验结果显示：系统航向角测量值的误差均方值由补偿前的3．982°降为补偿后的0．386°,精度提高近10．3倍,表明该补偿方法能够有效降低磁场环境的干扰,提高系统航向角测量精度。     

轴向充磁圆筒型永磁直线同步电机气隙磁场解析计算

介绍了一种基于许-克变换法的轴向充磁结构圆筒型永磁直线同步电机(TPMLSM)气隙磁场解析计算方法。首先采用许-克变换法计算出无齿槽时电机的气隙磁场;然后利用许-克变换法求取初级铁心开槽时的气隙相对比磁导函数,分析铁心开槽对气隙磁场的影响;最后通过无齿槽时的气隙磁场与有齿槽时的气隙磁场相对比磁导函数得到有齿槽时电机的气隙磁场分布。同时给出了该种充磁结构TPMLSM气隙磁场解析计算表达式,并以1台36/12极槽配合轴向充磁TPMLSM样机进行试验。试验结果证明空载气隙磁场的有限元分析值与解析值较吻合,空载电动势(EMF)计算值、试验测试值、有限元分析值一致。     

A method for aircraft magnetic interference compensation based on small signal model and LMS algorithm

Aeromagnetic interference could not be compensated effectively if the precision of parameters which are solved by the aircraft magnetic field model is low. In order to improve the compensation effect under this condition, a method based on small signal model and least mean square（LMS） algorithm is proposed. According to the method, the initial values of adaptive filter＇s weight vector are calculated with the solved model parameters through small signal model at first,then the small amount of direction cosine and its derivative are set as the input of the filter, and the small amount of the interference is set as the filter＇s expected vector. After that, the aircraft magnetic interference is compensated by LMS algorithm. Finally, the method is verified by simulation and experiment. The result shows that the compensation effect can be improved obviously by the LMS algorithm when original solved parameters have low precision. The method can further improve the compensation effect even if the solved parameters have high precision.     

三轴矢量原子磁力仪综述

原子磁力仪可分为标量磁力仪和矢量磁力仪两大类。标量磁力仪的测量结果与传感器的姿态无关,对平台的机动不敏感。矢量磁力仪能够获得更多的磁场信息,可以实现更精确的磁源定位。目前,共有7种三轴矢量原子磁力仪,测量方法分别为磁场扫描法、磁场旋转调制法、磁场轮流抵消法、磁场投影法、磁场交叉调制法、磁场分立调制法和自旋进动调制法。重点对上述7种三轴矢量原子磁力仪的测量方法进行了整理和分析。     

基于Ansoft的电力机器人永磁吸附单元有限元分析

为满足爬壁机器人在狭窄的发电机定子气隙中能可靠地运行,设计了一种基于Halbach阵列的永磁吸附单元。使用Ansoft Maxwell 软件建立二维磁场模型,采用有限元分析法对新型吸附单元的磁场进行分析,得到了其磁力线与磁感应强度的分布;通过与传统永磁吸附单元磁场的比较,得出新型吸附单元具有永磁磁能利用率高、单边磁场的特点,验证了新型吸附单元在发电机定子气隙中吸附的可靠性;并分析了结构参数的变化对吸附性能的影响,为吸附单元结构设计提供了参考数据。     

固定翼无人机航磁探测系统的磁补偿模型分析

近年来,无人机的应用日益广泛,逐渐用于航空物探。在使用固定翼无人机搭载磁力仪进行航磁测量时,必然引入飞行平台干扰,包括与机动无关的干扰和与机动有关的干扰。去除和飞机机动有关的磁干扰,即为磁补偿工作。航磁补偿的经典TOLLES-LAWSON模型将磁干扰分为剩余磁场、感应磁场和涡流磁场。对于固定翼无人机,涡流磁场可以不考虑,将剩余磁场和感应磁场合称为稳态干扰场。主要对飞机干扰的来源和性质进行分析,并在地面设计实验验证铁磁性材料的性质,以加深对磁补偿模型的假设和推导过程的理解。最后,在地面实验平台上测量了飞机磁干扰场的平面分布图,指导航空磁力仪的安装。在将TOLLES-LAWSON模型应用于固定翼无人机航磁探测系统的磁补偿工作时,无人机与有人机相比,在结构和材料方面都有较大差异,因此对模型的物理意义和假设条件的深入理解至关重要,此即本文所述工作成果的出发点。     

A fault-tolerant triple-redundant voice coil motor for direct drive valves: Design, optimization, and experiment

A direct drive actuator (DDA) with direct drive valves (DDVs) as the control device is an ideal solution for a flight actuation system. This paper presents a novel triple-redundant voice coil motor (TRVCM) used for redundant DDVs. The TRVCM features electrical/mechanical hybrid triple-redundancy by securing three stators along with three moving coils in the same frame. A permanent magnet (PM) Halbach array is employed in each redundant VCM to simplify the system structure. A back-to-back design between neighborly redundancies is adopted to decouple the magnetic flux linkage. The particle swarm optimization (PSO) method is implemented to optimize design parameters based on the analytical magnetic circuit model. The optimization objective function is defined as the acceleration capacity of the motor to achieve high dynamic performance. The optimal geometric parameters are verified with 3D magnetic field finite element analysis (FEA). A research prototype has been developed for experimental purpose. The experimental results of magnetic field density and force output show that the proposed TRVCM has great potential of applications in DDA systems.     

变频调速系统共模电流分析及其检测方法

变频调速系统中的复杂波形共模电流会影响传统电磁互感器的输出精度及线性度,导致测量结果存在较大误差。针对此问题,首先对系统共模电流的形成机理、流通路径与幅频特性进行分析;然后提出一种结构简单、宽测量范围的磁调制电流互感器,对互感器的检测原理进行了详细说明;最后进行了样机设计和试验验证。结果表明,所提出的磁调制互感器能够有效测量不同幅频特征的复杂波形电流信号,满足变频调速系统共模电流的测量要求。     

高精度加速度计力矩器磁路的设计与仿真分析

力矩器磁路性能决定了加速度计标度因数的性能,为此利用有限元方法对力矩器磁路的磁通密度进行分析,在此基础上提出了两种结构优化设计方案,并对其进行仿真计算。仿真结果表明,改变导磁帽的形状可以提高气隙磁场的磁通密度的稳定性和均匀性,但导磁帽易出现饱和现象;通过降低磁钢的高度,同时增加导磁帽的高度,既能大幅度的提高磁场的稳定性和均匀性,导磁帽也不会出现饱和现象,但气隙磁场的磁通密度均值会降低37.25%,非线性误差为1.83%,优化后气隙磁场存在着磁通密度稳定（径向均值为0.42868T）和均匀的区域。