新型洛伦兹力磁轴承磁路设计与分析

发布时间：2020-06-28 06:53

【摘要】：磁悬浮陀螺飞轮既可利用转子的定轴性敏感航天器姿态,又可迫使转子旋转轴发生偏转输出陀螺力矩从而控制航天器姿态。本文介绍了一种混合力构型的磁悬浮陀螺飞轮,该构型采用球面磁阻力磁轴承实现转子的三自由度平动控制,采用洛伦兹力磁轴承实现转子两自由度偏转控制,由于该构型消除了平动悬浮对偏转悬浮的干扰,其输出陀螺力矩精度取决于洛伦兹力磁轴承。然而,现有的洛伦兹力磁轴承气隙磁密均匀性较差,难以实现高精度力矩输出,制约了磁悬浮陀螺飞轮性能的进一步提升。本文从研究洛伦兹力磁轴承磁路走向及气隙磁场分布出发,旨在设计出一种具有高磁场强度和高磁密均匀性的洛伦兹力磁轴承,以实现高精度大力矩输出。针对传统的显式洛伦兹力磁轴承,在忽略外围漏磁的情况下,采用等效磁路法建立了其电磁力数学模型,采用有限元法分析了其径向截面内的磁场分布,发现磁场纵向扩散是导致气隙磁密均匀性差的主要因素,由此提出了梯形截面磁钢方案和球面梯形截面磁钢方案,并比较分析了三者气隙磁密特性。针对较优的球面梯形截面磁钢方案,分别对磁钢气隙侧边角、隔磁环长度以及磁钢充磁长度这三个关键的结构参数进行了优化,进一步提高了气隙磁场强度和磁密均匀性。受工艺限制,洛伦兹力磁轴承中的大尺寸永磁环往往采用多块弧形磁钢拼接而成,通过有限元分析其周向磁密分布,发现相邻磁钢的拼接缝隙是导致磁密周向均匀性差的主要原因。由此提出了一种磁钢内置导磁环的隐式洛伦兹力磁轴承,仿真结果表明通过软磁材料的顺磁作用,可有效抑制磁密周向波动,气隙磁密均匀性得到了有效提高,但其磁场强度有所降低。考虑外围漏磁,基于磁阻分割法和等效磁路法获得了气隙磁密,并考虑每根线圈位置,建立了电磁力数学模型。分别对磁钢磁化长度、导磁环边角以及磁钢气隙侧顶角这三个关键结构尺寸进行优化,有效提高了隐式方案的磁密特性。对其结构进行拓展分析,提出了一种双磁路隐式洛伦兹力磁轴承,简要介绍了其磁路叠加原理及径向截面内和周向上的磁密分布特点。为弥补显式方案和隐式方案的不足,提出了一种磁路叠加设计方法并设计出一种聚磁效应的洛伦兹力磁轴承。利用多支路磁通叠加和顺磁环作用,有效抑制了磁密纵向扩散和周向磁密波动。仿真结果表明,聚磁方案在不降低气隙磁场强度的前提下,可有效提高磁密均匀性。针对其磁场分布复杂采用等效磁路法时难以划分磁阻的问题,提出了一种按介质边界划分磁阻的方法。考虑转子偏转状态下每根线圈的位置及尺寸,建立了聚磁方案电磁力数学模型。采用有限元法比较分析了显式方案和聚磁方案的电磁力性能,结果表明聚磁方案在偏转状态下,电磁力仍具有良好的线性度,非常合适磁悬浮陀螺飞轮高精度大力矩的输出。通过将该聚磁的洛伦兹力磁轴承拓扑为V型结构,简要总结了设计和改进洛伦兹力磁轴承的思想和方法。最后,总结并比较了显式方案、隐式方案和聚磁方案各自的优缺点及适用的场合,并进一步指出提高洛伦兹力磁轴承电磁力性能可研究的方向与内容。
【学位授予单位】：北京石油化工学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH133.3

【参考文献】