磁悬浮球形飞轮不平衡振动控制及稳定性分析

发布时间：2020-04-17 16:17

【摘要】：磁悬浮球形飞轮作为一种新型航天器用姿控机构,同时具备姿控和检测姿态功能,是航天器用于进行高精度、高稳定性姿控功能的理想选择。磁悬浮球形飞轮通过纯电磁力磁轴承和洛伦兹力磁轴承进行转子径/轴向平动控制和转子径向偏转控制,既降低了飞轮系统承重功耗,又提高了转子偏转控制精度,同时,球形转子结构消除了转子偏转时气隙变形导致的干扰力矩。本文针对磁悬浮球形飞轮,主要的研究内容如下:(1)为了将磁悬浮球形飞轮进行转子动力学建模,介绍了磁悬浮球形飞轮的工作原理和机械结构,根据实际的磁悬浮球形飞轮机械结构进行坐标系定义,从而将磁悬浮球形飞轮各个关键部件的尺寸和位置关系进行了简化。在建立了磁悬浮球形飞轮轴承转子系统动力学模型的同时,对动力学模型进行了矩阵化和公式化,通过转换矩阵的形式将磁悬浮球形飞轮转子磁轴承系统中各个关键部件的位置和角度关系进行了公式表述,从而得到了轴承转子系统动力学模型对应的动力学方程。(2)针对磁悬浮球形飞轮平动磁轴承和偏转磁轴承进行数学建模,首先对转子平动控制用纯电磁磁轴承进行了结构和原理分析,通过推导轴承位移刚度和电流刚度,对平动控制磁轴承进行了建模,其次是对转子偏转控制用洛伦兹力磁轴承进行结构和原理分析,通过对比不同永磁体情况下的磁密均匀性,确定了梯形永磁体方案,并对其进行了仿真分析和等效磁路搭建,从而将磁轴承的磁通磁阻进行了数学量化处理,完成了偏转磁轴承建模。(3)针对磁悬浮球形飞轮的转子不平衡振动补偿,提出了一种磁悬浮球转子前馈补偿控制方法。依据达朗伯原理,将转子不平衡质量矩等效至转子两端配重面,得到了转子两端的轴承动反力。为维持球面磁极气隙的球壳形状,消除磁拉偏负力矩,将高速转子球心与定子球心始终重合。分析了转子质心偏离旋转轴引起的离心力,计算了转子质心偏离球心后,因电磁悬浮力始终指向转子球心而引起的偏转负力矩。搭建磁悬浮球形飞轮的仿真系统模型,并编写了仿真程序,基于此,对不同加载顺序下的前馈抑制环节进行了仿真,确定了最佳抑制顺序,完成了不平衡振动仿真和实验研究。(4)针对磁悬浮球形飞轮系统稳定性进行了分析研究。首先针对磁悬浮球形飞轮加工及装配造成的系统中的机械误差进行了分析,其中包括转子研磨精度低导致的转子高速旋转时存在的非球形误差,转子形心、转子质心与位移传感器检测中心三心不重合导致的安装误差,其次分析了磁悬浮球形飞轮控制系统中因为矩阵和控制通道存在的误差,包括传感器测量值与转子实际位移值之间的矩阵转换带来的控制误差,磁悬浮球形飞轮用洛伦兹力磁轴承偏转控制通道中存在耦合导致的控制误差。通过对上述误差产生原因和误差机理的研究,分析了误差对系统稳定性的影响,完成了飞轮系统稳定性分析。
【图文】：

法国SPOT-5所用磁悬浮飞轮Fig.1-1MagneticallysuspendedflywheelofFrenchSPOT-5

纯磁阻力磁悬浮万向飞轮Fig.1-2Puremagneticresistancemagneticallysuspendeduniversalflywheel
【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】：V448.22

【参考文献】

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本文编号：2631058