空间二自由度电磁作动器设计与研制

发布时间：2017-10-01 01:23

  本文关键词：空间二自由度电磁作动器设计与研制

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【摘要】：近年来为了满足空间科学实验对微重力环境(特别是低频段振动)的特殊要求,航天器微振动及其抑制隔离技术受到了研究者越来越多的关注。传统的接触式被动隔离装置对低频振动的隔离效果并不明显,因此有必要发展新型的非接触式振动隔离装置。作为隔振系统的关键部件,基于洛伦兹力原理的电磁作动器因具有效率高、响应速度快、能量密度高、行程范围大等显著优点引起了研究者们的极大兴趣。而其中二自由度电磁作动器较单自由度电磁作动器,在大型隔振系统的布局优化、降低系统成本、减小系统重量等方面具有明显的优势。本文以此为背景,研制了一种小型化、轻量化、低热耗、适用于空间环境微振动隔离用的二自由度电磁作动器。针对作动器能实现二自由度运动且适用于空间环境的需求,本文首先分析了作动器的两个重要组成部分,永磁体和线圈的结构形式。然后通过比较不同的作动器外形,定子和浮子选用的不同对作动器性能的影响,确定了二自由度电磁作动器构型。基于分子环流假说,建立了永磁体表面的面电流模型,推导并得到了环状Halbach永磁体阵列在空间任一点的磁感应强度和作动器电磁力的解析表达式。利用有限元分析软件分别对永磁体阵列和整个作动器进行静态电—磁耦合仿真分析,对建立的电磁理论模型进行了验证。在永磁体与线圈相互作用的电磁解析模型基础上,结合设计指标要求,初步确定了作动器的结构参数。然后建立作动器优化模型,以线圈质量最小、热耗最少为优化目标对作动器尺寸进行优化,得到了轻量化、低能耗、结构紧凑的作动器最优结构参数。依据设计结果研制了二自由度电磁作动器实验样机,提出了有效的重力补偿方式并开展了实验测试。通过作动器工作位移的实验测试验证了其达到的行程满足指标要求;通过磁感应强度和电磁力的实验测试验证了电磁解析模型的正确性以及作动器结构设计的合理性。
【关键词】：电磁作动器 二自由度 解析模型 优化设计 样机实验
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V423
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题来源9
• 1.2 课题的研究背景及意义9-10
• 1.3 电磁作动器发展现状10-15
• 1.3.1 单自由度电磁作动器发展现状10-13
• 1.3.2 二自由度电磁作动器发展现状13-15
• 1.4 电磁作动器电磁力建模方法研究现状15
• 1.5 国内外电磁作动器研究综述15-16
• 1.6 课题主要研究内容16-18
• 第2章 二自由度电磁作动器的构型设计18-27
• 2.1 引言18
• 2.2 永磁体阵列设计18-20
• 2.3 线圈布线设计20-21
• 2.4 二自由度电磁作动器总体构型设计21-25
• 2.4.1 作动器构型的设计22-23
• 2.4.2 作动器构型的确定23-25
• 2.5 本章小结25-27
• 第3章 二自由度电磁作动器电磁模型建立及仿真分析27-38
• 3.1 引言27
• 3.2 二自由度电磁作动器电磁模型的建立27-33
• 3.2.1 径向磁化永磁体磁场模型的建立27-30
• 3.2.2 轴向磁化永磁体磁场模型的建立30-31
• 3.2.3 二自由度电磁作动器电磁力模型的建立31-33
• 3.3 二自由度电磁作动器电磁模型的仿真分析33-36
• 3.3.1 电磁作动器磁场仿真分析33-34
• 3.3.2 电磁作动器电磁力仿真分析34-35
• 3.3.3 二自由度电磁作动器电磁模型的验证35-36
• 3.4 本章小结36-38
• 第4章 二自由度电磁作动器的结构设计及优化38-52
• 4.1 引言38
• 4.2 二自由度电磁作动器的结构设计38-44
• 4.2.1 永磁体材料的选择38-40
• 4.2.2 线圈材料的选择40-41
• 4.2.3 电磁作动器初始尺寸的确定41
• 4.2.4 电磁作动器参数的计算41-44
• 4.3 二自由度电磁作动器参数化模型的建立及优化44-51
• 4.3.1 永磁体参数化模型的建立及优化44-47
• 4.3.2 电磁作动器参数化模型的建立及优化47-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第5章 二自由度电磁作动器样机实验52-63
• 5.1 引言52
• 5.2 微重力模拟和作动器工作行程测试52-55
• 5.2.1 微重力模拟方法52-54
• 5.2.2 竖直方向行程测试54
• 5.2.3 水平方向行程测试54-55
• 5.3 电磁作动器磁感应强度测试55-57
• 5.4 电磁作动器电磁力测试57-62
• 5.4.1 竖直电磁力测试57-59
• 5.4.2 水平电磁力测试59-62
• 5.5 本章小结62-63
• 结论63-64
• 参考文献64-69
• 致谢69

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本文编号：951542