新型微框架磁悬浮飞轮用洛伦兹力磁轴承


1. 文章研究主要问题:

微框架磁悬浮飞轮用磁阻力磁轴承存在偏转负力矩和洛伦兹力磁轴承气隙磁密均匀性较差。

2. 结论:

提出了一种基于球形转子的微框架磁悬浮飞轮, 介绍了其结构和工作原理,重点分析了洛伦兹力磁轴承。经过模型推导、方案设计、电磁设计,最终加工出洛伦兹力磁轴承和微框架磁悬浮飞轮,经过动态测试后,最终的测试结果与设计值具有很好的一致性。

3. 思想脉络:
3.0 引言
简要介绍了飞轮的用途,对比了机械飞轮和磁悬浮飞轮的特点,进而介绍了磁悬浮飞轮的三种类型(反作用飞轮、偏置动量轮、姿控储能两用飞轮),最后提出现有的三大类磁悬浮飞轮虽然输出力矩精度高,但力矩较小,无法满足XX姿态快速机动的要求。例举了人们为了克服磁悬浮飞轮力矩偏小的缺点而进行的三种采用磁阻力磁轴承悬浮支承的微框架磁悬浮飞轮方案。最后对这些方案进行评价,指出,这些方案悬浮磁力通过磁场预偏置的方式使其线性化,存在位移负刚度,控制精度较低的缺点。例举了三种采用洛伦兹力磁轴承支承的微框架磁悬浮飞轮方案。指出,洛伦兹力磁轴承具有线性度好和控制精度高的优点,但是其承载力低,地面工作时,需配备独立的卸载磁阻力磁轴承。例举了两种改进方案,第一种方案综合了磁阻力磁轴承承载力大和洛伦兹力磁轴承控制精度高的优点提出了两种磁轴承混合支承的微框架磁悬浮飞轮,第二种方案提高了磁阻力磁轴承的控制精度。指出混合支承的微框架磁悬浮飞轮是微框架磁悬浮飞轮的理想构型。又指出在此种构型下,由于飞轮偏转状态下, 磁阻力磁轴承柱壳和锥壳气隙的形状发生改变,导致气隙磁密不对称, 磁阻力磁轴承存在偏转负力矩,即平动悬浮会对偏转悬浮产生干扰,并且指出,由于洛伦兹力磁轴承决定了飞轮控制力矩带宽和力矩精度,因此洛伦兹力磁轴承是混合支承的微框架磁悬浮飞轮的关键部件。最后总结,文章的研究重点是:提出了一种混合支承的微框架磁悬浮飞轮,并且对洛伦兹力磁轴承进行了理论分析和方案比较,最后基于最优方案对其进行了详细实例设计。
3.1 微框架磁悬浮飞轮
3.1.1 飞轮结构与工作原理
提出了一种基于球面磁轴承的微框架磁悬浮飞轮,与现有微框架磁悬浮飞轮相比,可消除平动悬浮对偏转悬浮的干扰, 提高转子悬浮精度和输出力矩精度。
3.1.2 洛伦兹力磁轴承
指出洛伦兹力磁轴承是飞轮系统的关键部件,简要分析了洛伦兹力磁轴承的结构与控制原理。
3.2 洛伦兹力磁轴承分析(公式推导★)
3.2.1 磁路分析
绘制出了洛伦兹力磁轴承的等效磁路图,计算出了洛伦兹力磁轴承气隙内的磁通Φ,并最终根据磁通Φ计算出了对应位置的磁通密度B。
3.2.2 磁轴承数学模型
推导出了洛伦磁力磁轴承的扭转电流刚度和平动电流刚度。
3.3 磁轴承方案
由于洛伦兹力磁轴承的磁钢结构及其产生的磁动势直接决定气隙磁密大小和均匀度, 从影响磁轴承性能。因此本段对洛伦兹力磁轴承磁钢结构方案进行了详细的分析。提出了三种磁钢方案,并通过径向气隙磁密分布图进行比较,最终,文章研究的洛伦兹力磁轴承选用了球面梯形磁钢方案。
3.4 实例设计
根据第二部分以及第三部分知,在洛伦兹力球面磁轴承中,磁钢边角大小决定了磁路边缘效应,影响绕组边缘磁密的大小和均匀性;隔磁环长度决定未穿过绕组漏磁磁通;磁钢磁化长度决定磁动势大小,影响绕组区域磁密的强弱。因此文章这一部分,从上述三个角度对洛伦兹力磁轴承进行电磁性能分析。
3.5 磁密测试实验
做实验。
3.6 结论
提出结论。
4. 自己的总结、评价:
4.1 飞轮的类型

新型微框架磁悬浮飞轮用洛伦兹力磁轴承

4.2 总结
针对微框架磁悬浮飞轮用磁阻力磁轴承存在偏转负力矩和洛伦兹力磁轴承气隙磁密均匀性较差的缺点, 提出了一种基于球形转子的微框架磁悬浮飞轮,介绍了其结构、工作原理和洛伦兹力磁轴承方案。采用等效磁路法建立了洛伦兹力磁轴承磁路数学模型, 得到了其径向偏转力矩和轴向平动悬浮力。利用电磁场数值分析法, 对三种洛伦兹力磁轴承方案的磁密和磁通进行比较分析, 得到了最优的球面梯形磁钢方案。在此基础上, 结合15Nms 微框架磁悬浮飞轮技术指标, 对磁轴承进行了详细实例设计。根据设计结果研制了一台微框架磁悬浮飞轮, 并利用线性磁密霍尔对磁轴承气隙磁密进行动态测试。测试结果与优化结果一致, 对微框架磁悬浮飞轮系统整体设计具有重要意义。即利用球面磁轴承和球形转子的设计解决了磁阻力磁轴承存在偏转负力矩的问题,利用洛伦兹力磁轴承的球面梯形磁钢方案解决了洛伦兹力磁轴承气隙磁密均匀性较差的问题。
5. 改进:
6. 读完文献后产生的疑问:
偏转负力矩反作用飞轮偏置动量轮永磁环导磁环磁动势永磁磁阻等效磁路磁钢矫顽力磁化长度耦合扭转电流刚度平动电流刚度磁路边缘效应隔磁环磁导率

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