磁悬浮惯性执行机构用新型永磁偏置及永磁被动磁轴承研究

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磁悬浮惯性执行机构是高精度、长寿命航天器姿态控制的核心部件。磁悬浮惯性执行机构对磁轴承的基本要求是大力矩、高精度、低功耗、高可靠。本文立足于永磁偏置磁轴承、永磁被动磁轴承的设计，主要围绕磁悬浮动量轮大力矩低功耗、磁悬浮反作用飞轮高可靠低功耗、磁悬浮控制力矩陀螺大力矩低功耗高可靠等多方面需求展开研究。在大量磁悬浮惯性执行机构工程样机用永磁偏置磁轴承的设计与实验研究的基础上，分析了电流刚度与位移刚度，电感与电流刚度，最大承载力与最大铁心负载力等永磁偏置磁轴承关键指标之间的关系，总结了永磁偏置磁轴承的基本设计方法。以此为基础，就永磁偏置磁轴承磁路耦合特性、永磁偏置磁轴承旋转损耗、永磁被动磁轴承旋转损耗、磁轴承模块化拓扑设计等四个方面进行了深入研究。为解决传统永磁偏置磁轴承磁路耦合特性影响磁轴承系统精度的题目，特别是磁路耦合引起的转子大偏移时磁轴承性能剧烈变化的题目，提出了基于偏置磁通耦合度、控制磁通耦合度的永磁偏置磁轴承磁路耦合分析方法和基于等效磁路的永磁偏置磁轴承的磁路解耦设计方法。通过磁路耦合分析，建立了磁路模型与磁路耦合程度之间的解析表达式联系，定量分析了磁路耦合度对决定飞轮微动框架性能的偏置力变化率、电流刚度变化率、最大承载力等磁轴承性能指标的影响，为解析分析和评价磁轴承的磁路耦合特性及其对磁轴承性能的影响提供了一条理论途径；根据磁路解耦设计方法设计了多种偏转控制通道解耦的轴向力偏转永磁偏置磁轴承，满足了大力矩磁悬浮动量轮的需求。为解决高速磁悬浮转子旋转损耗大的题目，提出了2极永磁偏置径向磁轴承，通过减小转子铁心表面磁场波动频率以减小旋转损耗。提出了一种基于Bertotti损耗模型的磁轴承旋转损耗实验分离方法，验证了2极永磁偏置径向磁轴承相比传统4极永磁偏置径向磁轴承降低旋转损耗接近50%。为解决轴向力偏转永磁偏置磁轴承磁极分瓣导致旋转损耗显著的题目，提出了基于纳米晶卷绕叠层的组合式转子铁心，在某型号磁悬浮反作用飞轮样机上降低整机旋转功耗57%以上。为解决大直径的传统永磁被动磁轴承采用拼块稀土永磁高速下旋转损耗大的题目，提出了基于低矫顽力永磁的整体磁体吸力型永磁被动轴向磁轴承，消除了磁体拼块带来的高频磁场波动，降低了旋转损耗，偏转刚度高，利于飞轮整体结构优化；实验表明，所设计的整体磁体永磁被动轴向磁轴承满足了大角动量两轴主动磁悬浮反作用飞轮的指标需求。为了进一步提高被动刚度，提出了稀土永磁稳磁、低矫顽力永磁作主磁体的组合磁体吸力型永磁被动轴向磁轴承结构，利用稀土永磁为低矫顽力永磁提供稳定磁场，利用整环低矫顽力永磁叠层均匀拼块稀土永磁的波动磁场并削弱旋转涡流损耗，实验表明可同时满足磁悬浮控制力矩陀螺大力矩与低功耗指标。提出了永磁偏置、永磁被动磁轴承的模块化拓扑设计方法。在完善了通道体系（提出了力矩通道与被动通道的概念）、归纳了通道与永磁体拓扑关系的基础上，兼顾磁路耦合、偏转构型、主被动构型、集成度、结构冗余-容错等方面性能，总结了永磁偏置磁轴承、永磁被动磁轴承的模块化设计基本方法，包含了磁轴承构型的全局设计与磁轴承的局部设计。提出了永磁偏置磁轴承拓扑同构设计的概念，通过对新型嵌环式永磁偏置径向磁轴承与传统永磁偏置径向磁轴承对比分析，表明了拓扑同构与性能变化的关系，为通过结构拓扑变化获得所需性能提供了解决途径。构建了永磁偏置磁轴承基本图谱，提供了对已有永磁偏置磁轴承的全息认识。