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磁悬浮控制力矩陀螺结构设计与动力学分析

2020-12-28阅读(614)

磁悬浮控制力矩陀螺结构设计与动力学分析

论文摘要

控制力矩陀螺（Control Moment Gyroscope,CMG）是大型航天器及快速机动卫星姿态控制系统的主要执行机构。本文围绕一种空间站用大型磁悬浮单框架控制力矩陀螺（Single Gimbal CMG,SGCMG）,从系统关键组件结构优化设计、磁轴承支承特性、系统动力学特性和转子不平衡振动及其抑制等方面,进行了较为系统和全面地研究,主要完成了如下工作:1、概述了CMG基本理论,总结了空间用磁悬浮飞轮常用构型,并对比分析了各种构型的优缺点。选择四轴主动型结构作为本文SGCMG磁悬浮飞轮构型,确定了SGCMG系统总体结构形式。2、对磁悬浮SGCMG关键组件进行了结构优化设计和力学校核。采用序列二次规划法对飞轮转子组件进行了结构优化设计;考虑高速离心载荷作用,设计了多层嵌套转子组件各配合面的过盈量,计算了转子组件在额定转速下的应力和位移分布情况;计算了不同转速下转子组件的模态振型及固有频率。采用解析方法对飞轮定子组件进行了结构优化设计,对优化设计的定子组件利用有限元法进行了刚度校核。对SGCMG陀螺房进行了动力学、静力学和稳定性分析。3、采用等效磁路法和有限元法研究了SGCMG飞轮用径向混合磁轴承（Radial Hybrid Magnetic Bearing,RHMB）支承特性。介绍了RHMB基本结构和工作原理,基于等效磁路采用迭代法分别设计了RHMB永磁磁路和电磁磁路结构参数。基于建立的RHMB永磁和电磁等效磁路,分别采用积分法和传统线性近似法计算了RHMB气隙磁阻、磁通密度分布和转子受力。采用有限元法计算了RHMB磁场分布及径向磁力,分析了通道间磁通和磁力耦合情况。分析了RHMB轴向和倾斜被动稳定机理,分别采用等效磁路法和有限元法计算了RHMB轴向被动回复力和倾斜被动回复力矩及轴向和倾斜被动回复刚度,研究了结构参数对轴向和倾斜被动稳定特性的影响。4、研究了磁悬浮SGCMG动力学特性。采用拉格朗日方法推导了磁悬浮SGCMG框架-飞轮系统运动微分方程。研究了飞轮转子进动的基本振型,分别计算了框架固定和自由时飞轮转子进动频率随转速变化情况,分析了框架对转子进动频率和临界转速的影响。研究了磁悬浮SGCMG动框架效应,提出了基于框架角速率前馈补偿的动框架效应抑制方法并进行了仿真验证,研究了模型参数准确性和框架速率信号滞后对前馈校正效果的影响。5、研究了磁悬浮SGCMG飞轮转子不平衡响应及抑制方法。分析了刚性转子不平衡状态,建立了SGCMG磁悬浮飞轮不平衡强迫振动微分方程。研究了磁悬浮飞轮径向平动和转动不平衡响应,分析了不平衡振动对陀螺力矩的影响。介绍了不平衡振动主动控制的基本原理,提出了“广义凹陷滤波”+“位移刚度力补偿”的不平衡振动主动抑制方法并进行了仿真验证。研究了模型参数误差对不平衡振动抑制效果的影响。

论文目录

  • 缩略词表
  • 符号表
  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 选题背景及意义
  • 1.1.1 磁悬浮SGCMG需求分析
  • 1.1.2 CMG研究现状
  • 1.1.3 磁悬浮飞轮研究现状
  • 1.1.4 本文研究目的
  • 1.2 相关技术研究综述
  • 1.2.1 磁悬浮飞轮转子结构优化设计
  • 1.2.2 磁轴承结构设计
  • 1.2.3 磁悬浮飞轮系统与基础耦合振动
  • 1.2.4 不平衡振动控制技术
  • 1.3 论文研究思路及主要内容
  • 1.3.1 论文研究思路
  • 1.3.2 论文主要内容及组织结构
  • 第二章 CMG概述及磁悬浮飞轮构型选择
  • 2.1 CMG概述
  • 2.1.1 CMG基本组成、分类及优点
  • 2.1.2 CMG力矩输出原理
  • 2.1.3 SGCMG力矩放大原理
  • 2.2 磁悬浮飞轮构型分析与选择
  • 2.2.1 空间用磁悬浮飞轮构型
  • 2.2.2 磁悬浮SGCMG飞轮构型选择
  • 2.3 本章小结
  • 第三章 磁悬浮SGCMG关键组件结构优化设计
  • 3.1 转子结构优化设计
  • 3.1.1 结构优化设计
  • 3.1.2 静力学分析
  • 3.1.3 动力学分析
  • 3.2 定子结构优化设计
  • 3.2.1 问题简化
  • 3.2.2 定子轴刚度约束
  • 3.2.3 定子轴强度约束
  • 3.2.4 优化设计
  • 3.2.5 刚度校核
  • 3.3 陀螺房结构设计
  • 3.3.1 基本结构及设计要求
  • 3.3.2 动力学分析
  • 3.3.3 静力学分析
  • 3.3.4 稳定性分析
  • 3.4 本章小结
  • 第四章 磁悬浮SGCMG磁轴承支承特性分析
  • 4.1 磁轴承结构设计与径向承载特性
  • 4.1.1 基本结构与工作原理
  • 4.1.2 基于EMCM的磁场与径向磁力计算
  • 4.1.3 基于FEM的磁场与径向磁力计算
  • 4.1.4 漏磁系数计算
  • 4.2 磁轴承轴向被动稳定特性分析
  • 4.2.1 有限元模型试验验证
  • 4.2.2 结构参数对轴向被动稳定特性的影响
  • 4.2.3 基于EMCM的轴向力计算
  • 4.3 磁轴承倾斜被动稳定特性分析
  • 4.3.1 倾斜被动稳定机理
  • 4.3.2 基于EMCM的倾斜被动回复力矩计算
  • 4.3.3 基于FEM的被动回复力矩计算模型验证
  • 4.3.4 结构参数对倾斜被动稳定特性的影响
  • 4.4 本章小结
  • 第五章 磁悬浮SGCMG动力学特性研究
  • 5.1 运动微分方程
  • 5.1.1 坐标系
  • 5.1.2 转子角速度
  • 5.1.3 转子动量矩
  • 5.1.4 运动微分方程
  • 5.2 框架对系统频率特性的影响
  • 5.2.1 频率方程
  • 5.2.2 进动频率及振型
  • 5.3 动框架效应及抑制
  • 5.3.1 动框架效应
  • 5.3.2 动框架效应抑制
  • 5.4 本章小结
  • 第六章 磁悬浮SGCMG飞轮不平衡响应及抑制
  • 6.1 不平衡状态及不平衡振动微分方程
  • 6.1.1 刚性转子的不平衡状态
  • 6.1.2 不平衡振动微分方程
  • 6.2 不平衡响应
  • 6.2.1 径向平动不平衡响应
  • 6.2.2 径向转动不平衡响应
  • 6.2.3 磁轴承坐标系中不平衡响应
  • 6.2.4 不平衡振动对陀螺力矩的影响
  • 6.3 不平衡振动主动抑制
  • 6.3.1 基本原理
  • 6.3.2 补偿方法
  • 6.3.3 仿真验证
  • 6.3.4 模型参数的影响
  • 6.4 本章小结
  • 第七章 结论与展望
  • 7.1 结论
  • 7.2 展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 作者在学期间取得的学术成果

    • 相关论文文献

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