磁懸浮控制力矩陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)分析.pdf

1、控制力矩陀螺（Control Moment Gyroscope，CMG）是大型航天器及快速機(jī)動(dòng)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本文圍繞一種空間站用大型磁懸浮單框架控制力矩陀螺（Single Gimbal CMG，SGCMG），從系統(tǒng)關(guān)鍵組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、磁軸承支承特性、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性和轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)及其抑制等方面，進(jìn)行了較為系統(tǒng)和全面地研究，主要完成了如下工作：
　　1、概述了CMG基本理論，總結(jié)了空間用磁懸浮飛輪常用構(gòu)型，并對(duì)比

2、分析了各種構(gòu)型的優(yōu)缺點(diǎn)。選擇四軸主動(dòng)型結(jié)構(gòu)作為本文SGCMG磁懸浮飛輪構(gòu)型，確定了SGCMG系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)形式。
　　2、對(duì)磁懸浮SGCMG關(guān)鍵組件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和力學(xué)校核。采用序列二次規(guī)劃法對(duì)飛輪轉(zhuǎn)子組件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；考慮高速離心載荷作用，設(shè)計(jì)了多層嵌套轉(zhuǎn)子組件各配合面的過盈量，計(jì)算了轉(zhuǎn)子組件在額定轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力和位移分布情況；計(jì)算了不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子組件的模態(tài)振型及固有頻率。采用解析方法對(duì)飛輪定子組件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)優(yōu)

3、化設(shè)計(jì)的定子組件利用有限元法進(jìn)行了剛度校核。對(duì)SGCMG陀螺房進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)和穩(wěn)定性分析。
　　3、采用等效磁路法和有限元法研究了SGCMG飛輪用徑向混合磁軸承（Radial Hybrid Magnetic Bearing，RHMB）支承特性。介紹了RHMB基本結(jié)構(gòu)和工作原理，基于等效磁路采用迭代法分別設(shè)計(jì)了RHMB永磁磁路和電磁磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)?；诮⒌腞HMB永磁和電磁等效磁路，分別采用積分法和傳統(tǒng)線性近似法計(jì)算了RHMB

4、氣隙磁阻、磁通密度分布和轉(zhuǎn)子受力。采用有限元法計(jì)算了RHMB磁場(chǎng)分布及徑向磁力，分析了通道間磁通和磁力耦合情況。分析了RHMB軸向和傾斜被動(dòng)穩(wěn)定機(jī)理，分別采用等效磁路法和有限元法計(jì)算了RHMB軸向被動(dòng)回復(fù)力和傾斜被動(dòng)回復(fù)力矩及軸向和傾斜被動(dòng)回復(fù)剛度，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軸向和傾斜被動(dòng)穩(wěn)定特性的影響。
　　4、研究了磁懸浮SGCMG動(dòng)力學(xué)特性。采用拉格朗日方法推導(dǎo)了磁懸浮SGCMG框架-飛輪系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程。研究了飛輪轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)的基本振型

5、，分別計(jì)算了框架固定和自由時(shí)飛輪轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)頻率隨轉(zhuǎn)速變化情況，分析了框架對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)頻率和臨界轉(zhuǎn)速的影響。研究了磁懸浮SGCMG動(dòng)框架效應(yīng)，提出了基于框架角速率前饋補(bǔ)償?shù)膭?dòng)框架效應(yīng)抑制方法并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，研究了模型參數(shù)準(zhǔn)確性和框架速率信號(hào)滯后對(duì)前饋校正效果的影響。
　　5、研究了磁懸浮SGCMG飛輪轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)及抑制方法。分析了剛性轉(zhuǎn)子不平衡狀態(tài)，建立了SGCMG磁懸浮飛輪不平衡強(qiáng)迫振動(dòng)微分方程。研究了磁懸浮飛輪徑向平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)不平