留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

洛伦兹力磁轴承磁密均匀度设计与分析

许国锋 蔡远文 任元 樊亚洪 孙津济 赵航

许国锋, 蔡远文, 任元, 等 . 洛伦兹力磁轴承磁密均匀度设计与分析[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(3): 559-566. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0194
引用本文: 许国锋, 蔡远文, 任元, 等 . 洛伦兹力磁轴承磁密均匀度设计与分析[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(3): 559-566. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0194
XU Guofeng, CAI Yuanwen, REN Yuan, et al. Design and analysis on uniformity of magnetic flux density in Lorentz force-type magnetic bearing[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(3): 559-566. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0194(in Chinese)
Citation: XU Guofeng, CAI Yuanwen, REN Yuan, et al. Design and analysis on uniformity of magnetic flux density in Lorentz force-type magnetic bearing[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(3): 559-566. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0194(in Chinese)

洛伦兹力磁轴承磁密均匀度设计与分析

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0194
基金项目: 

国家自然科学基金 51475472

详细信息
    作者简介:

    许国锋,男,博士研究生。主要研究方向:先进惯性控制技术

    蔡远文,男,博士,教授,博士生导师。主要研究方向:航天发射与测试

    任元,男,博士,讲师。主要研究方向:先进惯性测量与控制技术

    樊亚洪,男,博士,副研究员。主要研究方向:磁悬浮惯性执行机构控制

    通讯作者:

    任元, E-mail:renyuan823@aliyun.com

  • 中图分类号: V448.2;TJ761.7

Design and analysis on uniformity of magnetic flux density in Lorentz force-type magnetic bearing

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 51475472

  • 摘要:

    新型磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)高速转子具有万向偏转特性,可输出高精度和高带宽的偏转控制力矩,用于抑制天基平台的周期性振动。MSCSG采用5自由度(DOF)全主动控制,其径向2个扭动DOF的偏转控制由洛伦兹力磁轴承(LFMB)实现。基于LFMB的基本构型,建立电磁力和电磁力矩的数学模型,并分析出气隙磁密均匀度是影响输出力矩精度和角速率测量精度的主要因素。介绍了LFMB的优化设计结构,通过有限元仿真分析,结果表明所设计LFMB通过在内外永磁体表面增加1J50导磁薄片,能够有效提高气隙磁密分布的均匀度,输出控制力矩更加精确,有利于提高控制精度;通过使用梯形永磁体提供更大的供磁面积提高气隙磁密强度以降低功耗,同时梯形永磁体在转子高速旋转时便于限位,保证稳定性。本文研究可为具有偏转特性的磁悬浮类转子陀螺的设计与分析提供有益参考。

     

  • 图 1  MSCSG结构示意图

    Figure 1.  Structural schematic diagram of MSCSG

    图 2  MSCSG转子的万向偏转特性

    Figure 2.  Universal deflection characteristic of MSCSG rotor

    图 3  LFMB结构示意图

    Lr—定子半径;fx+x+向转子所受电磁力;fx-x-向转子所受电磁力;B—线圈位置气隙磁密;β—绕y轴的偏转角;α—绕x轴的偏转角;θ11—第1组线圈的起端角度;θ12—第1组线圈的末端角度;dθ—线圈微元;2Φ—线圈周向张角。

    Figure 3.  Structural schematic diagram of LFMB

    图 4  Ⅰ型LFMB机械结构

    Figure 4.  Mechanical structure of LFMBⅠ

    图 5  Ⅰ型LFMB磁密分布云与磁力线图

    Figure 5.  Graph of magnetic density cloud distribution and magnetic field line for LFMBⅠ

    图 6  Ⅰ型LFMB气隙中间位置的轴向磁密分布

    Figure 6.  Axial magnetic density distribution at middle of air gap for LFMBⅠ

    图 7  Ⅱ型LFMB磁密分布云与磁力线图

    Figure 7.  Graph of magnetic density cloud distribution and magnetic field line for LFMB Ⅱ

    图 8  Ⅲ型LFMB线圈部分结构

    Figure 8.  Structure of part near coil for LFMB Ⅲ

    图 9  Ⅲ型LFMB磁密分布云与磁力线图

    Figure 9.  Graph of magnetic density cloud distribution and magnetic field line for LFMB Ⅲ

    图 10  不同LFMB气隙中间位置的轴向磁密分布比较

    Figure 10.  Comparison of axial magnetic density distribution at middle of air gap for different LFMBs

    表  1  Ⅰ型LFMB主要参数

    Table  1.   Main parameters of LFMBⅠ

    参数 数值
    内永磁体内径/mm 103.4
    内永磁体外径/mm 111.4
    外永磁体内径/mm 124
    外永磁体外径/mm 132
    永磁体轴向长度/mm 11
    上下永磁体间轴向距离/mm 4
    线圈轴向长度/mm 8.5
    单个线圈沿周向张角/(°) 84
    单个线圈匝数 200
    槽满率/% 49
    单个线圈电阻/Ω 14.3
    内转子铁心磁密/T 1.2
    外转子铁心磁密/T 1.2
    气隙磁密幅值/T 0.516
    扭转输出1 N·m力矩时电流/A 0.6
    线圈铜耗/W 10.3
    下载: 导出CSV

    表  2  不同LFMB结构及其他性能比较

    Table  2.   Comparison of structure and other properties for different LFMBs

    LFMB结构 永磁体形状 是否添加导磁薄片 气隙磁密幅值/T 气隙磁密均匀度 安装稳定性
    Ⅰ型 矩形 0.516 0.7476
    Ⅱ型 矩形 0.438 0.8683
    Ⅲ型 梯形 0.462 0.8684
    Ⅳ型 梯形 0.528 0.7851
    下载: 导出CSV
  • [1] 余远金. 全主动磁悬浮飞轮转轴偏转控制方法及实验研究[D]. 北京: 北京航空航天大学, 2015.

    YU Y J.Study on the control method and experiment of the shaft tilting for the fully active magnetically suspended flywheel[D].Beijing:Beihang University, 2015(in Chinese).
    [2] FANG J C, ZHENG S Q, HANG B C.AMB vibration control for structural resonance of double-gimbal control moment gyro with high-speed magnetically suspended rotor[J].IEEE Transactions on Mechatronics, 2013, 18(1):32-43. doi: 10.1109/TMECH.2011.2161877
    [3] REN Y, FANG J C.Current-sensing resistor design to include current derivative in PWM H-bridge unipolar switching power amplifiers for magnetic bearings[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59(12):4590-4600. doi: 10.1109/TIE.2011.2179277
    [4] 解永春.磁悬浮动量轮的主动振动控制[J].航天控制, 2001(2):1-6. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KJKZ200002003.htm

    XIE Y C.Active vibration suppression for magnetically suspended momentum wheels[J].Aerospace Control, 2001(2):1-6(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KJKZ200002003.htm
    [5] 刘侃. 动量矩可偏置磁悬浮动量轮结构设计[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2005.

    LIU K.The structure design of magnetic suspension momentum wheel with deflection angular momentum[D].Changsha:National University of Defense Technology, 2005(in Chinese).
    [6] 房建成, 孙津济, 樊亚洪.磁悬浮惯性动量轮技术[M].北京:国防工业出版社, 2012:9-10.

    FANG J C, SUN J J, FAN Y H.Magnetically suspended inertial momentum wheel technology[M].Beijing:National Defense Industry Press, 2012:9-10(in Chinese).
    [7] BICHLER U, ECKARDT T.A gimbaled low noise momentum wheel[C]//27th Aerospace Mechanisms Symposium.1993, 1:181-196.
    [8] SAWADA H, HASHIMOTO T, NINOMIYA K.High-stability attitude control of satellites by magnetic bearing wheels[J].Transaction of the Japan Society for Aeronautical and Space Science, 2001, 44(145):133-141. doi: 10.2322/tjsass.44.133
    [9] ROSSINI L, CHETELAT O, ONILLON E, et al.Force and torque analytical models of a reaction sphere actuator based on spherical harmonic rotation and decomposition[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2013, 18(3):1006-1018. doi: 10.1109/TMECH.2012.2195501
    [10] SEDDON J, PECHEV A.3-D wheel:A single actuator providing three-axis control of satellites[J].Journal of Spacecraft and Rockets, 2012, 49(3):553-556. doi: 10.2514/1.A32039
    [11] 王春娥. 惯性执行机构用高承载比低功耗磁轴承设计方法与实验研究[D]. 北京: 北京航空航天大学, 2014.

    WANG C E.Design method and experimental research on high specific load capacity and low loss magnetic bearing in inertia actuator[D].Beijing:Beihang University, 2014(in Chinese).
    [12] JASTRZE BSKI R P, PÖLLÄNEN R.Compensation of nonlinearities in active magnetic bearings with variable force bias for zero-and reduced-bias operation[J].Mechatronics, 2009, 19(5):629-638. doi: 10.1016/j.mechatronics.2009.01.013
    [13] HAN F T, GAO Z Y, LI D M, et al.Nonlinear compensation of active electrostatic bearings supporting a spherical rotor[J].Sensors and Actuators A:Physical, 2005, 119(1):177-186. doi: 10.1016/j.sna.2004.08.030
    [14] CHEN M, KNOSPE C.Feedback linearization of active magnetic bearings:Current-mode implementation[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2005, 10(6):632-639. doi: 10.1109/TMECH.2005.859824
    [15] CHEN S, LIN F.Robust nonsingular terminal sliding-mode control for nonlinear magnetic bearing system[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2011, 19(3):636-643. doi: 10.1109/TCST.2010.2050484
    [16] GROCHMAL T, LYNCH A.Precision tracking of a rotating shaft with magnetic bearings by nonlinear decoupled disturbance observers[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2007, 15(6):1112-1121. doi: 10.1109/TCST.2006.890300
    [17] 刘彬, 房建成, 刘刚.一种磁悬浮陀螺飞轮方案设计与关键技术分析[J].航空学报, 2011, 32(8):1478-1487. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB201108013.htm

    LIU B, FANG J C, LIU G.Design of a magnetically suspended gyrowheel and analysis of key technologies[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2011, 32(8):1478-1487(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB201108013.htm
  • 加载中
图(10) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  873
  • HTML全文浏览量:  77
  • PDF下载量:  825
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2016-03-11
  • 录用日期:  2016-05-27
  • 网络出版日期:  2017-03-20

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答