磁懸浮控制力矩陀螺結構設計與動力學分析.pdf

1、控制力矩陀螺（Control Moment Gyroscope，CMG）是大型航天器及快速機動衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的主要執(zhí)行機構。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)關鍵組件結構優(yōu)化設計、磁軸承支承特性、系統(tǒng)動力學特性和轉子不平衡振動及其抑制等方面，進行了較為系統(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，總結了空間用磁懸浮飛輪常用構型，并對比

2、分析了各種構型的優(yōu)缺點。選擇四軸主動型結構作為本文SGCMG磁懸浮飛輪構型，確定了SGCMG系統(tǒng)總體結構形式。
　　2、對磁懸浮SGCMG關鍵組件進行了結構優(yōu)化設計和力學校核。采用序列二次規(guī)劃法對飛輪轉子組件進行了結構優(yōu)化設計；考慮高速離心載荷作用，設計了多層嵌套轉子組件各配合面的過盈量，計算了轉子組件在額定轉速下的應力和位移分布情況；計算了不同轉速下轉子組件的模態(tài)振型及固有頻率。采用解析方法對飛輪定子組件進行了結構優(yōu)化設計，對優(yōu)

3、化設計的定子組件利用有限元法進行了剛度校核。對SGCMG陀螺房進行了動力學、靜力學和穩(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基本結構和工作原理，基于等效磁路采用迭代法分別設計了RHMB永磁磁路和電磁磁路結構參數(shù)。基于建立的RHMB永磁和電磁等效磁路，分別采用積分法和傳統(tǒng)線性近似法計算了RHMB

4、氣隙磁阻、磁通密度分布和轉子受力。采用有限元法計算了RHMB磁場分布及徑向磁力，分析了通道間磁通和磁力耦合情況。分析了RHMB軸向和傾斜被動穩(wěn)定機理，分別采用等效磁路法和有限元法計算了RHMB軸向被動回復力和傾斜被動回復力矩及軸向和傾斜被動回復剛度，研究了結構參數(shù)對軸向和傾斜被動穩(wěn)定特性的影響。
　　4、研究了磁懸浮SGCMG動力學特性。采用拉格朗日方法推導了磁懸浮SGCMG框架-飛輪系統(tǒng)運動微分方程。研究了飛輪轉子進動的基本振型

5、，分別計算了框架固定和自由時飛輪轉子進動頻率隨轉速變化情況，分析了框架對轉子進動頻率和臨界轉速的影響。研究了磁懸浮SGCMG動框架效應，提出了基于框架角速率前饋補償?shù)膭涌蚣苄种品椒ú⑦M行了仿真驗證，研究了模型參數(shù)準確性和框架速率信號滯后對前饋校正效果的影響。
　　5、研究了磁懸浮SGCMG飛輪轉子不平衡響應及抑制方法。分析了剛性轉子不平衡狀態(tài)，建立了SGCMG磁懸浮飛輪不平衡強迫振動微分方程。研究了磁懸浮飛輪徑向平動和轉動不平