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基于微平面电机的姿控飞轮系统设计

作　者: 张磊
导　师: 吴一辉
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 姿控飞轮平面永磁无刷直流电机结构设计有限元分析实验研究
分类号: V448.22
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

飞轮系统是卫星姿态控制系统常用的执行机构,以常规直流无刷电机为主体的飞轮存在体积大、功耗大、精度低等问题,无法用于微小型卫星。为了实现飞轮系统的轻量化、减小飞轮系统的功耗,本文采用微型平面电机作为飞轮的驱动电机,围绕姿控飞轮系统的设计过程、可靠性检验、仿真分析、绕组线圈改进和样机实验研究等问题,对姿控飞轮进行了系统的研究。本文的主要工作如下：论文阐述了飞轮系统进行姿态调整的原理,设计了飞轮系统的整体结构；利用Maxwell软件对飞轮系统的气隙磁场进行了仿真,分析确定了磁路的相关参数；完成定子线圈的设计,并确定了绕组的具体参数。利用有限元软件ANSYS对姿控飞轮系统的结构进行了静力学分析和模态分析,验证了工作时应力、应变和转速都在安全范围内；利用Matlab对飞轮系统进行了机械特性仿真,得到了飞轮系统运行特性；利用仿真得到的数据,分析了飞轮系统产生损耗的因素及损耗的大小；对飞轮系统进行了热分析,得到了飞轮稳定工作时温度场的分布,最高温升位于绕组线圈,为9.9℃。论文针对反向转矩较大的现象,重新设计了绕组线圈的形状,可有效降低飞轮损耗；加工制造了飞轮系统样机,总质量为1.14Kg,体积为Φ92mm×67mm,符合轻量化的要求：分别在真空／空气条件下对飞轮样机进行实验分析,在5000rpm时,功耗为9W,摩擦转矩为14.2mNm,满足低功耗的要求；飞轮样机的运行特性与仿真结果基本一致,验证了设计过程的正确。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-11
第1章绪论  11-21
  1.1 课题的研究背景和意义  11-12
  1.2 国内外研究发展现状  12-19
  1.3 本文的主要研究内容  19-21
第2章姿控飞轮系统的研究设计  21-37
  2.1 引言  21
  2.2 飞轮系统的原理  21-23
  2.3 飞轮系统的机械结构设计  23-26
  2.4 姿控飞轮的磁路参数设计  26-29
  2.5 姿控飞轮的定子设计  29-36
  2.6 本章小结  36-37
第3章姿控飞轮的仿真分析  37-52
  3.1 引言  37
  3.2 飞轮机械结构的仿真分析  37-45
  3.3 飞轮电机运行特性仿真  45-50
  3.4 本章小结  50-52
第4章姿控飞轮系统功耗分析与热分析  52-71
  4.1 引言  52
  4.2 飞轮产生损耗的因素  52-62
  4.3 姿控飞轮的热分析  62-70
  4.4 本章小结  70-71
第5章姿控飞轮的改进与实验分析  71-80
  5.1 引言  71
  5.2 绕组的改进  71-72
  5.3 姿控飞轮系统的实验分析  72-79
  5.4 本章小结  79-80
第6章结论和展望  80-82
  6.1 本文结论  80-81
  6.2 研究展望  81-82
参考文献  82-85
在学期间学术成果情况  85-86
指导教师及作者简介  86-87
致谢  87

基于微平面电机的姿控飞轮系统设计

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