一種新型反作用飛輪的設(shè)計(jì)與仿真

全春樓 寧蜀悅

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一種新型反作用飛輪的設(shè)計(jì)與仿真

全春樓 寧蜀悅

（深圳航天科技創(chuàng)新研究院，深圳518057）

為了減小傳統(tǒng)反作用飛輪的軸向長度，增強(qiáng)反作用飛輪的壽命和抗沖擊能力，設(shè)計(jì)了一種新型的超薄磁懸浮反作用飛輪。采用軸向磁通的永磁電機(jī)替代傳統(tǒng)的徑向磁通的永磁電機(jī)技術(shù)，達(dá)到減小飛輪的軸向長度；采用磁懸浮技術(shù)，達(dá)到增強(qiáng)飛輪的壽命和抗沖擊能力。另外，對(duì)設(shè)計(jì)的新型反作用飛輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單介紹。最后，對(duì)飛輪輪體的固有頻率、輪體的最小安全系數(shù)進(jìn)行了仿真與校核，驗(yàn)證了此方案的可行性。

軸向磁通；磁懸浮；反作用飛輪；仿真

1 引言

衛(wèi)星廣泛用于科學(xué)探測和研究、天氣預(yù)報(bào)、通信、導(dǎo)航等各個(gè)領(lǐng)域。反作用飛輪系統(tǒng)是衛(wèi)星姿態(tài)控制的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它通過改變轉(zhuǎn)速的大小和矢量方向?qū)πl(wèi)星產(chǎn)生控制作用，調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)，保證衛(wèi)星運(yùn)行的可靠性和長壽命[1]。由于飛輪質(zhì)量減小可使發(fā)射費(fèi)用降低或者增加衛(wèi)星有效載荷，提高整星利用程度。所以在設(shè)計(jì)飛輪過程中需要盡量減小飛輪的質(zhì)量和體積。同時(shí)為了滿足衛(wèi)星長時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，需要提高飛輪的安全性及壽命。

2 飛輪結(jié)構(gòu)

1—軸承組件 2—轉(zhuǎn)子組件 3—定子 4—磁鋼 5—上殼體 6—下殼體 7—控制板組件

目前國內(nèi)傳統(tǒng)的飛輪通常由轉(zhuǎn)子組件、磁鋼、定子組成的徑向磁通的永磁電機(jī)、控制部分及殼體組成。傳統(tǒng)飛輪結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[2]。

傳統(tǒng)飛輪采用徑向磁通的永磁電機(jī)，飛輪的軸向比較長，體積較大，空間利用率比較低。本文設(shè)計(jì)的磁懸浮超薄飛輪的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由轉(zhuǎn)子、定子、電機(jī)磁鋼、磁懸浮磁鋼、殼體、壓蓋、軸及軸承等組成。飛輪電機(jī)在飛輪的外邊緣，由印制電路板驅(qū)動(dòng)雙側(cè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。飛輪的外殼分為上下兩個(gè)，分別在外殼與轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)部分貼上相互排斥的磁鋼，形成飛輪的磁懸浮結(jié)構(gòu)。這種扁平式的飛輪結(jié)構(gòu)，減小了電機(jī)的軸向尺寸，結(jié)構(gòu)緊湊，空間利用率高，飛輪的壽命和抗沖擊能力強(qiáng)。

1—磁懸浮磁鋼 2—轉(zhuǎn)子 3—定子 4—電機(jī)磁鋼 5—?dú)んw 6—磁懸浮磁鋼 7—壓蓋 8—軸 9—軸承

3 飛輪輪體設(shè)計(jì)

磁懸浮超薄飛輪輪體主要由兩個(gè)轉(zhuǎn)子、電機(jī)磁鋼、磁懸浮磁鋼及軸組成。本文主要研究飛輪輪體、磁鋼結(jié)構(gòu)及材料、輪體的固有頻率、輪體的最小安全系數(shù)。

3.1 飛輪輪體的材料選擇

飛輪輪體為了獲得高的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/質(zhì)量，在滿足使用條件的情況下，需要選用最大許用應(yīng)力與密度之比值高的材料。飛輪輪體零件的材料表見表1。

表1 飛輪輪體零件材料表

3.2 飛輪輪體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

飛輪輪體是飛輪的主要執(zhí)行部件，其尺寸大小和結(jié)構(gòu)基本上決定了飛輪的整體尺寸和結(jié)構(gòu)。在角動(dòng)量和角速度給定的情況下，輪體的質(zhì)量反比于輪體等效回轉(zhuǎn)半徑的平方。

這樣，需找出一個(gè)值，使其滿足給定角動(dòng)量和轉(zhuǎn)速的要求，使輪體質(zhì)量最小[3]。

輪體的材料確認(rèn)以后，根據(jù)產(chǎn)品要求的角動(dòng)量及額定角速度計(jì)算出飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式：=/；再根據(jù)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)輪體的質(zhì)量分布做出最優(yōu)布局。

——輪體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；——飛輪的角速度；i——?jiǎng)傮w的某個(gè)質(zhì)元的質(zhì)量；——該質(zhì)元到轉(zhuǎn)軸的垂直距離。

在飛輪的角動(dòng)量（≥4Nms）和角速度（5000r/min）一定的情況下，需要綜合磁懸浮結(jié)構(gòu)、電機(jī)結(jié)構(gòu)等來調(diào)整飛輪的輪體半徑及質(zhì)量分布以滿足飛輪強(qiáng)度合格、空間布局合理、飛輪質(zhì)量較小的要求。

由于固定的氣隙長度，磁環(huán)的寬度決定了磁環(huán)間斥力大小，磁環(huán)間斥力大小隨著磁環(huán)寬度的增加有一個(gè)峰值，然后再慢慢減小[4]。根據(jù)這個(gè)結(jié)論，可以選出磁環(huán)寬度的最優(yōu)值。此外，根據(jù)磁場強(qiáng)度及漏磁對(duì)轉(zhuǎn)子鐵芯的厚度選出最優(yōu)值。

圖3 飛輪輪體結(jié)構(gòu)圖

在設(shè)計(jì)飛輪輪體過程中，確定磁懸浮部分結(jié)構(gòu)后,再確定電機(jī)部分的結(jié)構(gòu)尺寸。設(shè)計(jì)中用SolidWorks軟件進(jìn)行三維模擬，經(jīng)過多次模擬仿真，最終得到最優(yōu)輪體結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

2.3 飛輪輪體的固有頻率校核

飛輪輪體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以后，需要對(duì)輪體的固有頻率進(jìn)行校核。根據(jù)成熟衛(wèi)星型號(hào)建造規(guī)范的要求，衛(wèi)星上單機(jī)的一階固有頻率要求大于70Hz。設(shè)計(jì)過程中用SolidWorks軟件對(duì)飛輪輪體進(jìn)行一階固有頻率模擬計(jì)算[5]。在工作轉(zhuǎn)速（5000r/min）下，飛輪輪體一階固有頻率模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 輪體一階固有頻率

從模擬結(jié)果可以看出，輪體的一階固有頻率為950Hz，大于衛(wèi)星上單機(jī)的一階固有頻率要求，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 飛輪輪體的安全系數(shù)校核

當(dāng)飛輪旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，飛輪輪體受到離心力，需要對(duì)輪體進(jìn)行應(yīng)力校核。校核過程中用輪體的最大角速度（max6000r/min）進(jìn)行校核[5]。輪體安全系數(shù)模擬圖是用SolidWorks軟件進(jìn)行的仿真模擬結(jié)果，如圖5所示。輪體的安全系數(shù)為2.5，大于最小安全系數(shù)1。滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 輪體安全系數(shù)模擬圖

3 飛輪的實(shí)物模型及應(yīng)用分析

超薄磁懸浮反作用飛輪實(shí)物圖見圖6。相比傳統(tǒng)飛輪，超薄磁懸浮反作用飛輪縮小了飛輪的在衛(wèi)星中的空間占用率。可增加整個(gè)衛(wèi)星的有效載荷或縮小整個(gè)衛(wèi)星的體積，降低衛(wèi)星的發(fā)射成本。同時(shí)磁懸浮飛輪作為一種新型的衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)，在功耗、抗沖擊力等方面比傳統(tǒng)飛輪具有更高的性能，對(duì)改進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)系統(tǒng)的姿態(tài)控制有積極的作用。該飛輪目前還有一些不足之處需要后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，如飛輪的抽真空問題，及磁懸浮浮力引起的一些飛輪動(dòng)平衡問題。

圖6 超薄磁懸浮反作用飛輪實(shí)物圖

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)飛輪采用徑向磁通的永磁電機(jī)相比，本文提出了一種新思路：用印制電路板繞組技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機(jī)定子繞組技術(shù)研制出雙轉(zhuǎn)子、單定子的軸向磁通永磁電機(jī)。同時(shí)采用大面積的磁懸浮技術(shù)，提高飛輪的壽命和抗沖擊能力。此外，本文對(duì)飛輪的主要執(zhí)行部件輪體的材料、結(jié)構(gòu)、固有頻率及安全系數(shù)進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了此方案的可行性，后續(xù)還要對(duì)飛輪進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。

1 包晗，武俊峰，吳一輝. 反作用飛輪的可靠性研究[J]. 微電機(jī)，2014，47(12)：6～11

2 姜寧翔，許辰，孫丹，等. 微型反作用飛輪技術(shù)[J]. 上海航天，2013(4)：90～96

3 屠善澄. 衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與控制(4)[M]. 北京：中國宇航出版社，2006

4 王孝偉，李云，汪云濤. 一種超薄反作用飛輪的大面積磁懸浮結(jié)構(gòu)分析[J]. 宇航學(xué)報(bào)，2016，37(6)：753～758

5 宋紅年. 飛輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法探討[J]. 柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2015，21(3)：17～20

Design and Simulation for A New Type of Flywheel

Quan Chunlou Ning Shuyue

(Shenzhen Academy of Aerospace Technology, Shenzhen 518057)

In order to reduce the axial length of the conventional reaction flywheel and to enhance the life and shock resistance of the reaction flywheel, a new type of ultra thin magnetic suspension reaction flywheel is designed. The new type of reaction flywheel uses the axial flux permanent magnet motor instead of the traditional radial flux permanent magnet motor to reduce the axial length of the flywheel; the new type of reaction flywheel adopts magnetic suspension technology to enhance the life and shock resistance of the flywheel. In addition, the structure of the new type of reaction flywheel is introduced briefly. Finally, the natural frequency and the minimum safety factor of the wheel body are simulated and checked, and the feasibility of the scheme is verified.

axial flux；magnetic suspension；reaction flywheel；simulation

全春樓（1988），工程師，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)；研究方向：航天反作用飛輪的結(jié)構(gòu)。

2017-08-30