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主被动DGMSCMG新型阻尼可控的集2DOF/4DOF功能一体化的磁轴承系统关键技术研究
结题报告
批准号:
51575025
项目类别:
面上项目
资助金额:
65.0 万元
负责人:
孙津济
依托单位:
学科分类:
E0506.机械设计学
结题年份:
2019
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
文通、乐韵、许士磊、张寅、彭聪、黄梓嫄、刘超
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中文摘要
主被动双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)能够满足高分辨率对地观测卫星所需快速机动、低功耗与小体积的要求。针对主被动DGMSCMG存在的动框架效应问题以及被动磁轴承阻尼小且不可控问题,提出了一种新型阻尼可控的两自由度(2DOF)/四自由度(4DOF)功能一体化的磁轴承结构,其被动部分和阻尼部分的定转子磁极共用且位于轴承中部,用以提供被动轴向力和径向偏转力,主动部分的定转子磁极位于轴承两端,可提供主动径向偏转力,永磁体同时产生主动部分和被动部分的偏置磁场,阻尼线圈位于被动部分磁极之间,建立了动框架效应下内外框架与高速转子之间的非线性动力学模型,研究了磁轴承主动力、被动力和阻尼力之间的映射关系,提出了2DOF模式下抑制转子振动的阻尼跟踪控制方法,以及4DOF模式下抑制外界扰动的反馈线性化控制方法,研制实验样机并进行性能测试,为拓展主被动DGMSCMG在新型姿态控制机构中的应用奠定基础。
英文摘要
DGMSCMG with active and passive magnetic bearings can meet requirements of rapid maneuver, low power consumption and small volume for high precision earth observation, which is the frontier direction of MSCMG development. Aiming at the problems of moving gimbal effect and small and uncontrollable damping of passive magnetic bearing, a novel 2DOF/4DOF integrated magnetic bearing with damping controlled is proposed. The passive part and damping part of the rotor and stator magnetic poles are shared and in the middle of magnetic bearing to provide passive axial force and passive radial tilt force. The active part of rotor and stator magnetic poles is located at both ends of magnetic bearing, which can provide active radial tilt force. Bias magnetic fields of active and passive parts are provided by permanent magnet. Moreover, damping coil is located between magnetic poles in passive part. Nonlinearity dynamic model between high speed rotor, inner gimbal and outer gimbal with moving gimbal effect is built. Mapping relationship between active and passive force of magnetic bearing and damping force is investigated. The damping tracking control method for vibration suppression of rotor in 2DOF and feedback linearization control method for external disturbance suppression in 4DOF are proposed. Experimental prototype is developed and performance is tested. Finally, the validity of the research method and theoretical analysis are tested, which lay foundation for expanding the appliance of active-passive DGMSCMG in novel attitude control actuators.
主被动双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)能够满足高分辨率对地观测卫星所需快速机动、低功耗与小体积的要求。针对现有主被动DGMSCMG存在的动框架效应问题以及被动磁轴承阻尼小且不可控问题,提出了一种新型阻尼可控的两自由度(2DOF)/四自由度(4DOF)功能一体化的磁轴承结构,其被动部分和阻尼部分的定转子磁极共用且位于轴承中部,用以提供被动轴向力和径向偏转力,主动部分的定转子磁极位于轴承两端,可提供主动径向偏转力,永磁体同时产生主动部分和被动部分的偏置磁场,阻尼线圈位于被动部分磁极之间;建立了DGMSCMG的多体动力学模型,进行了内框架、外框架运动方程与模态分析,建立了动框架效应下内外框架与高速转子之间的非线性动力学模型,研究了磁轴承主动力、被动力和阻尼力之间的映射关系,分析了一体化磁轴承的径向主动承载力特性、轴向被动承载力特性和偏转力特性,提出了基于动态等效磁路模型的性能解析方法,并分析了磁轴承主要结构参数与动态性能之间的变化规律,提出了2DOF模式下抑制转子振动的阻尼跟踪控制方法,以及4DOF模式下抑制外界扰动的反馈线性化控制方法,建立了基于动态刚度的一体化磁轴承控制系统模型,分析了磁悬浮转子系统的稳定性,设计了径向偏转等效阻尼控制器,研制了2Nms的DGMSCMG实验样机以及磁轴承静态测试装置和动态测试装置,搭建了DGMSCM的软硬件平台,提出了一体化磁轴承静态刚度和动态刚度测试方法,进行了样机的性能测试,采用新型一体化磁轴承和所提控制方法的样机转子跳动量小于保护气隙的15%,达到了预期目标,为拓展主被动DGMSCMG在新型姿态控制机构中的应用奠定基础,本项目成果共发表15篇SCI论文(其中Q1区论文9篇,第一或通讯作者12篇),授权国家发明专利6项(均为第一发明人),申请美国发明专利1项(第一发明人),获国家技术发明二等奖1项(排名5),或第十九届中国专利金奖(排名2)。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.1016/j.jmmm.2016.03.086
发表时间:2016-08
期刊:Journal of Magnetism and Magnetic Materials
影响因子:2.7
作者:Jinji Sun;Chun'e Wang;Yun Le
通讯作者:Yun Le
DOI:10.1016/j.isatra.2018.07.036
发表时间:2018-09
期刊:ISA transactions
影响因子:7.3
作者:Jinji Sun;Han Zhou;Xin Ma;Ziyan Ju
通讯作者:Jinji Sun;Han Zhou;Xin Ma;Ziyan Ju
Modeling and Design of 3-DOF Magnetic Bearing for High-Speed Motor Including Eddy-Current Effects and Leakage Effects
高速电机三自由度磁力轴承的建模和设计(包括涡流效应和泄漏效应)
DOI:10.1109/tie.2016.2530778
发表时间:2016-02
期刊:IEEE Transactions on Industrial Electronics
影响因子:7.7
作者:Le Yun;Sun Jinji;Han Bangcheng
通讯作者:Han Bangcheng
DOI:10.1177/1687814016633623
发表时间:2016-03
期刊:Advances in Mechanical Engineering
影响因子:2.1
作者:Sun Jinji;Bai Guochang;Le Yun;Peng Cong
通讯作者:Peng Cong
Frequency-Varying Current Harmonics for Active Magnetic Bearing via Multiple Resonant Controllers
通过多个谐振控制器实现主动磁力轴承的变频电流谐波
DOI:10.1109/tie.2016.2598723
发表时间:2017
期刊:IEEE Transactions on Industrial Electronics
影响因子:7.7
作者:Peng Cong;Sun Jinji;Song Xinda;Fang Jiancheng
通讯作者:Fang Jiancheng
磁悬浮控制力矩陀螺用新型大力矩低功耗三自由度磁轴承关键技术研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    56万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    孙津济
  • 依托单位:
新型轴向被动磁轴承-Halbach磁体阻尼器一体化优化设计关键技术研究
  • 批准号:
    51205009
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    孙津济
  • 依托单位:
国内基金
海外基金