高溫超導磁懸浮姿控儲能飛輪高速轉子的穩定特性研究

《高溫超導磁懸浮姿控儲能飛輪高速轉子的穩定特性研究》是依託北京航空航天大學，由湯繼強擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高溫超導磁懸浮姿控儲能飛輪高速轉子的穩定特性研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：湯繼強
• 項目類別：面上項目

項目摘要

姿控儲能飛輪已成為衛星飛輪系統的研究熱點，針對其轉速高、陀螺效應強導致轉子不易穩定問題，首次從支承方式和控制方法上探索增強轉子懸浮穩定性的機理和途徑。研究高溫超導磁懸浮系統的靜態特性、轉子高速旋轉時的動態特性及表征方法，建立反映超導體釘扎特徵的超導懸浮力等數學模型並首次研究系統參數、外加激勵等對懸浮性能的影響，為利用高溫超導懸浮的自穩定性懸浮高速轉子提供理論依據。首次研究高溫超導懸浮與傳統磁懸浮相結合的懸浮系統中超導懸浮徑向力與軸向力關係、超導懸浮力與電磁懸浮力關係、轉子軸向與徑向運動的耦合關係及解耦條件，建立強非線性磁軸承-強陀螺效應轉子系統數學模型。然後研究含超導磁懸浮的大慣量高速轉子在干擾作用下的動力學回響、章動和進動的穩定分析方法，提出章動相位補償和增益預調交叉反饋等抑制陀螺效應的控制方法及穩定性判據並進行仿真分析，從控制角度實現轉子的穩定控制。最後實驗驗證該項目的可行性和有效性。

結題摘要

姿控儲能飛輪已成為衛星飛輪系統的研究熱點，針對其轉速高、陀螺效應強導致轉子不易穩定問題，本課題通過研究高溫超導磁懸浮姿控儲能飛輪高速轉子的穩定特性,完成了增強高速轉子懸浮穩定性的新機理和新途徑新探索。 研究軸向超導磁懸浮的靜態特性時，採用了超導本構臨界態模型並採用標量位勢函式降低了電磁場定量分析的難度;研究轉子高速旋轉時的動態特性及表征方法時，則採用了超導本構磁通流動與蠕動模型。為克服微觀理論數值研究超導懸浮特性計算量大的不足，數值研究超導磁懸浮動態特性時也考慮了巨觀唯像模型Hikihara-Moon模型。所研究改進Hikihara-Moon模型能體現強釘扎超導體的超導體尺寸、場冷高度、磁場強度等系統參數、外加激勵等對超導懸浮性能的影響。研究結果表明高溫超導磁懸浮剛度在10N/mm量級左右，比主動磁軸承剛度差三個數量級，通過超導體組合可以在一定程度上提高懸浮力，但通過增加電磁軸承或者被動磁軸承來提高剛度和增強系統阻尼是提高高溫超導磁懸浮姿控儲能飛輪轉子懸浮穩定性的必然選擇。 所設計的高溫超導磁軸承與傳統磁軸承相結合的磁懸浮系統，處於轉子下方的軸向高溫超導磁軸承利用其軸向自穩定特性不僅實現轉子的軸向承載和穩定，還可保持高速轉子徑向穩定。處於轉子上方的軸向永磁偏置磁軸承不僅克服了超導磁軸承承載能力低問題，還可提高軸向剛度、抑制振動。處於轉子中部的兩個徑向永磁偏置磁軸承控制轉子的徑向平動和扭轉，實現了高速轉子陀螺效應抑制，進一步增強了懸浮穩定性。 超導磁懸浮高速轉子系統是一種具有強陀螺效應的多變數強非線性複雜系統，其中軸向超導磁軸承的徑向懸浮剛度約為軸向剛度的1/3，在轉子平衡位置的0.05mm範圍內時，兩種磁軸承剛度都可以線性化、轉子軸向與徑向運動可以解耦；建立的強非線性磁軸承-強陀螺效應轉子系統數學模型表明只有超導磁軸承支承的轉子不能在高速時保持穩定。基於PID和速度交叉反饋控制的普通磁懸浮系統，理論臨界失穩轉速為12000rpm；而含超導磁懸浮的轉子系統，其平動控制和扭動控制參數都具有更寬的穩定域，理論臨界失穩轉速為18000rpm。設計的模態解耦控制器實現了軸向超導磁軸承的平動與扭轉模態解耦，把超導懸浮剛度作為交叉反饋控制的反饋量、經過章動相位補償和增益預調交叉反饋，包含轉子跳動量、特徵根軌跡等理論分析結果表明轉子轉速為50000rpm時該控制系統依然能保持穩定。