一種新型反作用飛輪的設計與仿真

全春樓 寧蜀悅

?

一種新型反作用飛輪的設計與仿真

全春樓 寧蜀悅

（深圳航天科技創新研究院，深圳518057）

為了減小傳統反作用飛輪的軸向長度，增強反作用飛輪的壽命和抗沖擊能力，設計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替代傳統的徑向磁通的永磁電機技術，達到減小飛輪的軸向長度；采用磁懸浮技術，達到增強飛輪的壽命和抗沖擊能力。另外，對設計的新型反作用飛輪的結構進行簡單介紹。最后，對飛輪輪體的固有頻率、輪體的最小安全系數進行了仿真與校核，驗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

衛星廣泛用于科學探測和研究、天氣預報、通信、導航等各個領域。反作用飛輪系統是衛星姿態控制的關鍵執行機構，它通過改變轉速的大小和矢量方向對衛星產生控制作用，調整衛星的姿態，保證衛星運行的可靠性和長壽命[1]。由于飛輪質量減小可使發射費用降低或者增加衛星有效載荷，提高整星利用程度。所以在設計飛輪過程中需要盡量減小飛輪的質量和體積。同時為了滿足衛星長時間運行的穩定性和可靠性，需要提高飛輪的安全性及壽命。

2 飛輪結構

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

目前國內傳統的飛輪通常由轉子組件、磁鋼、定子組成的徑向磁通的永磁電機、控制部分及殼體組成。傳統飛輪結構圖如圖1所示[2]。

傳統飛輪采用徑向磁通的永磁電機，飛輪的軸向比較長，體積較大，空間利用率比較低。本文設計的磁懸浮超薄飛輪的結構如圖2所示，主要由轉子、定子、電機磁鋼、磁懸浮磁鋼、殼體、壓蓋、軸及軸承等組成。飛輪電機在飛輪的外邊緣，由印制電路板驅動雙側轉子轉動。飛輪的外殼分為上下兩個，分別在外殼與轉子對應部分貼上相互排斥的磁鋼，形成飛輪的磁懸浮結構。這種扁平式的飛輪結構，減小了電機的軸向尺寸，結構緊湊，空間利用率高，飛輪的壽命和抗沖擊能力強。

1—磁懸浮磁鋼 2—轉子 3—定子 4—電機磁鋼 5—殼體 6—磁懸浮磁鋼 7—壓蓋 8—軸 9—軸承

3 飛輪輪體設計

磁懸浮超薄飛輪輪體主要由兩個轉子、電機磁鋼、磁懸浮磁鋼及軸組成。本文主要研究飛輪輪體、磁鋼結構及材料、輪體的固有頻率、輪體的最小安全系數。

3.1 飛輪輪體的材料選擇

飛輪輪體為了獲得高的轉動慣量/質量，在滿足使用條件的情況下，需要選用最大許用應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 飛輪輪體的結構設計

飛輪輪體是飛輪的主要執行部件，其尺寸大小和結構基本上決定了飛輪的整體尺寸和結構。在角動量和角速度給定的情況下，輪體的質量反比于輪體等效回轉半徑的平方。

這樣，需找出一個值，使其滿足給定角動量和轉速的要求，使輪體質量最小[3]。

輪體的材料確認以后，根據產品要求的角動量及額定角速度計算出飛輪的轉動慣量。

飛輪轉動慣量公式：=/；再根據飛輪轉動慣量對輪體的質量分布做出最優布局。

——輪體的轉動慣量；——飛輪的角速度；i——剛體的某個質元的質量；——該質元到轉軸的垂直距離。

在飛輪的角動量（≥4Nms）和角速度（5000r/min）一定的情況下，需要綜合磁懸浮結構、電機結構等來調整飛輪的輪體半徑及質量分布以滿足飛輪強度合格、空間布局合理、飛輪質量較小的要求。

由于固定的氣隙長度，磁環的寬度決定了磁環間斥力大小，磁環間斥力大小隨著磁環寬度的增加有一個峰值，然后再慢慢減小[4]。根據這個結論，可以選出磁環寬度的最優值。此外，根據磁場強度及漏磁對轉子鐵芯的厚度選出最優值。

圖3 飛輪輪體結構圖

在設計飛輪輪體過程中，確定磁懸浮部分結構后,再確定電機部分的結構尺寸。設計中用SolidWorks軟件進行三維模擬，經過多次模擬仿真，最終得到最優輪體結構圖，如圖3所示。

2.3 飛輪輪體的固有頻率校核

飛輪輪體結構設計以后，需要對輪體的固有頻率進行校核。根據成熟衛星型號建造規范的要求，衛星上單機的一階固有頻率要求大于70Hz。設計過程中用SolidWorks軟件對飛輪輪體進行一階固有頻率模擬計算[5]。在工作轉速（5000r/min）下，飛輪輪體一階固有頻率模擬結果如圖4所示。

圖4 輪體一階固有頻率

從模擬結果可以看出，輪體的一階固有頻率為950Hz，大于衛星上單機的一階固有頻率要求，滿足設計要求。

2.4 飛輪輪體的安全系數校核

當飛輪旋轉工作時，飛輪輪體受到離心力，需要對輪體進行應力校核。校核過程中用輪體的最大角速度（max6000r/min）進行校核[5]。輪體安全系數模擬圖是用SolidWorks軟件進行的仿真模擬結果，如圖5所示。輪體的安全系數為2.5，大于最小安全系數1。滿足設計要求。

圖5 輪體安全系數模擬圖

3 飛輪的實物模型及應用分析

超薄磁懸浮反作用飛輪實物圖見圖6。相比傳統飛輪，超薄磁懸浮反作用飛輪縮小了飛輪的在衛星中的空間占用率。可增加整個衛星的有效載荷或縮小整個衛星的體積，降低衛星的發射成本。同時磁懸浮飛輪作為一種新型的衛星姿態調整機構，在功耗、抗沖擊力等方面比傳統飛輪具有更高的性能，對改進衛星平臺系統的姿態控制有積極的作用。該飛輪目前還有一些不足之處需要后續進一步優化設計，如飛輪的抽真空問題，及磁懸浮浮力引起的一些飛輪動平衡問題。

圖6 超薄磁懸浮反作用飛輪實物圖

4 結束語

與傳統飛輪采用徑向磁通的永磁電機相比，本文提出了一種新思路：用印制電路板繞組技術代替傳統電機定子繞組技術研制出雙轉子、單定子的軸向磁通永磁電機。同時采用大面積的磁懸浮技術，提高飛輪的壽命和抗沖擊能力。此外，本文對飛輪的主要執行部件輪體的材料、結構、固有頻率及安全系數進行了分析，驗證了此方案的可行性，后續還要對飛輪進一步進行優化升級。

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

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

3 屠善澄. 衛星姿態動力學與控制(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構分析[J]. 宇航學報，2016，37(6)：753～758

5 宋紅年. 飛輪結構強度計算方法探討[J]. 柴油機設計與制造，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，機械結構設計專業；研究方向：航天反作用飛輪的結構。

2017-08-30