空间飞轮轴承等离子体浸没离子注入氮层性能研究

研究了氮等离子体浸没离子注入(PIII)技术处理后空间飞轮轴承内圈的摩擦学性能。通过原子力显微镜分析改性前后试样表面形貌,利用X射线电子能谱分析试样表面成分及结构,通过显微硬度计测量改性前后及不同注入时间下试样表面硬度,考察改性前后试样摩擦系数变化情况。结果表明,空间飞轮轴承内圈进行表面注氮后,表面形成Cr-N化合物,形成第二相及固溶强化使得试样表面硬度显著增加,摩擦系数明显减小,耐磨性增加,轴承组件工作电流明显减小。

采用SMA驱动的小型空间磁悬浮飞轮锁紧机构

磁悬浮飞轮锁紧机构在卫星发射时锁紧飞轮,减小其振动和冲击载荷;在发射后解锁,保证飞轮正常工作.目前已有的以火工品或步进电机驱动的锁紧机构具有冲击大、体积较大、不可重复使用等缺点.提出了一种采用形状记忆合金(SMA,Shape Memory Alloy)驱动的空间磁悬浮飞轮锁紧机构的设计方案,并在Liang本构模型的基础上发展了机构驱动单元的设计方法.之后,完成了锁紧机构的样机研制和调试,并开展了地面的性能测试、振动试验和高温环境试验.研究结果表明:SMA锁紧机构安装体积小,在星载28 V电压下能在6 s内完全锁紧,在1 s内完全解锁,并能够通过振动和环境实验.SMA驱动的磁悬浮飞轮锁紧机构具有锁紧力大、同步性好、可重复使用、低冲击、无污染等优势,有很大的工程应用潜力.

磁悬浮飞轮优化设计与实验

针对在轨磁悬浮飞轮转子系统,考虑发射主动段振动工况,提出一种基于灵敏度分析的多学科优化设计方法。通过比较分析内、外锁紧方案对锁紧状态飞轮转子系统共振频率的影响,得到了较优的抱式外锁紧方案。在此基础上,对飞轮转子进行灵敏度分析,并选择高灵敏度结构参数作为优化设计变量。考虑其结构强度、转动惯量、控制性能、自由状态和锁紧状态一阶共振频率,以飞轮转子质量最小为优化目标,利用序列二次规划法对其进行多学科优化设计。优化结果表明,在满足发射振动工况下,飞轮转子极转动惯量与质量的数值比达到最大为0.0070,比初始值0.0064提高了9.4%。该优化方法提高了飞轮转子设计的可靠性和效率,其首次在轨实验成功对我国磁悬浮飞轮空间应用具有重要意义。

磁轴承变饱和柔性变结构控制

采用磁轴承取代传统机械轴承,可消除飞轮储能装置机械摩擦,提高转子临界转速.针对磁轴承控制系统响应快、运行稳定的要求,设计了一种变饱和柔性变结构控制器.根据磁轴承的基本结构与悬浮力模型,建立了系统的状态方程;通过有限元仿真,分析了磁轴承耦合性,确定了系统基本控制方案;将柔性变结构和变饱和项结合,当系统存在较大偏差时只通过线性控制器调节,在中等偏差时通过线性控制器和变饱和状态控制器一起调节,在小偏差时由线性控制器和变饱和状态控制器转变的线性控制器一起调节.仿真与实验结果表明,变饱和柔性变结构控制满足实时控制的要求,磁轴承控制系统具有较快的响应速度和较高的运行稳定性.

集成储能和姿态控制飞轮系统概述

飞轮作为一种新型的能量存储方式,具有许多化学电池所没有的优势,正受到越来越多的关注。集成了能量存储和姿态控制的飞轮系统,因其效率高,比能大,寿命长等优点,对空间飞行器性能的提高将起到重要作用。介绍了当前国内外对于集成储能和姿态控制飞轮系统的研究成果,并对其工作原理及关键技术进行了分析。

车载磁悬浮飞轮状态空间分析及H∞控制研究

为了提高磁悬浮飞轮电池控制系统在电动汽车上应用时的鲁棒稳定性,并改善电动汽车原动力电池放电性能,对电动汽车车载磁悬浮飞轮电池进行状态空间分析,求解出车载磁悬浮飞轮电池的状态空间方程,并提出一种基于该状态空间方程的车载磁悬浮飞轮电池用H∞控制方法。仿真分析和试验结果表明该H∞控制方法具有很强的鲁棒稳定性和良好的抗干扰、抗摄动能力,有助于车载磁悬浮飞轮转子高速稳定转动,降低电动汽车基础振动对飞轮电池影响。所研究的磁悬浮飞轮电池储能系统可辅助电动汽车原动力蓄电池工作,并可改善原动力电池的放电特性,延长该动力电池的使用寿命。

飞轮微振动对空间相机调制传递函数的影响

结合集成建模法和光线追迹法研究飞轮微振动对相机成像质量的影响.采用集成建模法,建立飞轮微振动的扰动模型、卫星和相机的有限元模型,进行瞬态响应分析,得到6个方向力或力矩单独作用下相机各反射镜随时间变化的位移.采用光线追迹法,由反射镜位移和入射光线,根据折射定律计算折射后光线的位置、方向及与光轴的夹角.由得到像面处的光斑坐标和位移,运用运动统计矩计算系统调制传递函数.结果表明:响应周期与激励周期无关;激励的作用时间长度和采样时间长度均会影响调制传递函数;不同方向振动激励造成的调制传递函数变化的大小不同,而不同方向对包含原光学系统的调制传递函数的影响类似仅振动对调制传递函数的影响;当振动分别作用My、Mz值时衰减最大,达到0.1左右.该方法较理论推导简便快捷,能获取微振动与调制传递函数的关系,为系统优化设计和隔振措施提供参考.

飞轮储能系统的直接转矩空间矢量控制研究

传统飞轮储能采用两套系统实现能量转换,储能用途单一。提出一种基于矩阵变换器的飞轮储能系统直接转矩空间矢量控制方案,可实现能量的双向流动。飞轮电机定子磁链及转矩是通过两个PI控制器控制,经过空间矢量调制模式将两相旋转的d-q坐标系上的两个电压分量转换到两相静止的α-β坐标系上;也能够对矩阵变换器输出的电压矢量及输入的电流矢量完全控制。最后通过Matlab/Simulink软件建立基于矩阵变换器的飞轮储能仿真模型,仿真结果表明负载输出相电流具有良好的正弦性及输出线电压具有较好交变性;验证了该方案的正确性和可行性。

利用Excel与AutoCAD绘制活塞压缩机动力曲线及飞轮矩面积矢量图

活塞压缩机动力曲线及飞轮矩面积矢量图的绘制可以通过Excel与AutoCAD两个软件相互结合来实现。利用Excel中的函数来处理在动力计算中的众多数据,通过AutoCAD软件的绘图和曲线处理功能,自动生成动力曲线、飞轮矩矢量图从而求出压缩机组所能允许的最小飞轮矩。

磁悬浮飞轮NMSS控制及其闭环零点抑制方法

为实现磁悬浮飞轮控制系统无状态观测器下的全状态反馈控制,将最小状态空间增广至非最小状态空间,增广后的状态变量可由控制对象的输入量和输出量直接计算得到。针对跟踪指令为零时前置滤波器失效的问题,在非最小状态空间的基础上引入跟踪指令信号修正,使前置滤波器能正常工作。在相同主导特征值的条件下与最小状态控制PID控制器进行仿真对比,结果表明:即使偏置电流的扰动达到标称值的60%,非最小状态空间下的闭环系统仍能保持镇定,并且该方法对偏置电流扰动的适应性更好;引入跟踪指令信号修正后,有效消除了闭环系统中存在的有限零点,验证了该方法的有效性。