磁悬浮飞轮抱式锁紧机构碳纤维弹片优化设计

针对磁悬浮飞轮抱式锁紧机构用一体式碳纤维弹片,提出了一种新型优化方法。通过将碳纤维弹片等效为悬臂梁模型,对其进行静力学和动力学分析,得到其最大过盈摩擦力、锁紧力、解锁力、最大弯曲应力和一阶共振频率。基于有限元法,对弹片进行灵敏度分析,得到弹片上端和下端两组互不相关的结构参数,并分别对两组结构参数进行优化设计。优化结果表明,当弹片个数为12时,质量达到最小60.5 g,比最初170 g减少了64%。根据优化结果研制了一套锁紧机构,利用三轴正弦扫频振动和随机振动试验,检验锁紧机构对磁悬浮飞轮系统的保护效果。结果显示,振动试验中定、转子间最大相对振动位移为50μm,远小于磁悬浮飞轮保护间隙200μm,表明锁紧机构能够对飞轮系统实施有效保护。     

基于自锁原理的磁悬浮飞轮电磁锁紧机构

摘 要：针对空间用磁悬浮飞轮在发射过程需要保护的性能需求,提出了一种基于机构自锁原理的可重复电磁锁机构,针对某型磁悬浮飞轮设计了质量为158克的锁紧/解锁机构,尺寸为45mm×49mm×40mm,建立了锁紧/解锁机构的数学模型;针对地面和空间两种环境,分析了机构在锁紧和解锁过程中锁紧力和解锁力的变化曲线,结果表明最大锁紧力为650N,保持锁紧和解锁状态的力分别为133.8N和-9.4N,可有效实现锁紧和解锁功能,重力对锁紧机构的性能影响很小,并根据某型卫星发射过程中的正弦振动、随机振动和冲击力学试验验证了锁紧机构,从而为磁悬浮飞轮的空间应用奠定了坚实的技术基础。     

磁悬浮飞轮新型锁紧装置的振动测试与分析

为了检验新型可重复锁紧装置在卫星发射主动段对磁悬浮飞轮的保护效果,采用三轴正弦扫频振动和随机振动模拟发射振动工况对其进行振动测试实验.提出了基于电涡流位移传感器的转子振动位移检测方法,以及基于扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,简称SEM)和能量色散谱仪(energy dispersive spectroscopy,简称EDS)的锁紧接触面形貌分析方法,对锁紧装置的宏观、微观保护效果进行评估分析.振动测试结果表明,飞轮转子最大振动位移为45μm,小于100μm的飞轮保护间隙,锁紧装置对飞轮起到了有效的保护作用.微观分析则揭示出,锁紧接触面内存在脆性断裂和疲劳断裂两种微动磨损机制,并伴有氧化反应发生,可以采取徽动抑制措施进一步改善锁紧保护效果.     

磁悬浮飞轮锁紧保护效果的检测

综合考虑磁悬浮飞轮系统及其现有锁紧机构的各项性能,提出了一套检验飞轮锁紧机构保护效果的方法。以可重复抱式锁紧机构为例,从飞轮系统性能、宏观振动响应和微观损伤三方面对锁紧机构的保护效果进行了评测。通过对比分析磁悬浮飞轮和锁紧机构在环境力学试验前后的性能测试数据,判断两者性能是否正常。环境力学试验中,利用加速度力学传感器和电涡流位移传感器分别检测飞轮系统频谱响应和飞轮定、转子间的相对振动位移,评价锁紧机构的宏观保护效果。力学试验后,采用扫描电子显微镜(SEM)和能量色散谱仪(EDS)分析锁紧面内的磨损形貌和元素成分,对锁紧机构的微观保护效果进行评价。该检测方法对同类航天产品的检测具有很好的借鉴意义。     

超声电机在磁悬浮飞轮锁紧装置中的应用

为了保护卫星发射阶段磁悬浮飞轮系统,设计了一种超声电机驱动的锁紧装置,实现了锁紧和解锁功能,达到保护飞轮的目的.锁紧装置包括机械结构部分和驱动控制部分.机械结构部分使用旋转型行波超声电机做驱动源,传动部分采用蜗轮蜗杆带动执行机构锁紧飞轮转子.驱动控制部分的核心为单片机和超声电机驱动电路,并进行了超声电机驱动的锁紧装置试验.试验表明:锁紧和解锁过程中电机的输入功率分别为7.6W和6.7W,电学输入参数稳定;在许用范围内电机温升4℃;锁紧装置可在沿飞轮径向产生171 N锁紧力.超声电机驱动的锁紧装置具有重量轻、占用空间小、简化了传动部分设计的优点,为磁悬浮飞轮系统的进一步小型化提供了可能.     

磁悬浮飞轮锁紧保护技术研究与发展现状

介绍了国内外常用的磁悬浮飞轮用一次性锁紧装置和可重复锁紧装置,分析了它们的结构和工作原理。综述了这些磁悬浮飞轮用锁紧装置的研究现状及其在卫星姿态控制系统中的应用。介绍了国外一次性内/外锁紧方案,结合各种方案结构示意图,给出了不同锁紧装置的适用场合。为克服一次性锁紧装置不可重复锁紧/解锁的缺点,论述了国内可重复锁紧装置的发展过程,重点分析了基于楔形块自锁的可重复内锁紧装置和可重复抱式外锁紧装置。展望了锁紧保护技术的未来发展方向,指出基于单执行机构的可重复内锁紧装置、高锁紧刚度、高阻尼可重复锁紧装置和锁紧保护效果评价方法是磁悬浮飞轮保护技术的研究重点。     

Repeated clamping locking device for magnetic bearing flywheel

针对磁悬浮飞轮锁紧装置用整体碳纤维弹片不便拆卸和一次性锁紧装置不可重复锁紧/解锁的缺点,提出了一种基于分立式弹片释放机构的可重复抱式锁紧装置.介绍了锁紧装置的结构、工作原理和弹片方案,通过将弹片释放机构等效为悬臂梁质量块模型,对其进行了静力学和动力学分析.基于分析结果,选择灵敏度较高的结构参数作为优化设计变量,并考虑结构强度、解锁力和一阶共振频率,以软件iSIGHT为平台,对弹片进行多学科优化设计.优化结果表明,弹片个数为10时,弹片总质量达到最小为207 g,比初始质量477 g减少了56.6％.根据优化结果加工了一套锁紧装置,并利用正弦扫频振动和随机振动试验对其进行验证,验证结果显示该锁紧装置能够有效保护飞轮系统.     

磁悬浮飞轮用可重复抱式锁紧装置

针对磁悬浮飞轮锁紧装置用整体碳纤维弹片不便拆卸和一次性锁紧装置不可重复锁紧/解锁的缺点,提出了一种基于分立式弹片释放机构的可重复抱式锁紧装置。介绍了锁紧装置的结构、工作原理和弹片方案,通过将弹片释放机构等效为悬臂梁-质量块模型,对其进行了静力学和动力学分析。基于分析结果,选择灵敏度较高的结构参数作为优化设计变量,并考虑结构强度、解锁力和一阶共振频率,以软件iSIGHT为平台,对弹片进行多学科优化设计。优化结果表明,弹片个数为10时,弹片总质量达到最小为207g,比初始质量477g减少了56.6%。根据优化结果加工了一套锁紧装置,并利用正弦扫频振动和随机振动试验对其进行验证,验证结果显示该锁紧装置能够有效保护飞轮系统。     

磁悬浮飞轮自动锁紧系统的研制

介绍了一套磁悬浮飞轮自动锁紧系统的机械运动和运动控制2个部分,实现了磁悬浮飞轮的自动锁紧和释放,满足飞轮在卫星发射过程中的要求,并达到保护飞轮主体的目的.运动控制系统的核心是单片机MSP430.最后研制了锁紧力测试装置,用来测量机构锁紧过程中锁紧力的大小,从而可以有效地调节运动行程.     

星载激光通信端机可重复锁紧/解锁机构设计

针对星载激光通信端机伺服转动系统在轨期间多次锁紧/解锁需求,提出了一种基于形状记忆合金(SMA)丝的可重复锁紧/解锁机构。首先,分析了重复锁紧/解锁机构利用弹簧分力实现锁紧和SMA丝输出回复应力实现解锁的工作原理,利用杠杆原理优化了锁紧力与锁紧位移;其次,仿真分析了锁紧力与解锁力之间的平衡关系,以及锁紧力对整机模态的影响;最后,研制了原理样机,实验验证了解锁力、解锁时间与供电电流的关系、重复锁紧/解锁功能,以及高温、振动等航天环境对锁紧机构可靠性影响等问题。实验结果显示,该机构可提供1 000N锁紧力,在输入12V/3A电源时,最大解锁时间不超过2s,在环境温度90℃以下可保证稳定可靠锁紧,并可实现多次重复锁紧/解锁。该机构具有轻小型、低冲击、可重复、低功耗优点,满足星载激光通信端机多次锁紧/解锁需求,应用潜力巨大。     

磁悬浮飞轮锁紧装置及其优化设计

针对磁悬浮飞轮用一次性锁紧装置不可重复锁紧/释放的缺点,提出了一种基于电机、碳纤维弹片和钢丝绳的可重复锁紧装置,并给出了锁紧装置的结构和工作原理。根据执行锁紧过程碳纤维变形状况,将其分为弯曲变形和受压变形两个阶段,并在此基础上对锁紧装置进行了受力分析。利用多学科优化软件iSIGHT集成有限元分析软件对碳纤维弹片进行了优化设计,以材料强度、结构反力和共振频率多学科要求同时作为约束条件,采用针对离散变量的全域遍数法嵌套连续变量的序列二次规划法对碳纤维弹片质量进行优化。优化结果显示,碳纤维弹片个数为12时,碳纤维质量达到最小为46g,比初始质量112g减少了59%。结果表明,该优化方法提高了锁紧装置设计的可靠性和效率,对飞轮系统整体优化设计有重要意义。     

立方星星箭分离电磁解锁机构

为实现"翱翔之星"立方星发射力学环境下可靠的锁定以及在轨低冲击快响应的解锁分离,提出了一种断电时弹簧锁定与加电时电磁铁吸合解锁的非火工解锁机构。首先,根据系统要求介绍了电磁解锁机构的工作原理,并建立了机-电-磁耦合动力学模型,分析解锁机构的动力学响应特性;其次,以地面测试试验结果为依据,进行电磁参数的多约束多目标设计与优化,并将优化出的参数在SIMULINK环境下进行仿真验证;再次,对电磁解锁机构样机进行功能测试,实测数值与仿真结果基本一致:额定电压28V下样机的解锁时间为41.2ms,解锁电流为2.2A,能耗为2.5J;最后,开展了力学环境和热真空环境地面试验以及±5V电压拉偏测试,结果表明电磁解锁机构能够可靠锁定与解锁。本文设计的电磁解锁机构经过飞行验证成功应用于"翱翔之星"立方星的在轨解锁与分离,可为后续立方星星箭分离解锁机构的标准化设计提供参考。     

基于动态电磁力的主动式动平衡测量方法的研究

动平衡机在测量大质偏类工件时,由于不平衡量较大,振动信号往往会超出测量系统的线性范围而造成测量误差偏大。为了提高动平衡测量精度,提出了一种采用电磁力产生的同频振动抵消大部分初始振动,从而减小簧板振动量,保证系统线性度的动平衡测量方法。讨论了该方法的基本工作原理,建立了电磁力装置的磁路模型;采用有限元建模对电磁力的可控性进行了研究,并分析了气隙、温度等因素对电磁力的影响;最后介绍了测量控制系统和控制策略。动平衡测量实验表明,该测量方法能够有效地提高大不平衡量工件的动平衡测量精度。     

地铁防淹门机械式锁定装置控制系统的研究

以地铁防淹门机械式锁定装置为研究对象,针对防淹门系统的特殊性能和功能要求,特别是系统安全、可靠性需求,研究设计了其控制系统,并基于SIMATICs7—200系列的CPU226PLC可编程控制器实现了该控制系统,进而实现了防淹门启闭运行过程中的自动锁定和自动解锁。已经成功把该控制系统应用于某地铁防淹门系统,达到了预期的功能要求。     

Dynamic modeling and simulation of EMS Maglev vehicle to evaluate the levitation stability and operational safety over an elastic segmented switch track

An electromagnetic suspension (EMS) magnetic levitation (Maglev) vehicle runs between a guideway and electromagnet at a certain distance, usually called the "airgap". To maintain the vertical airgap, the electric current of the electromagnet must be controlled. A lateral restoring force is generated by a component force in the vertical direction but is not controlled. So, the EMS Maglev vehicle must be operated at appropriate speeds around curves to prevent contact with the track. This is particularly important at track sections with a small radius of curvature such as at a switch. The segmented switch system developed and employed in Korea is entirely made of steel, which may cause instabilities in the levitation system in the presence of an airgap due to its greater susceptibility to vibration compared to concrete. Therefore, it is necessary to evaluate the stability of levitation using computational simulation when the maglev vehicle ran over a segmented switch. In this paper, a dynamic model of a Maglev vehicle was developed based on multibody dynamics that accounts for the flexibility of the segmented switch track. Using the developed analytical model, levitation stability and operational safety simulations were carried out.     

车辆电磁制动器电磁体磁场分析

采用有限元法建立电磁体－摩擦环三维模型。考虑电磁体和摩擦环之间的磁接触,对电磁体进行电磁场分析,得到电磁体内部磁感应强度关于电磁体长轴呈对称分布,而关于短轴呈不对称分布的结论。分析了气隙大小对于电磁吸力的影响,得到了电磁吸力－气隙关系曲线,最后利用电磁体试验台,对电磁吸力－气隙关系曲线进行试验验证。