一种新型反作用飞轮的设计与仿真

全春楼 宁蜀悦



一种新型反作用飞轮的设计与仿真

全春楼 宁蜀悦

（深圳航天科技创新研究院，深圳518057）

为了减小传统反作用飞轮的轴向长度，增强反作用飞轮的寿命和抗冲击能力，设计了一种新型的超薄磁悬浮反作用飞轮。采用轴向磁通的永磁电机替代传统的径向磁通的永磁电机技术，达到减小飞轮的轴向长度；采用磁悬浮技术，达到增强飞轮的寿命和抗冲击能力。另外，对设计的新型反作用飞轮的结构进行简单介绍。最后，对飞轮轮体的固有频率、轮体的最小安全系数进行了仿真与校核，验证了此方案的可行性。

轴向磁通；磁悬浮；反作用飞轮；仿真

1 引言

卫星广泛用于科学探测和研究、天气预报、通信、导航等各个领域。反作用飞轮系统是卫星姿态控制的关键执行机构，它通过改变转速的大小和矢量方向对卫星产生控制作用，调整卫星的姿态，保证卫星运行的可靠性和长寿命[1]。由于飞轮质量减小可使发射费用降低或者增加卫星有效载荷，提高整星利用程度。所以在设计飞轮过程中需要尽量减小飞轮的质量和体积。同时为了满足卫星长时间运行的稳定性和可靠性，需要提高飞轮的安全性及寿命。

2 飞轮结构

1—轴承组件 2—转子组件 3—定子 4—磁钢 5—上壳体 6—下壳体 7—控制板组件

目前国内传统的飞轮通常由转子组件、磁钢、定子组成的径向磁通的永磁电机、控制部分及壳体组成。传统飞轮结构图如图1所示[2]。

传统飞轮采用径向磁通的永磁电机，飞轮的轴向比较长，体积较大，空间利用率比较低。本文设计的磁悬浮超薄飞轮的结构如图2所示，主要由转子、定子、电机磁钢、磁悬浮磁钢、壳体、压盖、轴及轴承等组成。飞轮电机在飞轮的外边缘，由印制电路板驱动双侧转子转动。飞轮的外壳分为上下两个，分别在外壳与转子对应部分贴上相互排斥的磁钢，形成飞轮的磁悬浮结构。这种扁平式的飞轮结构，减小了电机的轴向尺寸，结构紧凑，空间利用率高，飞轮的寿命和抗冲击能力强。

1—磁悬浮磁钢 2—转子 3—定子 4—电机磁钢 5—壳体 6—磁悬浮磁钢 7—压盖 8—轴 9—轴承

3 飞轮轮体设计

磁悬浮超薄飞轮轮体主要由两个转子、电机磁钢、磁悬浮磁钢及轴组成。本文主要研究飞轮轮体、磁钢结构及材料、轮体的固有频率、轮体的最小安全系数。

3.1 飞轮轮体的材料选择

飞轮轮体为了获得高的转动惯量/质量，在满足使用条件的情况下，需要选用最大许用应力与密度之比值高的材料。飞轮轮体零件的材料表见表1。

表1 飞轮轮体零件材料表

3.2 飞轮轮体的结构设计

飞轮轮体是飞轮的主要执行部件，其尺寸大小和结构基本上决定了飞轮的整体尺寸和结构。在角动量和角速度给定的情况下，轮体的质量反比于轮体等效回转半径的平方。

这样，需找出一个值，使其满足给定角动量和转速的要求，使轮体质量最小[3]。

轮体的材料确认以后，根据产品要求的角动量及额定角速度计算出飞轮的转动惯量。

飞轮转动惯量公式：=/；再根据飞轮转动惯量对轮体的质量分布做出最优布局。

——轮体的转动惯量；——飞轮的角速度；i——刚体的某个质元的质量；——该质元到转轴的垂直距离。

在飞轮的角动量（≥4Nms）和角速度（5000r/min）一定的情况下，需要综合磁悬浮结构、电机结构等来调整飞轮的轮体半径及质量分布以满足飞轮强度合格、空间布局合理、飞轮质量较小的要求。

由于固定的气隙长度，磁环的宽度决定了磁环间斥力大小，磁环间斥力大小随着磁环宽度的增加有一个峰值，然后再慢慢减小[4]。根据这个结论，可以选出磁环宽度的最优值。此外，根据磁场强度及漏磁对转子铁芯的厚度选出最优值。

图3 飞轮轮体结构图

在设计飞轮轮体过程中，确定磁悬浮部分结构后,再确定电机部分的结构尺寸。设计中用SolidWorks软件进行三维模拟，经过多次模拟仿真，最终得到最优轮体结构图，如图3所示。

2.3 飞轮轮体的固有频率校核

飞轮轮体结构设计以后，需要对轮体的固有频率进行校核。根据成熟卫星型号建造规范的要求，卫星上单机的一阶固有频率要求大于70Hz。设计过程中用SolidWorks软件对飞轮轮体进行一阶固有频率模拟计算[5]。在工作转速（5000r/min）下，飞轮轮体一阶固有频率模拟结果如图4所示。

图4 轮体一阶固有频率

从模拟结果可以看出，轮体的一阶固有频率为950Hz，大于卫星上单机的一阶固有频率要求，满足设计要求。

2.4 飞轮轮体的安全系数校核

当飞轮旋转工作时，飞轮轮体受到离心力，需要对轮体进行应力校核。校核过程中用轮体的最大角速度（max6000r/min）进行校核[5]。轮体安全系数模拟图是用SolidWorks软件进行的仿真模拟结果，如图5所示。轮体的安全系数为2.5，大于最小安全系数1。满足设计要求。

图5 轮体安全系数模拟图

3 飞轮的实物模型及应用分析

超薄磁悬浮反作用飞轮实物图见图6。相比传统飞轮，超薄磁悬浮反作用飞轮缩小了飞轮的在卫星中的空间占用率。可增加整个卫星的有效载荷或缩小整个卫星的体积，降低卫星的发射成本。同时磁悬浮飞轮作为一种新型的卫星姿态调整机构，在功耗、抗冲击力等方面比传统飞轮具有更高的性能，对改进卫星平台系统的姿态控制有积极的作用。该飞轮目前还有一些不足之处需要后续进一步优化设计，如飞轮的抽真空问题，及磁悬浮浮力引起的一些飞轮动平衡问题。

图6 超薄磁悬浮反作用飞轮实物图

4 结束语

与传统飞轮采用径向磁通的永磁电机相比，本文提出了一种新思路：用印制电路板绕组技术代替传统电机定子绕组技术研制出双转子、单定子的轴向磁通永磁电机。同时采用大面积的磁悬浮技术，提高飞轮的寿命和抗冲击能力。此外，本文对飞轮的主要执行部件轮体的材料、结构、固有频率及安全系数进行了分析，验证了此方案的可行性，后续还要对飞轮进一步进行优化升级。

1 包晗，武俊峰，吴一辉. 反作用飞轮的可靠性研究[J]. 微电机，2014，47(12)：6～11

2 姜宁翔，许辰，孙丹，等. 微型反作用飞轮技术[J]. 上海航天，2013(4)：90～96

3 屠善澄. 卫星姿态动力学与控制(4)[M]. 北京：中国宇航出版社，2006

4 王孝伟，李云，汪云涛. 一种超薄反作用飞轮的大面积磁悬浮结构分析[J]. 宇航学报，2016，37(6)：753～758

5 宋红年. 飞轮结构强度计算方法探讨[J]. 柴油机设计与制造，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

全春楼（1988），工程师，机械结构设计专业；研究方向：航天反作用飞轮的结构。

2017-08-30