超导磁悬浮飞轮系统关键技术研究

论文摘要

飞轮系统是常用的卫星姿态控制系统与储能系统的执行机构。针对飞轮系统以常规机械轴承作为支撑机构高速运行时，存在功耗大、寿命短等问题，本文探讨了采用超导磁悬浮轴承作为支撑机构的飞轮系统，围绕超导磁悬浮的原理、悬浮力和磁场特性等问题，对超导磁悬浮轴承进行设计，并系统的分析了超导磁悬浮飞轮系统的性能。论文详细阐述了超导磁悬浮的原理，建立了临界态分析模型，利用ANSYS软件对超导轴承的悬浮力进行仿真，重点研究了厚度、半径等参数对超导悬浮力的影响，给出了尺寸参数与悬浮力的关系；搭建悬浮力测试机构，验证了悬浮力仿真结果，并对超导磁悬浮轴承的组合形式、冷却方式、磁滞效应、悬浮力弛豫等性质进行了研究。设计了超导磁悬浮轴承，选择平面无刷直流电机作为系统驱动装置，集成飞轮转子，并在保证场冷高度和电机间隙的条件下设计了真空系统，使转子能够在真空环境下稳定的运行，最终完成了整个飞轮系统搭建。在真空环境下对超导磁悬浮飞轮进行测试，其最高转速可达到33000r/min。与机械轴承的飞轮系统比较，对超导磁悬浮飞轮系统的功耗进行分析，结果表明其远远小于机械飞轮系统；对不同场冷高度下的飞轮系统降速曲线进行研究，从磁滞损耗和涡流损耗两个方面，分析了场冷高度对超导磁悬浮轴承摩擦损耗的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 国内外研究发展现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 超导的基本理论与物理模型
• 2.1 引言
• 2.2 超导的基本性质及临界参数
• 2.3 超导材料的分类及发展
• 2.4 关于超导的理论基础
• 2.5 超导的数学模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 超导磁悬浮轴承的研究
• 3.1 引言
• 3.2 电磁场中的有限元方法
• 3.3 超导磁悬浮轴承悬浮力仿真
• 3.4 超导磁悬浮轴承悬浮力测试
• 3.5 本章小结
• 第4章 超导磁悬浮飞轮系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 平面无刷直流电机
• 4.3 超导磁悬浮轴承
• 4.4 集成飞轮转子
• 4.5 真空腔体的设计
• 4.6 超导磁悬浮飞轮系统总体结构
• 4.7 本章小结
• 第5章 超导磁悬浮飞轮系统测试
• 5.1 引言
• 5.2 超导磁悬浮飞轮系统总体性能测试
• 5.3 超导磁悬浮轴承摩擦性能测试
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论和展望
• 6.1 本文结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 在学期间学术成果情况
• 指导教师及作者简介
• 致谢