高温超导磁悬浮姿控储能飞轮高速转子的稳定特性研究

姿控储能飞轮已成为卫星飞轮系统的研究热点，针对其转速高、陀螺效应强导致转子不易稳定问题，首次从支承方式和控制方法上探索增强转子悬浮稳定性的机理和途径。研究高温超导磁悬浮系统的静态特性、转子高速旋转时的动态特性及表征方法，建立反映超导体钉扎特征的超导悬浮力等数学模型并首次研究系统参数、外加激励等对悬浮性能的影响，为利用高温超导悬浮的自稳定性悬浮高速转子提供理论依据。首次研究高温超导悬浮与传统磁悬浮相结合的悬浮系统中超导悬浮径向力与轴向力关系、超导悬浮力与电磁悬浮力关系、转子轴向与径向运动的耦合关系及解耦条件，建立强非线性磁轴承-强陀螺效应转子系统数学模型。然后研究含超导磁悬浮的大惯量高速转子在干扰作用下的动力学响应、章动和进动的稳定分析方法，提出章动相位补偿和增益预调交叉反馈等抑制陀螺效应的控制方法及稳定性判据并进行仿真分析，从控制角度实现转子的稳定控制。最后实验验证该项目的可行性和有效性。

姿控储能飞轮已成为卫星飞轮系统的研究热点，针对其转速高、陀螺效应强导致转子不易稳定问题，本课题通过研究高温超导磁悬浮姿控储能飞轮高速转子的稳定特性,完成了增强高速转子悬浮稳定性的新机理和新途径新探索。.研究轴向超导磁悬浮的静态特性时，采用了超导本构临界态模型并采用标量位势函数降低了电磁场定量分析的难度;研究转子高速旋转时的动态特性及表征方法时，则采用了超导本构磁通流动与蠕动模型。为克服微观理论数值研究超导悬浮特性计算量大的不足，数值研究超导磁悬浮动态特性时也考虑了宏观唯像模型Hikihara-Moon模型。所研究改进Hikihara-Moon模型能体现强钉扎超导体的超导体尺寸、场冷高度、磁场强度等系统参数、外加激励等对超导悬浮性能的影响。研究结果表明高温超导磁悬浮刚度在10N/mm量级左右，比主动磁轴承刚度差三个数量级，通过超导体组合可以在一定程度上提高悬浮力，但通过增加电磁轴承或者被动磁轴承来提高刚度和增强系统阻尼是提高高温超导磁悬浮姿控储能飞轮转子悬浮稳定性的必然选择。.所设计的高温超导磁轴承与传统磁轴承相结合的磁悬浮系统，处于转子下方的轴向高温超导磁轴承利用其轴向自稳定特性不仅实现转子的轴向承载和稳定，还可保持高速转子径向稳定。处于转子上方的轴向永磁偏置磁轴承不仅克服了超导磁轴承承载能力低问题，还可提高轴向刚度、抑制振动。处于转子中部的两个径向永磁偏置磁轴承控制转子的径向平动和扭转，实现了高速转子陀螺效应抑制，进一步增强了悬浮稳定性。.超导磁悬浮高速转子系统是一种具有强陀螺效应的多变量强非线性复杂系统，其中轴向超导磁轴承的径向悬浮刚度约为轴向刚度的1/3，在转子平衡位置的0.05mm范围内时，两种磁轴承刚度都可以线性化、转子轴向与径向运动可以解耦；建立的强非线性磁轴承-强陀螺效应转子系统数学模型表明只有超导磁轴承支承的转子不能在高速时保持稳定。基于PID和速度交叉反馈控制的普通磁悬浮系统，理论临界失稳转速为12000rpm；而含超导磁悬浮的转子系统，其平动控制和扭动控制参数都具有更宽的稳定域，理论临界失稳转速为18000rpm。设计的模态解耦控制器实现了轴向超导磁轴承的平动与扭转模态解耦，把超导悬浮刚度作为交叉反馈控制的反馈量、经过章动相位补偿和增益预调交叉反馈，包含转子跳动量、特征根轨迹等理论分析结果表明转子转速为50000rpm时该控制系统依然能保持稳定。