为了更准确地预测磁悬浮控制力矩陀螺中高速电机工作时的温升, 需要计算电机绕组涡流损耗和对陀螺进行热分析。本文以最大角动量200 N·m·s, 额定转速12 000 r/min的磁悬浮控制力矩陀螺为研究对象, 首先分析了电机绕组涡流产生原理, 采用了一种解析法和有限元法结合的方法, 推导并计算了高速电机绕组涡流损耗。然后, 建立了陀螺三维有限元模型, 在已知陀螺各部件损耗的基础上进行了热分析, 得到了温度仿真分布。最后, 设计了陀螺样机温升实验进行验证。仿真分析得知高速电机定子温度最高, 定子绕组温度为40.3 ℃。温升实验测得电机定子温度为41.6 ℃, 与理论值误差为3.1%。这相比未考虑绕组涡流损耗时的热分析, 精度提高了3.7%。考虑了绕组涡流损耗的热分析预测温升更加准确, 这对于优化磁悬浮控制力矩陀螺的热设计有重要意义。

针对磁悬浮飞轮低功耗的要求, 对一种经典永磁偏置径向磁轴承进行能量优化研究。介绍了磁轴承的磁路结构和工作原理, 基于磁轴承电流刚度和位移刚度数学模型, 提取出轴承能量优化因子σ。在此基础上, 建立了磁轴承功耗的目标函数, 并对磁轴承功耗进行优化, 得到了最优功耗数学表达式及其对应的σ大小。通过有限元法对轴承功耗优化结果进行仿真验证, 其结果与理论分析结果基本吻合。在此基础上, 基于优化结果研制了一套磁轴承, 并通过改进现有15 Nms磁悬浮飞轮进行功耗测试。结果表明: 振幅为10 μm时, 单组绕组的最优功耗为0.87 W, 与理论最优值0.79 W的最大误差为9%。该能量优化方法提高了磁轴承低功耗设计效率, 对飞轮系统整体功耗优化具有重要意义。

内外框架之间的耦合力矩和谐波减速器的非线性传输力矩是影响双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)框架系统精确角速度控制的主要因素, 为了解决以上干扰问题, 实现框架系统高精度角速率伺服控制提出了一种基于扰动观测器和自适应反步的框架系统复合解耦控制方法。通过扰动观测器来估计框架系统中的扰动, 并结合自适应反步法获得控制律, 其间将扰动估计误差当作未知参数设计了其自适应律, 对扰动的两次处理使得框架系统干扰估计更加精确, 同时可以保证估计参数的收敛性和整个框架系统的稳定性。仿真和实验结果表明, 采用此复合控制方法, DGMSCMG框架系统扰动估计误差不超过框架系统实际扰动的3%, 实际框架角速率跟踪参考指令角速率的精度达到99.2%。此复合解耦控制方法可以满足DGMSCMG框架系统抗干扰能力强、高精度角速率伺服控制的要求。

高速磁悬浮涡轮分子泵因其高能量密度、微振动、无需润滑等优点被广泛应用于工业领域, 但外部电源失效时, 高速转子跌落后与保护轴承产生剧烈撞击和摩擦, 将给系统带来致命损害。针对以上问题, 提出一种基于平均功率平衡法的电力失效补偿控制方法。首先, 设计电机能量回馈电路; 其次, 对Buck-Boost变换器进行数学建模, 设计一种双环非线性控制器, 其中电流内环使用滑模控制, 电压外环使用平均功率平衡控制, 并利用Lyapunov函数推导出系统的稳定性条件; 最后, 通过搭建磁悬浮分子泵PFCC实验平台, 对所提出的方法进行实验验证。结果表明: 本文所提出的方法具有快速响应和输出鲁棒性, 磁悬浮转子由额定转速21 000 r/min降至3 900 r/min时跌落, 电机的能量转化效率为96.6%, 提高了磁轴承系统的安全性。

为了明确由损耗导致航天器应用中的磁悬浮控制力矩陀螺温升问题，需要对损耗和温度分布进行分析计算。本文针对额定转速12 000 r/m，最大角动量200 N·m·s的单框架磁悬浮控制力矩陀螺，通过建立理论模型进行分析计算，得到了框架力矩电机、径向磁轴承、轴向磁轴承和转子高速电机的铁损以及铜损;对陀螺三维有限元模型进行了热场仿真分析，得到在各类损耗影响下的温度分布，并进行了热-结构耦合仿真分析。分析得到最大温度位于高速电机定子，最大温度是48.3 ℃;最后，进行了样机温升实验验证，检测温度最大值位于高速电机定子，最大值为51.8 ℃，与计算值误差为6.8%。通过温升检测实验验证了损耗计算和有限元热场分析。实验结论为整体结构优化提供了理论参考。

工业领域的磁悬浮分子泵用位移传感器除了要具有良好的静态特性外，还应具有高动态响应特性，同时其体积大小还影响着磁悬浮分子泵的抽速、真空度和压缩比。针对高真空磁悬浮分子泵，提出了一种基于Hartley原理的电涡流位移传感器设计方法，将传感器对称探头接入同一振荡电路作为工作电感。对传感器的动态特性进行了分析，并提出了对其动态响应特性在不影响灵敏度和线性度等静态性能的情况下进行补偿的方法。实验结果表明，在-0.4~0.4 mm内，传感器的线性度为±1.17%，灵敏度为9.901 mV/μm，分辨率为0.25%，动态响应带宽达到了10.2 kHz，两径向四路位移信号测量集成电路板体积仅为π×42 cm2，大大减小了传感器体积，满足了磁悬浮分子泵面向更高抽速和更高真空度的发展需求。

针对磁悬浮高速离心式鼓风机的喘振问题, 提出了一种基于磁悬浮轴承的喘振检测方法。该方法采用通用同频陷波器滤除转子位移中的同频分量, 消除了同频扰动对喘振检测的影响; 通过分析不同收敛因子对喘振频率估计的作用, 基于自适应估计提出了变收敛因子的喘振频率和幅值估计方法, 减小了低频信号的干扰, 提高了喘振信号检测的快速响应能力。最后, 分析了改进检测算法的收敛性, 并在100 kW磁悬浮离心式鼓风机测试系统上进行了实验验证。实验结果表明, 改进后的喘振检测算法可在喘振发生前检测出喘振先兆旋转失速信号, 在喘振发生0.23 s内检测出喘振信号, 较改进前的检测结果提高了2.6 s。该检测方法无需外加其它检测单元, 算法简单、快速, 计算量小、并可有效地反映喘振发生过程中频率与振幅的变化。

为提高高速磁悬浮永磁电机的综合性能, 得到最优的设计参数, 针对一台30 kW, 48 000 rpm的磁悬浮电机进行了电磁场、转子动力学以及转子强度分析, 提出一种基于多物理场分析结果的电机尺寸优化方法。使用ANSYS以及ANSOFT对电机进行建模和有限元分析, 并用ISIGHT软件进行集成优化设计。以转子损耗最小为优化目标, 电机几何尺寸为设计变量, 在优化过程中考虑尺寸变化对电机转子模态以及强度的影响, 以尺寸、电机电磁性能、力学性能等为约束条件。经过优化后, 电机的转子损耗减小16.7%, 其余性能均符合设计要求。根据优化设计结果加工了样机并进行电机对拖与温升实验, 结果证明了优化设计的合理性, 验证了本文提出方法的正确性。

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。