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。

针对磁悬浮陀螺飞轮用显式洛伦兹力磁轴承气隙磁密均匀性差的问题，提出了一种磁钢内置的隐式洛伦兹力磁轴承，并采用三维有限元法对两种方案的气隙磁密进行比较分析。隐式方案的气隙磁密在周向和纵向的变化率分别为0.8%和8.4%，远优于显式方案的15.0%和23.7%。利用磁场分割法对隐式方案的磁阻进行了区域分割，采用积分法精确计算各区域磁阻，建立了磁轴承磁路数学模型，得到了影响偏转电流刚度的关键结构参数，并基于有限元法对隐式方案形状及结构参数进行详细优化。结果表明，在不恶化气隙磁密变化率的前提下，优化前后绕组区域的最大磁密和最小磁密分别从0.404 T和0.368 T增加至0.464 T和0.427 T，增幅为14.6%和16.0%。根据优化结果研制了一台隐式洛伦兹力磁轴承，并进行了气隙磁密和偏转电流刚度实验测试，测试结果与设计结果相符，对洛伦兹力磁轴承的设计具有重要意义。

本文提出一种重复控制与积分正反馈相结合的控制方法, 以抑制磁轴承系统功耗。首先建立了磁轴承系统的数学模型，分析了由重力、转子不平衡和位移传感器噪声引起的电流噪声的频率特性，分析发现其可分为直流和多谐波两大类; 其次推导了用于消除直流电流的控制器需满足的条件，在此基础上，设计了一种电流积分正反馈算法。通过调节转子的悬浮位置，利用混合磁轴承中永磁体产生的磁力抵消重力，抑制电流的直流分量，采用根轨迹方法确定保证闭环系统稳定的参数取值范围; 然后提出一种嵌入式重复控制方法抑制转子不平衡和位移传感器引起的多谐波电流噪声，采用重构谱理论判定系统的稳定性。最后以磁悬浮控制力矩陀螺为测试平台，对所提出的控制算法进行仿真和实验研究。结果表明: 采用该算法后，电流的直流分量基本被抑制，谐波分量的峰峰值减小了88.3%，功耗减小了7W，验证了该算法的有效性。

提出一种基于角速率前馈与力矩观测相结合的磁轴承负载力矩复合补偿控制方法来提高双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁悬浮转子的悬浮精度。建立了双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁悬浮转子动力学模型, 分析了内外框架转动情况下的磁轴承负载力矩。分别基于框架角速率前馈和力矩观测设计了磁轴承负载力矩复合补偿控制方法, 分析了补偿后系统的稳定性。最后, 利用实验室研制的样机搭建试验平台对本文所提出的方法进行了实验验证。结果表明: 在框架以角加速度120(°)/s2启动至10(°)/s时, 该方法使转子Ax端位移跳动量减小为未补偿前的44.8%; 内外框架以幅值 频率10 Hz正弦激励时, 转子Ax、By端的位移跳动量分别减小为未补偿前的23.4%和35.5%。结果显示提出的方法有效地提高了磁悬浮转子在负载力矩扰动下的悬浮精度。

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。

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。

针对轴向永磁偏置磁轴承一侧线圈无电流时磁轴承承载能力下降且非线性增强的情况, 提出一种反馈线性化与保性能控制相结合的组合容错控制策略来提高轴向磁轴承在故障情况下的承载能力并使其能在承重时稳定悬浮转子。首先, 建立了故障情况下后轴向磁轴承-转子系统的非线性动力学模型, 通过反馈线性化方法使系统大范围线性化。然后, 在考虑参数摄动的基础上设计最优保性能控制器使转子稳定悬浮。最后, 在轴向一侧线圈无电流的永磁偏置磁悬浮转子上进行了多项实验。实验结果表明, 所设计的组合容错控制器实现了承重情况下转子的稳定悬浮, 摄动最大的参数变化约35%时位移跳动量峰值为2.6 μm, 超调量小于3%, 调节时间为82 ms。结果验证了该方法不仅能实现容错控制, 而且具有良好的动静态性能及鲁棒性。

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。

由于磁悬浮控制力矩陀螺转子的不平衡振动会造成控制力矩陀螺系统的同频扰动，影响卫星姿态控制精度与卫星载荷精度，本文提出了基于滑模变结构扰动观测器的磁轴承主动振动控制方法。首先，对不平衡扰动力和力矩作用下的磁轴承-转子系统进行建模；接着，设计了滑模变结构扰动观测器观测不平衡扰动力和力矩；然后，利用跟踪微分器估计位移传感器输出信号的微分获取速度信号，降低观测器的阶数；最后，将滑模扰动观测器的输出引入磁轴承控制器，对观测得到的同频不平衡扰动力和力矩进行补偿。仿真和试验结果均表明，设计的滑模变结构观测器实现了对不平衡扰动的观测，通过控制器有效地实现了对不平衡扰动的补偿，减少了72%的同频振动。

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46 g，比初始质量112 g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。