题目：磁悬浮飞轮系统热分析及其转子优化设计

本课题来源于“十五”民用航天科研专项“卫星新型姿控储能两用飞轮技术”和“卫星新型高精度长寿命磁悬浮反作用飞轮工程化技术及应用研究”。磁悬浮飞轮系统作为高精度航天器的姿态控制执行机构，它的飞轮转子在地面试验时由于不完全抽真空会产生风耗，电机和磁轴承会产生铜耗和铁耗，这些损耗最终都将转化为热量传递到系统中去，系统中温度过高会使温度承载能力差的部件烧毁，并且会引起飞轮组件的热膨胀，导致电机和磁轴承定转子间隙的变化和结构间热应力的产生。由温度过高引起的以上不良影响会降低系统的安全系数和可靠性，增加系统的不稳定性。针对以上问题，本文主要进行了以下几个方面的研究。首先，针对20Nms磁悬浮飞轮系统，利用传热学经典理论计算了飞轮电机定子的温度。并利用有限元软件ANSYS进行了飞轮转子组件的温度场仿真并用实验测试数据进行了验证。在此基础上，进行了飞轮转子的热—结构耦合场分析，并结合静力分析计算了在工作转速和温度场共同作用下的应力和变形。其次，根据空间环境模拟试验条件的要求，以角动量为50Nms的工程化飞轮为研究对象，以热循环试验的温度变化条件进行了瞬态热分析，得到了温度载荷作用下系统的等效应力和变形值及作用位置。最后，综合考虑几何尺寸、结构强度、刚度、热应力等因素对20Nms磁悬浮飞轮系统转子组件的优化设计进行了研究。对磁悬浮飞轮系统温度场及热应力的分析计算在系统设计中具有重要意义，为系统结构优化设计及散热方法的研究提供了重要依据。