题目：惯性执行机构用高承载比低功耗磁轴承设计方法与实验研究

以磁轴承代替机械轴承对惯性执行机构的转子进行支承，可以延长其使用寿命，提高姿态控制及姿态稳定的精度，并能通过主动振动控制抑制转子不平衡振动的影响。受航空航天应用场合限制，磁悬浮惯性执行机构对其采用的磁轴承的体积质量及功耗要求较苛刻，因此磁轴承的高承载比低功耗设计是磁悬浮惯性执行机构研制与发展的难题。本文以永磁偏置磁轴承及被动磁轴承为研究对象，围绕磁轴承设计中如何提高承载比减小功耗进行研究，分别从新结构的提出及设计方面，针对独立磁极式永磁偏置径向磁轴承、非对称永磁偏置轴向磁轴承、三自由度永磁偏置锥形磁轴承以及吸力型组合式被动磁轴承开展研究，论文的主要创新点如下：

1、针对传统径向磁轴承结构承载比随直径增大而急剧减小的问题，基于磁轴承的高承载比分析方法，提出了一种新型独立磁极式径向磁轴承结构，解决了传统径向磁轴承中含周向磁通的导磁轭质量较大以致承载比难以提高的问题。为进一步减小磁轴承的质量，提高承载比，采用序列二次规划法以质量最小为目标，对整个磁轴承的设计进行了优化，特别是对第二气隙的取值进行了优化，将该结构的永磁偏置径向磁轴承应用于磁悬浮惯性稳定平台中，实现了大直径永磁偏置径向磁轴承的高承载比。

2、针对常规轴向磁轴承应用于磁悬浮惯性稳定平台时存在体积质量大的问题，提出了磁极对称度的概念，在此基础上提出了一种新型非对称永磁偏置轴向磁轴承结构，并采用遗传算法以质量和功耗综合最小为目标进行了磁轴承的多目标优化设计。通过对这种新型磁轴承进行性能分析，得到了非对称磁轴承设计中应遵循的设计原则以及定子对称度对磁轴承性能的影响。将优化后的非对称轴向磁轴承应用于磁悬浮惯性稳定平台方位框的轴向悬浮中，实现了永磁偏置轴向磁轴承的高承载比低功耗，并通过系统实验进行了验证。

3、针对常规径轴向一体化磁轴承在微框架磁悬浮飞轮应用中存在附加力矩大、通道耦合严重的问题，提出了一种新型三自由度锥形磁轴承结构，并采用积分法建立了磁轴承的气隙磁阻及磁路模型，得到了其高承载比低附加力矩设计方法。这种新型三自由度锥形磁轴承结构通过将该磁轴承的轴向控制磁极设计为锥面且法线正对飞轮转子中心，解决了飞轮转子扭转时磁轴承会产生较大附加力矩的问题；通过在磁轴承径向磁极中加入隔磁块进行解耦设计，解决了磁轴承在径向X、Y通道之间的磁路耦合问题，并在微框架磁悬浮飞轮中进行了实验验证。

4、针对大直径被动磁轴承永磁体拼块带来的磁场波动以及高速下涡流损耗大的问题，提出了一种新型永磁与软磁材料组合的吸力型被动磁轴承结构，并提出了一种基于端部磁通的轴承力/力矩分析方法以及磁轴承优化设计方法。这种新型组合式吸力型被动磁轴承利用软磁材料的聚磁及磁场平滑作用，提高了被动磁轴承的承载刚度，减小了拼块永磁体产生的磁场波动，进而降低了被动磁轴承的旋转损耗。将此被动磁轴承应用于主被动双框架磁悬浮控制力矩陀螺中，实现了被动磁轴承的高刚度低功耗，并在系统实验中得到了验证。