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1、姿態(tài)控制用永磁球形電機磁場分析MagneticFieldAnalysisofPermanentMagnetSphericalMotorforAttitudeControl（國家自然科學基金資助項目51677130）學科專業(yè)：電氣工程作者姓名：李志天指導教師：李斌副教授天津大學電氣自動化與信息工程學院二零一七年十二月摘要傳統(tǒng)的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)一般是由多臺動量輪或控制陀螺組成，系統(tǒng)結構冗余、控制復雜，嚴重影響了衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的體積、重量、功耗和成本。球形電機是近年來出現(xiàn)的一種新型多自由度電磁裝置，能夠代替沉重復雜的機械傳動結構，實現(xiàn)轉子的三自由度運動，在航
2、天領域有著廣闊的應用前景。本文以衛(wèi)星姿態(tài)控制用永磁球形電機為研究對象，球形電機采用雙多面體結構。轉子磁極采用圓柱形永磁體，N、S極交替分布在虛擬正六面體與球相接的頂點上，定子線圈分布在虛擬正八面體與球相接的頂點以及以球心為起點，過面心和棱中點的射線在球面的輻射點上。永磁球形電機中赤道層表貼式二面錐形磁極由于上下所跨緯度、左右所跨經(jīng)度相同，其空間磁場可以用球諧函數(shù)的形式很好的進行解析和表達，而圓柱形磁極由于易于制造和空間磁場對稱性，在球形電機轉子磁極的設計中應用廣泛，因此考慮將虛擬赤道層圓柱形磁極近似等效成厚度相同的表貼式二面錐形磁極。通過結合邊界條件解拉
3、普拉斯方程的方法，得到其空間磁場密度的數(shù)學解析模型。經(jīng)過旋轉變換得到其它球面分布磁極的空間磁場解析模型，將其線性疊加，可以得到近似表貼式二面錐形磁極轉子整體磁場的解析模型。通過與有限元法仿真和實驗測量得到的磁場數(shù)據(jù)進行對比，證明了此方法的合理性和有效性。此方法具有普遍意義和推廣價值，為后續(xù)球形電機的轉矩計算、結構優(yōu)化和控制系統(tǒng)等研究奠定了基礎。關鍵詞：姿態(tài)控制，永磁球形電機，圓柱形磁極，近似等效，二面錐形磁極，旋轉變換，轉子磁場ⅠABSTRACTThetraditionalsatelliteattitudecontrolsystemisgenerally
4、composedofmultiplecontrolmomentgyroscopesorflywheels.Thesystemstructureiscomplicatedandthecomponentsareredundantlyrepeated,whichseriouslyaffectstheweight,volume,powerconsumptionandcostoftheattitudecontrolsystem.Sphericalmotorisanewtypeofmulti-degree-of-freedomelectromagneticdevic
5、ethathasemergedinrecentyears.Itcanreplacethree-degree-of-freedommotionoftherotorinsteadofthecomplicatedandcomplicatedmechanicaltransmissionstructure.Ithasbroadapplicationprospectinaerospacefield,butitisdirectlyusedasamomentumexchangedevicewhichisstillinitsinfancy.Inthispaper,thep
6、ermanentmagnetsphericalmotorforsatelliteattitudecontrolistakenastheresearchobject,thesphericalmotoradoptsthedoublepolyhedronstructure.Therotorpolesarecylindricalpermanentmagnets,andtheNandSpolesarealternatelyarrangedontheverticesconnectingthevirtualregularhexahedronandtheball.The
7、statorcoilsaredistributedattheverticesoftheimaginaryoctahedronconnectedtothesphere,andthepointstherayspassingthecenterofthefaceandthemidpointoftheedgeandstartingfromthespherecenterareprojectedonthesphericalsurface.Duetothesurface-mountdihedralconepolecrossingthesamelongitudeupand
8、downandthesamelatitudeleftandrightinthee
