1. 文章研究主要问题

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。

2. 结论

文章从磁钢与顺磁环的形状结构及两者的位置关系出发，首次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比较分析了两种磁轴承的气隙磁密特性，得到了较优的隐式方案。采用磁阻分割法建立了隐式洛伦兹力磁轴承的数学模型，得到了其偏转电流刚度数学表达式，在此基础上，利用电磁场数值法对其电磁结构进行实例设计，基于设计结果研制了一台隐式洛伦兹力磁轴承，并进行了相关实验测试。磁密测试结果均与设计值相符，验证了理论分析和设计结果的正确性。电流刚度测试结果同样满足大力矩输出要求。

3. 思想脉络

3.1 引言

简要介绍了飞轮的用途，对比了机械飞轮和磁悬浮飞轮的特点，进而介绍了磁悬浮飞轮的三种类型，提出现有的三大类磁悬浮飞轮虽然输出力矩精度高，但力矩较小，无法满足XX敏捷机动的需求。最后引出磁悬浮陀螺飞轮（暂时先把它和微框架磁悬浮飞轮等价来看）。首先提出根据磁悬浮陀螺飞轮磁轴承构型的不同，可分为磁阻力构型、洛伦兹力构型和基于磁阻力和洛伦兹力的混合构型。最后介绍了三种磁阻力构型的陀螺飞轮方案，提出此构型的悬浮磁力通过磁场预偏置的方式使其线性化，存在位移负刚度，且控制精度较低。介绍了几种洛伦兹力构型的陀螺飞轮方案。指出，洛伦兹力磁轴承具有线性度好和控制精度高的优点，但是其承载力低，地面工作时，需配备独立的卸载磁阻力磁轴承。介绍了几种基于磁阻力和洛伦兹力的混合构型的磁悬浮陀螺飞轮方案。提出了现有洛伦兹力磁轴承均为显式（磁钢外置）结构，其磁钢位于气隙两侧，端部磁路边缘效应明显，漏磁严重，气隙内磁密均匀性差。面对上述问题，文章首次提出了一种磁钢内置的隐式洛伦兹力磁轴承，并将对其进行详细的分析以及设计。

3.2 磁悬浮陀螺飞轮

介绍了磁悬浮陀螺飞轮的结构，并指出此结构可以实现消除平动悬浮对偏转悬浮的干扰。并绘制了磁悬浮陀螺飞轮结构示意图。

3.3 洛伦兹力磁轴承方案

首先提出洛伦兹力磁轴承直接决定偏转悬浮精度和进动控制力矩精度，因此有必要对其进行详细研究。根据永磁体在洛伦兹力磁轴承中的位置，将其分为显式洛伦兹力磁轴承和隐式洛伦兹力磁轴承，并对显式方案进行分析，并绘制磁力线分布图，气隙磁密云图，周向磁密图。又对隐式方案进行分析，并绘制磁力线分布图，气隙磁密云图，周向磁密图。发现，虽然隐式方案的最大磁密和最小磁密均小于显式方案的最大磁密和最小磁密，且偏转刚度偏小，但是隐式方案的周向磁密变化率与纵向磁密变化率远优于显式方案。

3.4 磁轴承数学模型

3.4.1 磁路分析

对隐式方案进行分析，采用磁场分割法，绘制出磁阻分割区域图，求出各区域的磁阻。绘制出隐式方案的等效磁路图，并推导出气隙磁通与对应位置的磁密的表达式。

3.4.2 磁轴承数学模型

推导出了隐式洛伦兹力磁轴承的轴承偏转电流刚度。

3.5 磁轴承设计

根据上文分析，在气隙宽度一定的前提下，磁钢充磁长度和导磁环边角共同决定了轴承的偏转刚度。磁钢气隙侧的顶角影响着上绕组下边缘和下绕组上边缘气隙内的磁密分布。因此文章这一部分，从上述三个角度对隐式洛伦兹力磁轴承进行电磁性能分析。最终设计出了隐式洛伦兹力磁轴承的结构，并给出优化后的磁力线图。

3.6 测试实验

利用磁密测试装置对基于设计结果研制的隐式洛伦兹力磁轴承进行磁密测试实验。并附测试装置实物图与磁密测试实验结果图。将隐式洛伦兹力磁轴承装配到磁悬浮陀螺飞轮上后进行了偏转电流刚度测试实验。并附电流刚度测试实验实物图。

3.7 结论

提出结论。

4. 自己的总结、评价

4.1 总结

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0.404Ｔ和0.368Ｔ增加至0.464Ｔ和0.427Ｔ。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。文章从改进显式洛伦兹力磁轴承气隙磁密均匀性差的角度出发，初步设计了隐式洛伦兹力磁轴承，虽然其周向和纵向磁密变化率很低，但其气隙磁密与偏转刚度与显式洛伦兹磁轴承相比偏小，为了解决这一问题，文章继续对隐式洛伦兹力磁轴承进行设计，改进其磁密分布与偏转刚度，最终设计出的隐式洛伦兹力磁轴承，周向和纵向磁密变化率很低，且通过了电流刚度测试，解决了问题。

4.2 可以学习的点

文章内有Visio绘制的磁悬浮陀螺飞轮结构示意图。文中有磁力线分布图。文章内的气隙磁密云图以及周向磁密图挺漂亮。文章采用了磁场分割法与积分法求出了各区域的磁阻。本文的等效磁路图相对复杂，同样也推导了磁通密度的公式。推导出了偏转电流刚度的公式。轴向磁密分布图和周向磁密分布图好看。电流刚度测试实验图好看。

5. 改进

6. 读完文献后产生的疑问

周向磁密变化率的影响 周向磁密变化率小，对提高磁轴承补偿力矩精度和控制力矩精度十分有利。