مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

طراحی، شبیه‌سازی FEM و پیاده‌سازی سیستم یاتاقان مغناطیسی غیرفعال بر روی عملگر چرخ عکس‌العملی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
سیدحامد حسینی 1
مهران محبوب‌خواه 1
مرتضی فرهید 2
1 گروه مهندسی ساخت و تولید، دانشکده فنی مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
2 پژوهشکده رانشگرهای فضایی، پژوهشگاه فضایی ایران، تبریز، ایران
چکیده
استفاده از یاتاقان‌های مغناطیسی به‌منظور شناورسازی محور موتورهای الکتریکی با استفاده از نیروی الکترومغناطیسی و کاهش اصطکاک و افزایش دور و مومنتوم زاویه‌ای، یکی از چالش‌های موجود صنایع هوافضا است. در این مقاله، یاتاقان مغناطیسی غیرفعال برای عملگر چرخ عکس‌العملی، عملگری که برای تغییر و کنترل وضعیت ماهواره‌های فضایی به‌کار می‌رود، طراحی و با استفاده از نرم‌افزار کامسول تحلیل شده و عملکرد آن پس از ساخت در حالت‌های مختلف بررسی شده است. یاتاقان مغناطیسی غیرفعال در چرخ عکس‌العملی، وقتی روتور از موقعیت مرکزی محور دورانی خارج می‌شود، نیروی بازگردانی که نتیجه دافعه میان قطب‌های هم‌نام مغناطیس‌های دائمی است را ایجاد می‌کند و روتور را به موقعیت محور مرکزی هدایت می‌نماید. ساختار یاتاقان مغناطیسی غیرفعال محوری بر مبنای الزامات فیزیکی و مغناطیسی، طراحی و توزیع چگالی شار مغناطیسی و خصوصیات استاتیک نیرویی یاتاقان با استفاده از شبیه‌سازی در نرم‌افزار کامسول برآورد شده و ضریب سفتی از خصوصیات استاتیکی به‌دست آمده است. انتخاب صحیح چینش‌ها و استحصال سفتی بالا نقش به‌سزایی در کاهش توان مصرفی و نگهداری چرخ عکس‌العملی دارد که در این مقاله به تحلیل و طراحی آن پرداخته شده و ساختار متناسب بر روی آن پیاده شده و نتایج عملکردی دورانی و توان مصرفی آن آورده شده است. نتایج حاصل از شبیه‌سازی‌های اجزای محدود نشان‌دهنده تاثیرات ساختار انباشته مغناطیسی بر روی مشخصات نیرویی و سفتی مغناطیسی یاتاقان بوده و آزمایشات تجربی حاکی از افزایش سرعت دورانی و مومنتوم چرخ عکس‌العملی در حالت استفاده ترکیبی یاتاقان مغناطیسی غیرفعال و یاتاقان مکانیکی است.
کلیدواژه‌ها
یاتاقان مغناطیسی غیرفعال
آرایه‌های مغناطیسی
عملگر چرخ عکس‌العملی
روش تحلیل المان محدود (FEM)

موضوعات

عنوان مقاله English

Design, FEM Simulation, and Implementation of a Passive Magnetic Bearing for the Reaction Wheel Actuator

نویسندگان English

S.H. Hosseini 1
M. Mahboubkhah 1
M. Farhid 2
1 Manufacturing Engineering Department, Mechanical Engineering Faculty, University of Tabriz, Tabriz, Iran
2 Space Thrusters Institute, Iranian Space Research Center, Tabriz, Iran
چکیده English

One of the important challenges of the aerospace industry is the use of magnetic bearings and generating the electromagnetic flux in motor to increase its speed of rotation and angular momentum. In this paper, the passive magnetic bearing for the reaction wheel actuator which is used to modify the status of space satellite is designed and analyzed using the COMSOL software. The performance of constructed reaction wheel in various modes is evaluated. In the passive magnetic bearing system, when the rotor exits the center position of the rotational axis, the return force that results from repulsion between the poles of the same permanent magnet directs the rotor to the center axis position. In the paper, the axial passive magnetic bearing is designed, and the distribution of magnetic flux density and static force of the bearing is estimated using simulation in the software and the stiffness coefficient is obtained from the static properties. To reduce the power consumption of the reaction wheel, various layouts were investigated. Then, based on design and analysis results, the appropriate bearing to achieve the maximum rotational speed and the minimum power consumption is introduced. The results of the FEM analysis clarified the effects of the magnetic stacking structure on the force and magnetic stiffness of the bearing and finally, the experiments proved that the rotational speed and momentum of the reaction wheel are increased in the combined use of the mechanical and passive magnetic bearings.

کلیدواژه‌ها English

Passive Magnetic Bearing
Magnetic Arrays
Reaction Wheel Actuators
Finite Element Analysis (FEM)
Waukesha Magnetic Bearings. Magnetic Bearing [Internet]. Waukesha: Waukesha Bearings; 2017 [Unknown Cited]. Available from: http://www.waukbearing.com [Link]
Beams J. Production and use of high centrifugal fields. Science. 1954;120(3121):619-625. [Link] [DOI:10.1126/science.120.3121.619]
Yonnet JP. Passive magnetic bearings with permanent magnet. IEEE Transactions on Magnetics. 1978;14(5):803-805. [Link] [DOI:10.1109/TMAG.1978.1060019]
Yonnet JP. Permanent magnetic bearing and couplings. IEEE Transactions on Magnetics. 1981;17(1):1169-1173. [Link] [DOI:10.1109/TMAG.1981.1061166]
Yonnet JP, Lemarquand G, Hemmerlin S, Olivier Rulliere E. Stacked structures of passive magnetic bearings. Journal of Applied Physics. 1991;70(10):6633-6635. [Link] [DOI:10.1063/1.349857]
Mukhopadhyay SC, Ohji T, Iwahara M, Yamada S, Matsumura F. Permanent magnet configuration in repulsive type magnetic bearing for improved radial disturbance attentuation characteristic. Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering. 1998;17(1-3):290-295. [Link] [DOI:10.1108/03321649810208274]
Siebert M. Passive magnetic bearing development [Report]. Toledo: University of Toledo; 2002. [Link]
Hamler A, Gorican V, Stumberger B, Jesenik M, Trlep M. Passive magnetic bearing. Magnetism and Magnetic Materials. 2004;272-276:2379-2380. [Link] [DOI:10.1016/j.jmmm.2003.12.972]
Samuel A, Leachable B. An overview on aerospatiale magnetic bearing products for spacecraft attitude control and for industry. Third International Symposium on Magnetic Suspension Technology, 7 December 1996, Washington, United States. Chicago: NTRS; 1996. [Link]
Iranian Space Research Institute. IR series reaction wheel [Internet]. Tabriz: Space Thrust Research Institute; 2016 [Unknown Cited]. Available from: Not Found. [Persian] [Link]
AlizadehTir M, Marignetti F, Mirimani SM. Axial flux machine using passive magnetic bearing with axial magnetization. IEEE International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, 20-22 June 2018, Amalfi, Italy. Piscataway: IEEE; 2018. [Link] [DOI:10.1109/SPEEDAM.2018.8445276]
Gallego GB, Rossini L, Achtnich T, Zwyssig C, Araujo DM, Perriard Y. Force and torque model of ironless passive magnetic bearing structures. IEEE International Electric Machines & Drives Conference, 12-15 May 2019, San Diego, United States. Piscataway: IEEE; 2019. [Link]
Safaeian R, Heydari H. Optimal design of a compact passive magnetic bearing based on dynamic modelling. IET Electric Power Applications. 2019;13(6):720-729. [Link] [DOI:10.1049/iet-epa.2018.5674]
Tănase N, Morega AM, Chiriță I, Ilie C. Passive magnetic bearing-design and numerical simulation. 2019 11th International Symposium on Advanced Topics in Electrical Engineering (ATEE), 28-30 March 2019, Bucharest, Romania. Piscataway: IEEE; 2019. [Link] [DOI:10.1109/ATEE.2019.8724949]
Zhang H, Kou B, Zhou Y. Analysis and design of a novel magnetic levitation gravity compensator with low passive force variation in a large vertical displacement. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2019;67(6):4797-4805. [Link] [DOI:10.1109/TIE.2019.2924858]
Olejnik A, Falkowski K. Passive magnetic bearings at the rotary application. In: Pennacchi P. Mechanisms and machine science. Berlin: Springer; 2015. [Link] [DOI:10.1007/978-3-319-06590-8_121]
Feipeng X, Tiecai L, Yajing L. A study on passive magnetic bearing with Halbach magnetized array. 2008 International Conference on Electrical Machines and Systems in IEEE, 17-20 October 2008, Wuhan, China. Piscataway: IEEE; 2008. [Link]
Mystkowski A, Ambroziak L. Investigation of passive magnetic bearing with Halbach-array [dissertation]. Bialystok: Bialystok University; 2010. [Link]
Ravaud R, Lemarquand G, Lemarquand V. Halbach structures for permanent magnets bearings. Progress in Electromagnetics Research. 2010;14:263-277. [Link] [DOI:10.2528/PIERM10100401]
Pranab S, Hirani H. Magnetic bearing configurations: Theoretical and experimental studies. IEEE Transactions on Magnetics. 2008;44(2):292-300. [Link] [DOI:10.1109/TMAG.2007.912854]
Marinescu M, Marinescu N. A new improved method for computation of radial stiffness in permanent magnet bearings. IEEE Transactions on Magnetics. 1994;30(5):3491-3494. [Link] [DOI:10.1109/20.312691]
Murakami K, Komori M, Mitsuda H, Inoue A. Design of an energy storage flywheel system using permanent magnet bearing (PMB) and superconducting magnetic bearing (SMB). Cryogenics. 2007;47(4):272-277. [Link] [DOI:10.1016/j.cryogenics.2007.03.001]
Paden B, Groom N, Antaki JF. Design formulas for permanent-magnet bearings. Journal of Mechanical Design. 2003;125(4):734-738. [Link] [DOI:10.1115/1.1625402]
Paudel N. Comsol blog, Comsol Multiphysics [Internet]. Unknown City: Comsol; 2017 [Unknown Cited]. Available from: http://www.comsol.com/blog [Link]
Premkumar TM, Mohan T, Sivamania S. Design and analysis of a permanent magnetic bearing for vertical axis small wind turbine. Energy Procedia. 2017;117:291-298. [Link] [DOI:10.1016/j.egypro.2017.05.134]
Schweitzer G. Characteristics of a magnetic rotor bearing for active vibration control. In First International Conference on Vibrations in Rotating Machinery. Unknown Publisher; 1976. [Link]
Granström M. Design and analysis of a 1DOF magnetic bearing. No.1 [dissertation]. Stockholm: KTH Industriell teknik och management Maskinkonstruktion; 2011. [Link]
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 20، شماره 8
مرداد 1399
صفحه 2129-2137