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

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.

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

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.