高速电机驱动的机械轴承飞轮存在磨损和振动两大弊病，难以满足高精度、高稳定度和小体积重量的要求。与传统的机械轴承相比，电磁轴承的刚度主动可控、振动小、精度高；磁悬浮轴承的定子和转子之间无接触和磨损，不需要润滑，允许高速旋转，相同角动量情况下飞轮的体积重量大幅下降。近年来，磁悬浮飞轮技术已进入工程应用阶段，以磁悬浮飞轮作为航天器的高性能姿态控制系统的执行机构，是新一代高精度、长寿命航天器的主要发展方向。现有的高速无刷直流电机驱动的磁悬浮飞轮产品主要有磁悬浮偏置动量轮、磁悬浮控制力矩陀螺和磁悬浮姿控储能一体化飞轮等。

　　（1）国外应用研究进展国外磁悬浮支承技术和高速电机驱动的磁悬浮飞轮的研究与应用起步较早，主要是欧美和前苏联一些航天发达国家开展了这方面的研究和应用。

　　1972年，美国nasa开始研究磁悬浮动量轮。20世纪90年代初，在nasapower and propulsion office的支持下，基于电磁轴承的磁悬浮姿控储能两用飞轮技术迅速发展。经过10多年的研究，该项目的地面实验工作已经完成，在电磁轴承控制、高速无刷直流电机控制、集成能量和姿态控制和电机优化设计等方面取得了很大进展。其高速无刷直流电机的转子采用了优化的磁体结构，并从控制上实现了转矩脉动的最小化，电机达到了60 000r／min的高工作转速，转子外缘线速度880m／s，储能密度为44whr／kg，可部分替代化学电池。该中心还研制了用于空间站的磁悬浮姿控储能两用飞轮工程样机，设计指标为电机转速为41000r／min、反向双飞轮结构、储能密度为44whr／kg、输出力矩大于0.5nm。

　　法国aer。spatiale公司生产的高速无刷直流电机驱动的磁悬浮飞轮已经有30多年的历史。1986年2月，法国spot地球资源卫星采用磁悬浮偏置动量轮进行姿态控制，其速度控制采用了锁相环后姿态稳定度达到0.000 1°／s。至今已在多颗卫星上使用磁悬浮飞轮，累计无故障寿命时间超过88年。此外，德国、英国和日本等国也开展了高速磁悬浮飞轮的研究，并部分得到了应用。

　　俄罗斯对磁悬浮控制力矩陀螺研究与应用方面起步较早。前苏联20世纪60年代开始把磁悬浮控制力矩陀螺应用于通讯及气象卫星等大型空间飞行器上，如各代“闪电号”通信卫星；70年代，在“礼炮号”空间站和80年代中期的“和平号”空间站都应用了单框架磁悬浮控制力矩陀螺。从“礼炮3号”开始测试名为“gyr。dynes”的单框架磁悬浮控制力矩陀螺群，并在“礼炮6号”、“礼炮7号”和“和平号”上作为固定设各投入使用。“和平号”空间站上的kvant1和kvant2舱上各有一套gyr。dynes，每套包含6个单框架磁悬浮控制力矩陀螺呈五棱锥构型，其高速电机为永磁无刷直流电机，在设计和控制上充分考虑了上述方法和原则，电机转子额定转速为10000r／min，角动量为1000nms，功耗为90w，每个重量为165kg。 “和平号”空间站从升空到坠毁共在轨15年，gyro-dynes作为“和平号”的主要姿控执行机构，发挥了巨大的作用。

　　日本三菱重工1989年开始研制单框架磁悬浮控制力矩陀螺，以适应姿控执行机构长寿命、低功耗和低振动的要求，电机速度采用了锁相控制，其电机转速为7000～10000r／min、角动量为100nms、输出力矩为50nm。

　　（2）国内应用研究进展 国内基于高速永磁无刷直流电机的磁悬浮飞轮的研究始于20世纪90年代末，相关的主要研制单位有北京航空航天大学、国防科技大学等单位。北京航空航天大学于1999年开始论证单框架磁悬浮控制力矩陀螺之后，在国家863-2高技术航天领域项目的支持下进行了我国空间站用高速、长寿命单框架磁悬浮控制力矩陀螺的攻关，研制出多台角动量为200nms的磁悬浮控制力矩陀螺原理样机，陀螺转子的高速永磁无刷直流驱动电机额定转速为20000r／min，锁相双模速度控制，稳速精度优于0.01％。电机定子采用了无铁空心杯结构，通过在三相桥前加buck变换器来消除pwm调制引起的电枢电流脉动，降低了转子铁耗。研制的磁悬浮姿控储能两用飞轮，设计最高转速为60000r／min、额定转速为50000r／min，采用了新型halbach磁体结构和无铁空心杯定子结构电机，并对电机的整体结构进行了集成设计优化。研制的磁悬浮偏置动量轮，额定转速为42000r／min，锁相双模速度控制，空心杯定子结构电机。

　　对于长期运行且要求高精度敏捷机动能力的航天器，综合考虑体积、重量、功耗和输出力矩大小，都需要采用高速电机驱动的磁悬浮飞轮作为姿控系统的执行机构。磁悬浮飞轮采用新型halbach磁体结构空心杯定子高速无刷直流电机，大大减小了飞轮的体积和等效重量，消除了定子铁耗。锁相双模控制使高速无刷直流电机获得了较高的稳速精度和动态性能。同时，采用基于buck斩波调速消除了导通区的电流脉动，降低了转子铁耗，获得了平滑的转矩特性。从应用效果来看，将高速永磁无刷直流电机用于磁悬浮飞轮，对进一步提高空间飞行器姿态控制系统的整体性能具有重要意义。

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