永磁偏置混合磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制方法研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的性能提出了各種越來越苛刻要求。在能源動(dòng)力機(jī)械與化工機(jī)械中，要求轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度和精度越來越高、轉(zhuǎn)子與定子間的間隙越小越好以追求更高的效率。而對另一些工作在極端高溫或低溫環(huán)境下的軍工、航空航天領(lǐng)域的旋轉(zhuǎn)機(jī)械來說，除了要求能夠承受嚴(yán)酷的環(huán)境考驗(yàn)之外，對于支撐的可控性，安全及可靠性的考慮往往是第一位的。因此具有較高轉(zhuǎn)速、摩擦功耗小、無需潤滑以及可控性等諸多優(yōu)點(diǎn)的磁懸浮軸承日益成為科技領(lǐng)域和企業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)課題項(xiàng)目

2、之一。
　　 高性能電磁軸承是涉及機(jī)械學(xué)、電磁學(xué)、電子學(xué)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、控制工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程。目前，電磁軸承的研究基本上都是對電氣部分的研究，對機(jī)械部分的相關(guān)研究很少。目前國內(nèi)外對電磁軸承的研究工作，多數(shù)集中在對電氣部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，而對機(jī)械部分的研究工作相對較少。
　　 本文針對電磁軸承的主體一機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)與磁學(xué)特性進(jìn)行了較為深入的研究。根據(jù)現(xiàn)代電磁軸承系統(tǒng)所存在的結(jié)構(gòu)問題，提出了一種永磁偏

3、置混合磁懸浮軸承(HMB)，即把用永久磁鐵產(chǎn)生的磁場取代主動(dòng)磁懸浮軸承中電磁鐵產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁場，而采用電磁鐵作為電磁軸承的調(diào)節(jié)裝置。
　　 本文主要研究內(nèi)容如下：
　　 (1)針對目前電磁軸承中存在的問題，提出了利用永久磁鐵提供偏置磁場、電磁鐵提供控制磁場的混合式主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)。在原有磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一利新型的磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將徑向電磁軸承與軸向電磁軸承做成一體，有效的地提高了磁懸浮軸承

4、的產(chǎn)品性能。
　　 (2)介紹了永磁偏置混合磁軸承的結(jié)構(gòu)及其工作原理，在此基礎(chǔ)上，建立了該磁軸承的等效磁路模型，并采用疊加原理對其磁路進(jìn)行了分析計(jì)算，推導(dǎo)了該磁軸承的承載力計(jì)算表達(dá)式。并介紹了永磁鐵的設(shè)計(jì)與選擇方法以及永磁鐵的工作特性。
　　 (3)利用電磁有限元仿真軟件Ansoft中的Maxwell-2D對電磁軸承進(jìn)行了二維渦流場的計(jì)算，得到了只有永磁鐵時(shí)以及加載電流后的電磁軸承的磁場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度等參數(shù)的分布情況，

5、為電磁軸承的設(shè)計(jì)提供了參考。通過對疊片轉(zhuǎn)子的進(jìn)行有限元分析發(fā)現(xiàn)采用疊片轉(zhuǎn)子比采用實(shí)心轉(zhuǎn)子功耗小，渦流損失小，因此疊片轉(zhuǎn)予具有優(yōu)越性，設(shè)計(jì)可行。
　　 (4)分析了混合電磁軸承的力耦合和運(yùn)動(dòng)耦合現(xiàn)象，得出了轉(zhuǎn)子在不同角度時(shí)，徑向懸浮力沿圓周方向的分布情況，徑向懸浮力與軸向懸浮力的力耦合分布以及電磁軸承的電流與懸浮力之間的關(guān)系。
　　 (5)介紹了磁懸浮軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)，通過對機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析得出單自由度和五自由度轉(zhuǎn)子的

6、數(shù)學(xué)模型，為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。電磁軸承支承的軸承系統(tǒng)本身是不穩(wěn)定的，必須通過對其進(jìn)行反饋控制才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的懸浮。針對混合電磁軸承控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對原有的傳統(tǒng)PID控制方法進(jìn)行了改進(jìn)，形成非線性補(bǔ)償PID控制與基于遺傳算法的PID控制方法，并對三種控制方法進(jìn)行了比較研究。
　　 (6)對系統(tǒng)的控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，利用MATLAB中的Simulink模塊庫對所設(shè)計(jì)的PID控制參數(shù)進(jìn)行了整定調(diào)試。利用設(shè)計(jì)的PID控制器、非