電磁軸承利用可控電磁力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間中,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子與軸承的無接觸狀態(tài),是一種新型的高性能機(jī)電一體化產(chǎn)品。電磁軸承的支承特性是電磁軸承系統(tǒng)中的關(guān)鍵研究之一,尤其是支承剛度和阻尼,剛度阻尼特性對(duì)電磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性、旋轉(zhuǎn)精度等有很大的影響。為了能有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,對(duì)電磁軸承支承剛度和阻尼進(jìn)行更細(xì)致的研究是十分重要的。本文以10kWh儲(chǔ)能飛輪電磁軸承試驗(yàn)樣機(jī)為研究對(duì)象,從理論分析、仿真分析、實(shí)驗(yàn)分析等方面著重研究與分析電磁軸承的支承剛度和阻尼。首先闡述電磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理,建立了徑向單自由度轉(zhuǎn)子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。根據(jù)建立的模型,利用電磁理論推導(dǎo)出電磁力與線圈中電流和間隙的關(guān)系,并在平衡位置附近處對(duì)電磁力進(jìn)行線性化處理�；赑ID控制策略建立單自由度電磁軸承閉環(huán)控制系統(tǒng)模型,得出控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù),利用勞斯判據(jù)確定控制參數(shù)的穩(wěn)定域。然后對(duì)電磁軸承支承剛度和阻尼進(jìn)行理論分析。通過分段積分的方法推導(dǎo)出電磁軸承轉(zhuǎn)子在偏心時(shí)的電磁力,結(jié)合剛度阻尼的概念得出剛度阻尼的計(jì)算公式,并分析了電磁軸承剛度阻尼的影響因素�；赑ID控制策略,分別對(duì)控制系統(tǒng)的控制效果和抗干擾能力進(jìn)行仿... 

【文章來源】：哈爾濱工程大學(xué)黑龍江省211工程院校

【文章頁數(shù)】：83 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

磁懸浮飛輪儲(chǔ)能裝置

7驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析與驗(yàn)證[35]。圖1.1所示為美國波音公司和阿貢試驗(yàn)室合作共同完成的飛輪儲(chǔ)能裝置[36]，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能量為10kWh，最高工作轉(zhuǎn)速為20000rpm。圖1.2所示為日本磁懸浮技術(shù)研究中心設(shè)計(jì)的一種基于10kWh飛輪儲(chǔ)能樣機(jī)的電磁軸承定子結(jié)構(gòu)�？偟膩碚f，美國以及歐洲的一些國家在磁軸承支承技術(shù)研究方面一直走在世界的前列，這些國家的技術(shù)水平也較高，對(duì)電磁軸承的研究也比較深入。截止今天，主動(dòng)磁懸浮軸承技術(shù)已經(jīng)引起了旋轉(zhuǎn)機(jī)械的支承技術(shù)的革命，有關(guān)設(shè)計(jì)和制造的參數(shù)已經(jīng)被各大公司所接受。主動(dòng)磁軸承支承技術(shù)的應(yīng)用范圍也越來越廣泛，例如飛輪儲(chǔ)能裝置、超高速磁懸浮列出、超高速離心機(jī)、空間飛行器的角動(dòng)量飛輪等領(lǐng)域。圖1.1磁懸浮飛輪儲(chǔ)能裝置圖1.2日本研制的電磁軸承定子結(jié)構(gòu)1.4.2國內(nèi)研究概況因?yàn)殡姶泡S承具有其獨(dú)特的優(yōu)越性，所以受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。但我國對(duì)電磁軸承的研究起步比較晚，上世紀(jì)60年代，我國才開始了對(duì)電磁軸承的研究。由于科學(xué)技術(shù)比較落后，設(shè)備不夠先進(jìn)，加上我國對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的研究起點(diǎn)較晚，使我國在該領(lǐng)域的發(fā)展比一些發(fā)達(dá)國家落后了將近20年。清華大學(xué)于1982年從理論層面和試驗(yàn)層面對(duì)單自由度磁懸浮技術(shù)進(jìn)行了研究[37]。1983年上海微電機(jī)研究所也開始了磁懸浮技術(shù)的研究，而且制造出我國首個(gè)電磁軸承試驗(yàn)樣機(jī)，然而該軸承采用的是無源懸浮，且剛度以及承載力較小，并沒將其投入使用。在研究初期因?yàn)檠芯繉?duì)象的模型簡單、剛度孝阻尼差、負(fù)載能力有限等，導(dǎo)致無法真正應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)中。到了九十年代初期，我國的一些高校和研究單位陸續(xù)開始對(duì)磁懸浮技術(shù)的研究，其中包括清華大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、

8武漢理工大學(xué)等多個(gè)院校。進(jìn)入二十世紀(jì)后，清華大學(xué)與江蘇開原技術(shù)有限公司共同研究電磁軸承，并對(duì)電磁軸承在磨床主軸上的高轉(zhuǎn)速應(yīng)用進(jìn)行了測試[38,39]，而且將設(shè)計(jì)研發(fā)的電磁軸承成功應(yīng)用于大功率透平機(jī)發(fā)電項(xiàng)目。如圖1.3所示為清華大學(xué)設(shè)計(jì)的有關(guān)電磁軸承性能測試試驗(yàn)裝置。2005年海爾公司開發(fā)了國內(nèi)首臺(tái)磁懸浮中央空調(diào)，并且在之后的產(chǎn)品發(fā)展中廣泛應(yīng)用。南京磁谷科技有限公司是目前中國第一家以磁懸浮軸承為核心關(guān)鍵技術(shù)的公司，2010年研制出磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)。圖1.3清華大學(xué)設(shè)計(jì)的電磁軸承支承撓性轉(zhuǎn)子我國對(duì)電磁軸承系統(tǒng)剛度阻尼特性的研究主要經(jīng)歷了以下發(fā)展：上世紀(jì)90年代初，王洪禮、吳志強(qiáng)等老師根據(jù)穩(wěn)定性對(duì)電磁力的要求，通過求解控制電流方程，估算出磁力軸承的剛度的計(jì)算公式[40]。1996年，上海大學(xué)的汪希平教授理論分析了電磁軸承剛度阻尼與結(jié)構(gòu)參數(shù)以及控制其參數(shù)之間的關(guān)系，同時(shí)也根據(jù)試驗(yàn)測得系統(tǒng)剛度特性曲線[41]。隨后，趙雷等人從電磁軸承剛度阻尼的角度出發(fā)，簡單設(shè)計(jì)出一種能自動(dòng)測量電磁軸承剛度的系統(tǒng)，完成了剛度的自動(dòng)測量[42]。2001年，徐華、劉淑琴等人采用PD控制，利用有限元分析法得出軸向和徑向電磁軸承的阻尼，并用扭擺振動(dòng)試驗(yàn)測試出軸承阻尼[43]。清華大學(xué)的戴興建、衛(wèi)海崗等建立四自由度的飛輪儲(chǔ)能支承系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子模型，求解了系統(tǒng)的復(fù)特征值問題，分析了模態(tài)頻率和阻尼比隨轉(zhuǎn)速變化的特性，得出阻尼器剛度與阻尼對(duì)模態(tài)阻尼比的影響[44]。南京航空航天大學(xué)的謝振宇老師通過進(jìn)行磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子特性的試驗(yàn)，總結(jié)出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與振幅之間的聯(lián)系，即轉(zhuǎn)子振幅隨著轉(zhuǎn)速的增大逐漸遞增，但在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)會(huì)發(fā)生較大幅度的振動(dòng)[45]。呂冬明等人通過建立非線性支承力模型，分析了電磁軸承的非線性支承特

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
[1]磁力軸承支承的轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)特性研究[D]. 吳華春.武漢理工大學(xué) 2005

碩士論文
[1]復(fù)合材料儲(chǔ)能飛輪結(jié)構(gòu)應(yīng)力及動(dòng)態(tài)特性研究[D]. 周生良.山東大學(xué) 2015
[2]600Wh飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的電磁軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D]. 湯銀龍.哈爾濱工程大學(xué) 2013
[3]PID控制器參數(shù)整定技術(shù)研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 李國林.大連理工大學(xué) 2010
[4]基于多變量的便攜式PID參數(shù)整定儀的開發(fā)[D]. 李華.山東建筑大學(xué) 2010
[5]大型機(jī)床磁懸浮平臺(tái)剛度控制的研究[D]. 吳紅波.沈陽工業(yè)大學(xué) 2007
[6]磁懸浮無軸承無刷直流電機(jī)及其在計(jì)算機(jī)硬盤中的應(yīng)用研究[D]. 方曉廳.西北工業(yè)大學(xué) 2006
[7]PID控制器參數(shù)整定方法及其應(yīng)用研究[D]. 何芝強(qiáng).浙江大學(xué) 2005



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