【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 年代，英國(guó)、日本和德國(guó)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)方案，分別制造出了磁懸浮列車的樣機(jī)。德國(guó)對(duì)磁懸浮技術(shù)的研究主要集中在電磁型(Electro Magic System，簡(jiǎn)稱 EMS 型，也稱吸力型、常導(dǎo)型 )磁懸浮列車的研究。日本主要集中于電動(dòng)型(Electro Dynamic System，簡(jiǎn)稱 EDS 型，也稱斥力型、超導(dǎo)型 )磁懸浮列車的研究與開發(fā)工作。與此同時(shí)，主動(dòng)磁懸浮技術(shù)在軸承領(lǐng)域的應(yīng)用也取得了驚人的成績(jī)：1972 年，將第一個(gè)磁懸浮軸承用于衛(wèi)星導(dǎo)向輪的支承上，從而揭開了磁懸浮軸承發(fā)展的序幕。此后，磁懸浮軸承很快被應(yīng)用到國(guó)防、航天等各個(gè)領(lǐng)域。1976 年法國(guó) SEP 公司和瑞典 SGY 公司聯(lián)合成立了 S2M 公司，專門開發(fā)工業(yè)應(yīng)用的磁懸浮軸承，二十多年來(lái)該公司已經(jīng)開發(fā)了多個(gè)磁懸浮軸承產(chǎn)品。技術(shù)的進(jìn)步和市1 緒論 碩士論文6場(chǎng)的推動(dòng)使磁懸浮軸承開始廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工電主軸、透平液體(氣體)壓縮機(jī)、真空泵、高速機(jī)械和發(fā)電站等。1983 年 11 月，歐洲空間試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)采用了磁懸浮軸承真空泵。1986 年，日本在 H1 型火箭上進(jìn)行了磁懸浮飛輪的實(shí)驗(yàn)。1988 年，在瑞士蘇黎世召開了第一屆國(guó)際磁力軸承會(huì)議(International Symposium on Magic Bearings，ISMB1)，此后該會(huì)議每?jī)赡暾匍_一次。1991 年，美國(guó)航空航天管理局召開了“磁懸浮技術(shù)在航天中的應(yīng)用(Aerospace application of Magic Suspension Technology)”的學(xué)術(shù)討論會(huì)，此后也是每?jī)赡暾匍_一次。在這些會(huì)議上，發(fā)表了大量關(guān)于磁力軸承研究的論文，極大推動(dòng)了磁力軸承應(yīng)用的研究。國(guó)際上的這些研究工作也大大推動(dòng)了磁軸承技術(shù)的發(fā)展。早在上世紀(jì) 60 年代初，我國(guó)也開始從事磁軸承的研究，涉足的單位有 10 余家。然而，許多單位時(shí)斷時(shí)續(xù)，或半途停止。20 世紀(jì) 80 年代，我國(guó)又興起對(duì)磁懸浮軸承的研究。1986 年，廣州機(jī)床研究所與哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)“磁力軸承的開發(fā)及其在 FMS 中的應(yīng)用”課題進(jìn)行了研究。清華大學(xué)對(duì)磨床電主軸及磁力軸承相關(guān)的電渦流傳感器、數(shù)字控制器進(jìn)行了研究，并在無(wú)錫機(jī)床廠進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，靜態(tài)剛度為 。西安交通大學(xué)對(duì)支承飛輪的磁力軸承和渦輪膨脹機(jī)用磁力軸承進(jìn)行了研究。從 1992 年起，武漢理工大學(xué)相繼對(duì)磁力軸承高速磨削主軸機(jī)構(gòu)以及磁力軸承虛擬設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特性、磁力軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的力耦合和力矩耦合進(jìn)行了深入研究?，F(xiàn)在華中科技大學(xué)正在研究飛輪電池的磁懸浮支承系統(tǒng)。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、天津大學(xué)、山東科技大學(xué)、西安理工大學(xué)等高校也在進(jìn)行磁懸浮軸承方面的研究。中國(guó)第一臺(tái)載人磁懸浮列車于 1995 年 5 月 11 日在國(guó)防科技大學(xué)研制成功，使中國(guó)成為繼德國(guó)、日本、英國(guó)、蘇聯(lián)、韓國(guó)之后，第六個(gè)研制成功磁懸浮列車的國(guó)家。這標(biāo)志著中國(guó)磁懸浮技術(shù)研究已進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列 [7]，標(biāo)志著我國(guó)已掌握了磁懸浮列車的關(guān)鍵技術(shù)。2022 年，全世界第一條磁懸浮列車(引進(jìn)德國(guó)技術(shù))在中國(guó)上海進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。2022 年 8 月 21 日擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中國(guó)永磁懸浮列車，在“中華 06 號(hào)”試驗(yàn)車上實(shí)驗(yàn)成功，最高時(shí)速達(dá)到 536 公里，超過(guò)德國(guó)磁懸浮列車的速度。這是中國(guó)磁懸浮列車技術(shù)的新里程碑，也是國(guó)人的驕傲。在 2022 年 8 月，由清華大學(xué)、武漢理工大學(xué)等單位發(fā)起的第一屆中國(guó)電磁軸承學(xué)術(shù)會(huì)議(CSMB―l)在北京舉行，主題是“磁懸浮軸承研究進(jìn)展”， 由此開了我國(guó)磁懸浮軸承領(lǐng)域?qū)W術(shù)探討的先河?？傮w來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展國(guó)內(nèi)的磁力軸承機(jī)械結(jié)構(gòu)研究已經(jīng)比較成熟，控制系統(tǒng)研究取得了一些進(jìn)展，但穩(wěn)定性和可靠性不是很理想，且大多處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，而且整體造價(jià)很高，離工業(yè)運(yùn)用還有一段很長(zhǎng)的路要走。要想把磁懸浮軸承在工業(yè)運(yùn)用中推廣，關(guān)鍵看控制系統(tǒng)的研究能否取得突破性的進(jìn)展，另外成本也不能太高。磁懸浮軸承控制系統(tǒng)的研究，是目前以及今后研究的一大熱點(diǎn)，碩士論文 軸向磁懸浮軸承及控制器研究7也是本文工作過(guò)程中的重點(diǎn)。 磁懸浮軸承的研究現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)外掀起了磁懸浮軸承的研究熱潮，主要集中在如下幾個(gè)方面：(l)新材料的研制。磁性材料對(duì)磁力軸承性能產(chǎn)生很大的影響，磁力軸承的轉(zhuǎn)速不僅受磁性材料的強(qiáng)度限制，而且還與電磁力大小和磁性材料的導(dǎo)磁率有關(guān)。此外，磁力軸承的功耗也受到磁性材料渦流損耗的影響。因此，新材料的研制已經(jīng)成為磁力軸承技術(shù)突破這些限制的重要途徑之一。(2)系統(tǒng)建模。在磁力軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)建模時(shí)，不再是基于懸浮物體的解耦控制，而是更多的考慮了整個(gè)系統(tǒng)各種狀態(tài)之間的耦合效應(yīng)。例如，美國(guó)的 Virgin 等學(xué)者發(fā)現(xiàn)了幾何耦合參數(shù)對(duì)系統(tǒng)勢(shì)能的兩種影響，通過(guò)理論剛度和非線性剛度的引入，研究了兩自由度電磁軸承的非線性運(yùn)動(dòng)特征。(3)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析。由于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)受到控制系統(tǒng)參數(shù)的影響，因此，在理論分析時(shí)，磁力軸承的研究更為重視轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析 [8]，從而能夠進(jìn)一步改善控制方法。近年來(lái)磁力軸承的研究考慮了非線性影響，用非線性理論對(duì)磁力軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的平衡點(diǎn)以及穩(wěn)定性進(jìn)行判別。(4)控制系統(tǒng)方面。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是磁力軸承技術(shù)的核心，它的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。在主動(dòng)磁力軸承系統(tǒng)中，控制方式主要有模擬控制和數(shù)字控制兩種。由于具有硬件集成度高，參數(shù)修改方便，數(shù)字控制成為當(dāng)代磁力軸承的研究主流，目前應(yīng)用最普遍的是數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) [9]。但數(shù)字控制方式也有速度慢，成本高等缺點(diǎn)。(5)控制理論研究。理論研究涉及到經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制理論。目前研究的熱點(diǎn)主要集中在新型 PID，模糊控制，自適應(yīng)控制，迭代學(xué)習(xí)控制，TDC(時(shí)延控制)，SMC(滑模控制 )，各種方法的綜合應(yīng)用等。第六屆磁力軸承國(guó)際會(huì)議中還出現(xiàn)了基因算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在磁力軸承應(yīng)用的論文，如多目標(biāo)基因算法在線性化調(diào)整 PID 控制器，基因算法在線性調(diào)節(jié) AMB 控制器，以及單神經(jīng)元 PID 參數(shù)自校正控制的應(yīng)用。(6)工業(yè)應(yīng)用。目前對(duì)磁力軸承的研究工作己經(jīng)不再僅限于理論方面，磁力軸承的應(yīng)用也越來(lái)越多的受到科學(xué)界的重視。例如，瑞士聯(lián)邦工學(xué)院 Schweitzer Gerhard 等人研究了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)以及汽輪機(jī)的高溫對(duì)電磁軸承的影響，該校洛桑分部的 Kummerle 等學(xué)者采用了加速反饋法提高計(jì)算機(jī)硬盤中微型電磁軸承的剛度；德國(guó)學(xué)者 Rainer Nordmall 等人則利用電磁軸承對(duì)機(jī)床加工過(guò)程進(jìn)行故障診斷，同時(shí)制造了一種低成本的簡(jiǎn)易電磁軸承，使其能應(yīng)用于中小企業(yè)中。磁懸浮軸承是涉及機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、動(dòng)力學(xué)、控制工程、電磁學(xué)、電子學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科于一體的研究，由于涉及的學(xué)科領(lǐng)域較多，研究難度相對(duì)較大。與國(guó)1 緒論 碩士論文8外在磁懸浮軸承研究領(lǐng)先的國(guó)家相比，由于我國(guó)起步晚，再加上國(guó)外對(duì)技術(shù)的保密性，國(guó)內(nèi)磁懸浮軸承技術(shù)還不成熟、不完善。主要是在控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和精確性等方面存在問(wèn)題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本較高，目前還難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。 磁懸浮軸承的發(fā)展趨勢(shì)縱觀磁懸浮軸承的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，今后磁力軸承研究領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)可概括為以下幾個(gè)方面：(l)超導(dǎo)磁力軸承的研究。隨著近年來(lái)高溫超導(dǎo)材料和抗磁材料研究的突破進(jìn)展，超導(dǎo)磁力軸承引起了科研人員的關(guān)注，高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，將使超導(dǎo)磁力軸承在部分領(lǐng)域?qū)ζ胀ù帕S承構(gòu)成挑戰(zhàn)。(2)混合磁懸浮軸承(Hybrid Magic Bearing，簡(jiǎn)稱 HMB)由永久磁鐵提供偏置力，以電磁鐵提供控制力的一種磁軸承，其電磁線圈不需要偏置電流，因而能明顯降低鐵心損耗和功率放大器的損耗，也有利于減小功放、電磁鐵的體積和重量。在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。(3)智能化、集成化、微小化發(fā)展。為了滿足磁力軸承應(yīng)用上的高性能、可靠性和低成本，磁力軸承系統(tǒng)向數(shù)字化、智能化、集成化、微小化發(fā)展是必然趨勢(shì)，在國(guó)外出現(xiàn)了將磁力軸承控制功能集成在單芯片或單板上的報(bào)道。(4)無(wú)傳感器(Sensorless)磁力軸承研究 [10]。這種磁力軸承不需要位移傳感器，且能降低成本、減小體積、提高系統(tǒng)可靠性，在工業(yè)上有很廣闊的應(yīng)用前景。(5)無(wú)軸承(Bearingless)電機(jī)的研究。所謂無(wú)軸承電機(jī)，是指不需要設(shè)計(jì)專門的軸承。由于磁力軸承結(jié)構(gòu)與交流電機(jī)結(jié)構(gòu)的相似性，在電機(jī)定子中附加磁力軸承繞組來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子的懸浮。無(wú)軸承電機(jī)將電機(jī)和磁力軸承集成在一起，可以縮短電機(jī)尺寸，降低系統(tǒng)成本，近年己經(jīng)成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。(6)擴(kuò)大應(yīng)用范圍。研究磁力軸承的最終目的是工業(yè)應(yīng)用，由于具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，磁力軸承的應(yīng)用正迅速?gòu)膫鹘y(tǒng)的渦輪機(jī)械、高速機(jī)床等行業(yè)向其它新行業(yè)突進(jìn)，如人工心臟血液泵、干燥機(jī)、精密位置平臺(tái)、計(jì)算機(jī)硬盤等。 論文主要工作軸向磁軸承在工業(yè)中主要用于高精度平臺(tái)定位等場(chǎng)合。本文根據(jù)具體應(yīng)用要求，研究設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、能夠滿足工業(yè)應(yīng)用需要的軸向磁懸浮軸承系統(tǒng)。主要研究工作包括以下幾個(gè)方面：(1)軸向磁軸承機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)具體的應(yīng)用要求，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)軸向磁軸承的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。碩士論文 軸向磁懸浮軸承及控制器研究9(2)位移檢測(cè)方法研究根據(jù)軸向磁軸承的特點(diǎn)，對(duì)位移檢測(cè)進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、精度高、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)性能好，且滿足磁軸承檢測(cè)需要、成本小的位移檢測(cè)裝置。(3)控制系統(tǒng)研究及設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)磁軸承常用控制實(shí)現(xiàn)方法研究，采用一定的具體實(shí)現(xiàn)思想來(lái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的控制系統(tǒng)。2 軸向磁懸浮軸承系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 碩士論文102 軸向磁懸浮軸承系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)磁懸浮軸承和傳統(tǒng)的軸承一樣也分為軸向磁軸承和徑向磁軸承。徑向磁軸承由定子(電磁鐵 )，轉(zhuǎn)子 (軸)構(gòu)成，軸向磁軸承由定子(電磁鐵)和推力盤構(gòu)成。徑向多自由度磁軸承( 在不考慮 耦合時(shí)) 一般可以分解看成幾個(gè)單自由度磁軸承構(gòu)成，所以軸向單自由度磁軸承的有關(guān)研究在磁軸承的發(fā)展中起著舉足輕重的作用，對(duì)多自由度徑向磁軸承研究具有一定的借鑒意義 [2][11]。本文主要是針對(duì)單自由度軸向主動(dòng)磁軸承進(jìn)行相關(guān)研究設(shè)計(jì)。為方便介紹把主動(dòng)軸向磁懸浮軸承簡(jiǎn)稱為電磁軸承或磁軸承。 磁懸浮軸承系統(tǒng)的組成及工作原理磁懸浮軸承是一種新型軸承，打破了傳統(tǒng)軸承的支承模式，它是利用磁力使動(dòng)子穩(wěn)定懸浮實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸的支承設(shè)備。這就決定了磁軸承系統(tǒng)組成必須包括兩大部分：磁軸承的機(jī)械結(jié)構(gòu)和磁軸承的控制系統(tǒng)。磁軸承的機(jī)械結(jié)構(gòu)是磁軸承的基礎(chǔ)，一般由定子和動(dòng)子( 轉(zhuǎn)子 )組成；磁軸承的控制系統(tǒng)可以說(shuō)是磁軸承的靈魂，決定了磁軸承的性能，通常由位移檢測(cè)、功率放大器、控制器等部分組成。磁軸承的控制系統(tǒng)是磁軸承的關(guān)鍵，也是研究設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，最常見典型的單自由度軸向磁軸承差動(dòng)激勵(lì)控制系統(tǒng)模型如圖 [12]。 圖 典型單自由度軸向磁軸承差動(dòng)激勵(lì)控制系統(tǒng)模型圖中的銜鐵代表磁力軸承動(dòng)子鐵芯(本文中的推力盤)，電磁鐵定子鐵芯代表磁力軸承定子鐵芯。從圖中可以看出，通過(guò)控制器來(lái)控制勵(lì)磁電流，產(chǎn)生按一定規(guī)律變化的電磁力，而電流的變化則由位移傳感器的反饋信號(hào)來(lái)決定，所以該系統(tǒng)為一典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。1)位移傳感器碩士論文 軸向磁懸浮軸承及控制器研究11要想實(shí)現(xiàn)動(dòng)子的穩(wěn)定懸浮，在任意時(shí)刻位置信號(hào)必須由傳感器采集，通常要經(jīng)過(guò)相應(yīng)的前置信號(hào)處理后再送往控制器。磁懸浮系統(tǒng)對(duì)傳感器的要求首先是非接觸式的[13]，可供選擇的傳感器有電感、電容、電渦流式傳感器等。傳感器作為反饋通道元件，其性能將決定系統(tǒng)的閉環(huán)特性，因此應(yīng)具有較高的轉(zhuǎn)換精度和穩(wěn)定性，其次還要有高靈敏度、抗干擾、抗磁場(chǎng)影響、線性度好等特點(diǎn)。2)調(diào)節(jié)控制器單元控制器是磁懸浮系統(tǒng)的核心，通過(guò)傳感器的反饋信號(hào)進(jìn)行一定的策略處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)輸出。控制器設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)是保證被控對(duì)象穩(wěn)定地?zé)o接觸懸浮，而且系統(tǒng)的剛度、阻尼、被控對(duì)象定位和不平衡響應(yīng)等性能均取決于控制器 [14]。從傳感器反饋來(lái)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制策略處理后，成為最終決定系統(tǒng)性能的控制信號(hào)?？刂破魇贡豢貙?duì)象能精確的定位，并且在有外力干擾時(shí)，能迅速地做出反應(yīng)，使被控對(duì)象回到基準(zhǔn)位置。3)功率放大器功率放大器也是磁懸浮系統(tǒng)不可或缺的一部分?？刂破鬏敵龅目刂菩盘?hào)往往不能直接推動(dòng)被控對(duì)象工作，由功率放大器把控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁鐵所需要的控制電流，從而為被控對(duì)象提供控制動(dòng)力。4)電磁鐵當(dāng)無(wú)任何外力干擾時(shí)，激勵(lì)線圈內(nèi)一般都有一定的偏置電流；當(dāng)有外力干擾作用時(shí)，通過(guò)控制器輸出控制電流到線圈中形成動(dòng)態(tài)控制。另外，偏置電流也使電磁鐵的靜態(tài)工作點(diǎn)處在磁化曲線的線性度好的區(qū)間，可以減小系統(tǒng)建模誤差。單自由度磁軸承系統(tǒng)具體工作原理是：首先通過(guò)位移傳感器檢測(cè)出動(dòng)子相對(duì)平衡位置的偏差信號(hào)，將該信