【正文】 ...................76碩士論文 軸向磁懸浮軸承及控制器研究11 緒論軸承在工業(yè)中運(yùn)用非常廣泛，是常用的支承部件。它具有無接觸、無摩擦磨損、無需潤滑和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，是一般軸承難以比擬的。例如對旋轉(zhuǎn)機(jī)械提出了越來越苛刻的性能要求，其主要表現(xiàn)為：高轉(zhuǎn)速、高精度、可控性、可靠性、高效率以及對復(fù)雜惡劣環(huán)境的適應(yīng)性等方面。磁懸浮軸承(Magic Bearing)又稱磁軸承是利用磁力實(shí)現(xiàn)動子穩(wěn)定懸浮的一種新型無接觸支承設(shè)備，由磁軸承機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分組成。電磁鐵安裝在定子上，動子懸浮在對稱放置的電磁鐵所產(chǎn)生的磁場中，通過傳感器來連續(xù)檢測動子的位置變化情況。傳感器檢測出動子偏移參考點(diǎn)的位移后，作為控制器的微處理器將檢測到的位移變換成控制信號，然后，功率放大器將這一控制信號轉(zhuǎn)換成控制電流，控制電流在執(zhí)行電磁鐵中產(chǎn)生電磁力，從而使動子維持其穩(wěn)定懸浮位置不變。按磁場力的提供方式分為主動電磁軸承、被動磁軸承以及混合磁軸承 3 類。按照控制方式的不同可分為電流控制和電壓控制，按支承方式的不同可分為徑向磁力軸承和軸向磁力軸承。(2)被動磁軸承(Passtive Magic Bearing 簡稱 PMB)，通過永久磁鐵或者超導(dǎo)材料提供電磁力，實(shí)現(xiàn)對動子部分自由度的支承。與被動磁軸承以及混合磁軸承相比，主動電磁軸承能耗較大，但由于其采用了主動控制，使其在承載力、剛度、阻尼、穩(wěn)定范圍等性能參數(shù)上具有明顯優(yōu)勢，可以通過控制器實(shí)現(xiàn)主動控制。 磁懸浮軸承的特點(diǎn)磁力軸承具有無接觸、無摩擦、無磨損、不需要潤滑和密封等一系列優(yōu)良品質(zhì)，從根本上改變了傳統(tǒng)的支承形式，具有傳統(tǒng)軸承技術(shù)所無法比擬的優(yōu)越性。不需用相應(yīng)的泵、管道、過濾器和密封件，不會因潤滑劑而污染環(huán)境，特別適用于航天航空產(chǎn)品以及醫(yī)療設(shè)備等。通常在相同軸頸下，軸承能達(dá)到的轉(zhuǎn)速比滾動軸承大約高 5 倍，比滑動軸承大約高 2 .5 倍。在轉(zhuǎn)速為 10000r/min 時，電磁軸承功耗大約是流體動壓滑動軸承的 6%，是滾動軸承的 17%。磁力軸承動力學(xué)參數(shù)(如剛度、阻尼等)可以通過調(diào)節(jié)控制器參數(shù)方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其回轉(zhuǎn)精度可以達(dá)到微米級或更高。剛度也可按實(shí)際要求來設(shè)計，也可達(dá)到很高的剛度。此外，磁懸浮軸承還有維護(hù)成本低，壽命長，工作溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。同時其對工作環(huán)境溫度不敏感，工作溫度可以從 2530C 到+450 0C。正是因?yàn)榇帕S承具有以上獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，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，特別在軍工及空間技術(shù)領(lǐng)域尤其占有特殊的位置。磁力軸承以其特有的優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用在以下領(lǐng)域：真空技術(shù)、航空航天技術(shù)、透平機(jī)械、機(jī)床、電機(jī)、紡織機(jī)械、能量存貯、空間和物理應(yīng)用、轉(zhuǎn)子動力學(xué)驗(yàn)證及試驗(yàn)、振動隔離等。碩士論文 軸向磁懸浮軸承及控制器研究5 磁懸浮軸承技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展過程及現(xiàn)狀 磁懸浮軸承技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展過程人類早就注意到了奇妙的電磁現(xiàn)象，利用磁力使物體處于一個無接觸懸浮的狀態(tài)的設(shè)想一直是人類的一個偉大的夢，但是實(shí)現(xiàn)起來并不容易。1937 年，德國 Kemper 申請了第一個磁懸浮技術(shù)專利，他認(rèn)為要使鐵磁體實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮，必須根據(jù)物體的懸浮狀態(tài)不斷地調(diào)節(jié)磁場力的大小，即采用可控電磁鐵才能實(shí)現(xiàn)，這一思想成為之后開展磁懸浮列車和磁力軸承研究的主導(dǎo)思想 [6]。但是迄今為止，由抗磁材料所產(chǎn)生的磁力實(shí)在太小，沒有工程應(yīng)用價值。然而就目前的技術(shù)水平來看要做到這一點(diǎn)是幾乎不可能的事情。從此主動磁懸浮技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了工程應(yīng)用階段的研究，并逐漸形成了磁懸浮列車和磁懸浮軸承兩個主要的研究方向。英國、日本、德國都相繼開展了對磁懸浮列車的研究，磁懸浮技術(shù)的研究也逐漸有理論轉(zhuǎn)向?qū)嶋H運(yùn)用。德國對磁懸浮技術(shù)的研究主要集中在電磁型(Electro Magic System，簡稱 EMS 型，也稱吸力型、常導(dǎo)型 )磁懸浮列車的研究。與此同時，主動磁懸浮技術(shù)在軸承領(lǐng)域的應(yīng)用也取得了驚人的成績：1972 年，將第一個磁懸浮軸承用于衛(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。1976 年法國 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，二十多年來該公司已經(jīng)開發(fā)了多個磁懸浮軸承產(chǎn)品。1983 年 11 月，歐洲空間試驗(yàn)倉內(nèi)采用了磁懸浮軸承真空泵。1988 年，在瑞士蘇黎世召開了第一屆國際磁力軸承會議(International Symposium on Magic Bearings，ISMB1)，此后該會議每兩年召開一次。在這些會議上，發(fā)表了大量關(guān)于磁力軸承研究的論文，極大推動了磁力軸承應(yīng)用的研究。早在上世紀(jì) 60 年代初，我國也開始從事磁軸承的研究，涉足的單位有 10 余家。20 世紀(jì) 80 年代，我國又興起對磁懸浮軸承的研究。清華大學(xué)對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，并在無錫機(jī)床廠進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，靜態(tài)剛度為 。從 1992 年起，武漢理工大學(xué)相繼對磁力軸承高速磨削主軸機(jī)構(gòu)以及磁力軸承虛擬設(shè)計進(jìn)行了研究，對轉(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。國防科學(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。這標(biāo)志著中國磁懸浮技術(shù)研究已進(jìn)入國際先進(jìn)行列 [7]，標(biāo)志著我國已掌握了磁懸浮列車的關(guān)鍵技術(shù)。2022 年 8 月 21 日擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的中國永磁懸浮列車，在“中華 06 號”試驗(yàn)車上實(shí)驗(yàn)成功，最高時速達(dá)到 536 公里，超過德國磁懸浮列車的速度。在 2022 年 8 月，由清華大學(xué)、武漢理工大學(xué)等單位發(fā)起的第一屆中國電磁軸承學(xué)術(shù)會議(CSMB―l)在北京舉行，主題是“磁懸浮軸承研究進(jìn)展”， 由此開了我國磁懸浮軸承領(lǐng)域?qū)W術(shù)探討的先河。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。 磁懸浮軸承的研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)外掀起了磁懸浮軸承的研究熱潮，主要集中在如下幾個方面：(l)新材料的研制。此外，磁力軸承的功耗也受到磁性材料渦流損耗的影響。(2)系統(tǒng)建模。例如，美國的 Virgin 等學(xué)者發(fā)現(xiàn)了幾何耦合參數(shù)對系統(tǒng)勢能的兩種影響，通過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)動特征。由于轉(zhuǎn)子動力學(xué)受到控制系統(tǒng)參數(shù)的影響，因此，在理論分析時，磁力軸承的研究更為重視轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析 [8]，從而能夠進(jìn)一步改善控制方法。(4)控制系統(tǒng)方面。在主動磁力軸承系統(tǒng)中，控制方式主要有模擬控制和數(shù)字控制兩種。但數(shù)字控制方式也有速度慢，成本高等缺點(diǎn)。理論研究涉及到經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制理論。第六屆磁力軸承國際會議中還出現(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。目前對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)用也越來越多的受到科學(xué)界的重視。磁懸浮軸承是涉及機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、動力學(xué)、控制工程、電磁學(xué)、電子學(xué)和計算機(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，研究難度相對較大。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。隨著近年來高溫超導(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)。在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。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，在國外出現(xiàn)了將磁力軸承控制功能集成在單芯片或單板上的報道。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。所謂無軸承電機(jī)，是指不需要設(shè)計專門的軸承。無軸承電機(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)成為了一個研究熱點(diǎn)。研究磁力軸承的最終目的是工業(yè)應(yīng)用，由于具有無可比擬的優(yōu)越性，磁力軸承的應(yīng)用正迅速從傳統(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、計算機(jī)硬盤等。本文根據(jù)具體應(yīng)用要求，研究設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、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)。碩士論文 軸向磁懸浮軸承及控制器研究9(2)位移檢測方法研究根據(jù)軸向磁軸承的特點(diǎn)，對位移檢測進(jìn)行分析研究，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、可靠、精度高、穩(wěn)定性好、動態(tài)性能好，且滿足磁軸承檢測需要、成本小的位移檢測裝置。2 軸向磁懸浮軸承系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計 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。徑向多自由度磁軸承( 在不考慮 耦合時) 一般可以分解看成幾個單自由度磁軸承構(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，對多自由度徑向磁軸承研究具有一定的借鑒意義 [2][11]。為方便介紹把主動軸向磁懸浮軸承簡稱為電磁軸承或磁軸承。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)。磁軸承的控制系統(tǒng)是磁軸承的關(guān)鍵，也是研究設(shè)計的難點(diǎn)，最常見典型的單自由度軸向磁軸承差動激勵控制系統(tǒng)模型如圖 [12]。從圖中可以看出，通過控制器來控制勵磁電流，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來決定，所以該系統(tǒng)為一典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。磁懸浮系統(tǒng)對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。2)調(diào)節(jié)控制器單元控制器是磁懸浮系統(tǒng)的核心，通過傳感器的反饋信號進(jìn)行一定的策略處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號輸出。從傳感器反饋來的信號，經(jīng)過控制策略處理后，成為最終決定系統(tǒng)性能的控制信號。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。4)電磁鐵當(dāng)無任何外力干擾時，激勵線圈內(nèi)一般都有一定的偏置電流；當(dāng)有外力干擾作用時，通過控制器輸出控制電流到線圈中形成動態(tài)控制。單自由度磁軸承系統(tǒng)具體工作原理是：首先通過位移傳感器檢測出動子相對平衡位置的偏差信號，將該信號送入控制器，做相應(yīng)處理后經(jīng)功率放大器控制電磁鐵中的電流。穩(wěn)態(tài)時，電磁力與動子重力平衡，控制電流不變化，當(dāng)動子在外力作用下相對于設(shè)定的參考位置偏移 x 時，傳感器將測得的動子位置與參考位置的差值信號送入控制器，控制器根據(jù)一定的控制策略產(chǎn)生控制信號，使功率放大器產(chǎn)生相應(yīng)的控制電流，電磁鐵以偏置電流與控制電流之和激勵。 磁軸承的電磁場理論及數(shù)學(xué)模型 電磁場理論及電磁力計算磁軸承是通過不斷調(diào)節(jié)磁場力的大小，來平衡外界的擾動力，實(shí)現(xiàn)動子穩(wěn)定的懸浮。在磁軸承中涉及到的電磁場有關(guān)理論主要有：麥克斯韋方程組、介質(zhì)邊界條件以及磁路分析等三部分。(1)高斯定律在電場中不論電介質(zhì)與電通密度矢量分布如何，穿過任何一個閉合曲面的電通量(即電通密度矢量 D 對該曲面 A 的有向積分)，等于這一閉合曲面所包圍的電荷量，即： ()sVdv?????=式中， 為電荷體密度或簡稱電荷密度( )；V 為閉合曲面 A 所包圍的三維區(qū)?3/Cm域。(2)磁通連續(xù)性定理在磁場中，不論磁介質(zhì)和磁感應(yīng)矢量的分布如何，穿過任何一個閉合曲面的磁通量(又簡稱磁通 Φ，即磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量 B 對該閉合回路曲面 A 的有向積分)恒等于零，即： ()0sdA???=磁通連續(xù)性定理表明穿過任何一個表面的磁通是連續(xù)的，揭示了磁場和電場的一項(xiàng)重要區(qū)別。該定律揭示了電場和磁場可以相互感應(yīng)，即變化的電場 E 產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場產(chǎn)生變化的電場，它們之間的關(guān)系可以用以下積分方程表示： ()BEdldAt?????????=式中的右側(cè)為對曲面 Ω 所做的曲面積分，左側(cè)為沿閉合曲線 Γ(由曲面 Ω 所確定)所進(jìn)行的線積分，曲面法向方向即 dA 的方向和曲線 Γ 的繞行方向符合右手螺旋定則。該電流包括由自由電荷流動而產(chǎn)生的傳導(dǎo)電流和由電場變化而產(chǎn)生的位移電流，并可以用電流密度對曲面的面積積分表示： ()DHdlJdAt???????????????=式中，J 為傳導(dǎo)電流密度矢量或電流密度( )； 表示位移電流密度，位2/m/t?移電流密度并不表示真正的電荷的流動，而是表示電場的變化率。電磁場服從麥克斯韋方程組，無論積分形式或微分形式的方程組都可以用來電磁場的分析和計算。比較常見的數(shù)值計算方法包括有限差分法、有限元法和邊界元法等。(2)兩種磁介質(zhì)之間的邊界條件應(yīng)用安培環(huán)路定律，可以得到： ()12ttHA??表明邊界兩側(cè)的磁通強(qiáng)度切向分量的變化就等于邊界上的線密度。3)磁路的分析和計算由于鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率大大地超過了非鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率，因此