永磁偏置混合磁悬浮轴承结构设计及控制方法研究
发布时间：2020-09-09 16:04
随着现代工业的发展,对旋转机械的性能提出了各种越来越苛刻要求。在能源动力机械与化工机械中,要求转子的旋转速度和精度越来越高、转子与定子间的间隙越小越好以追求更高的效率。而对另一些工作在极端高温或低温环境下的军工、航空航天领域的旋转机械来说,除了要求能够承受严酷的环境考验之外,对于支撑的可控性,安全及可靠性的考虑往往是第一位的。因此具有较高转速、摩擦功耗小、无需润滑以及可控性等诸多优点的磁悬浮轴承日益成为科技领域和企业界关注的热点课题项目之一。 高性能电磁轴承是涉及机械学、电磁学、电子学、转子动力学、控制工程和计算机科学等多学科的综合性高技术系统工程。目前,电磁轴承的研究基本上都是对电气部分的研究,对机械部分的相关研究很少。目前国内外对电磁轴承的研究工作,多数集中在对电气部分的优化设计,而对机械部分的研究工作相对较少。 本文针对电磁轴承的主体—机械部分的结构与磁学特性进行了较为深入的研究。根据现代电磁轴承系统所存在的结构问题,提出了一种永磁偏置混合磁悬浮轴承(HMB),即把用永久磁铁产生的磁场取代主动磁悬浮轴承中电磁铁产生的静态偏置磁场,而采用电磁铁作为电磁轴承的调节装置。 (1)针对目前电磁轴承中存在的问题,提出了利用永久磁铁提供偏置磁场、电磁铁提供控制磁场的混合式主动磁悬浮轴承系统。在原有磁悬浮轴承结构的基础上,设计了一种新型的磁悬浮轴承结构。通过结构优化,将径向电磁轴承与轴向电磁轴承做成一体,有效的地提高了磁悬浮轴承的产品性能。 (2)介绍了永磁偏置混合磁轴承的结构及其工作原理,在此基础上,建立了该磁轴承的等效磁路模型,并采用叠加原理对其磁路进行了分析计算,推导了该磁轴承的承载力计算表达式。并介绍了永磁铁的设计与选择方法以及永磁铁的工作特性。 (3)利用电磁有限元仿真软件Ansoft中的Maxwell-2D对电磁轴承进行了二维涡流场的计算,得到了只有永磁铁时以及加载电流后的电磁轴承的磁场强度、磁感应强度等参数的分布情况,为电磁轴承的设计提供了参考。通过对叠片转子的进行有限元分析发现采用叠片转子比采用实心转子功耗小,涡流损失小,因此叠片转子具有优越性,设计可行。 (4)分析了混合电磁轴承的力耦合和运动耦合现象,得出了转子在不同角度时,径向悬浮力沿圆周方向的分布情况,径向悬浮力与轴向悬浮力的力耦合分布以及电磁轴承的电流与悬浮力之间的关系。 (5)介绍了磁悬浮轴承系统结构和系统参数,通过对机械结构的分析得出单自由度和五自由度转子的数学模型,为控制系统设计提供理论依据。电磁轴承支承的轴承系统本身是不稳定的,必须通过对其进行反馈控制才能实现转子稳定的悬浮。针对混合电磁轴承控制系统结构特点,对原有的传统PID控制方法进行了改进,形成非线性补偿PID控制与基于遗传算法的PID控制方法,并对三种控制方法进行了比较研究。 (6)对系统的控制器进行了设计,利用MATLAB中的Simulink模块库对所设计的PID控制参数进行了整定调试。利用设计的PID控制器、非线性补偿PID控制器以及基于遗传算法的PID控制器对系统阶跃响应、轴承起伏过程以及负载变化时的电流波形情况进行了仿真比较,发现非线性补偿PID控制器以及基于遗传算法的PID控制器,对电磁轴承的控制效果较好。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2009
【中图分类】：TH133.3
【部分图文】：
储存能量 15.gwh，动量距54.sNms，解决了该Ib1题[8][”]。此后，多伦多大学，德克萨斯A&M大学，NASA等研究机构在此方面进行了深入的研究。图1.1为伯明翰车展上的应用了磁负载复合的威廉姆斯电驱KERS系统。从航天领域的应用开始，飞轮电池在其他应用领域的研究也随之展开。经过近些年的发展，现在飞轮储能的技术已经比较成熟，而且正在不断飞速发展，由于它具有良好的性能和相对比较理想的性能价格比，而越来越多地应用于各种场合，己经成为近几年储能设备应用研究的主要对象，而且必将逐步占领更大的储能设备市场。图1.2为Flybird公司研发的具有结构紧凑总重仅有24公斤的飞轮动能回收系统实物图。图1.1威廉姆斯电驱KERs系统图 1.2Flybird公司飞轮动能回收系统(2)在真空和超净环境中的应用近几年来，由于半导体、光学镀膜、离子蚀刻和液晶显示器件等应用领域迅速发展，其质量要求越来越高。过去常用的有油污染的真空系统难以保证制
以及潜艇、飞机、火箭制导等。例如，美国国防部为研发新型复合电力战车设立的复合动力战车系统(GHPS)项目。在低轨道卫星应用中，航空器主要动力源是由光电转换器来提供电源。电源储存的能量(在60分钟太阳光照射时)能够满足30分钟无太阳照射时处在黑暗中的应用。因此，要求飞轮能量储存系统，也称为飞轮电池，其转速为20000rpm，储存能量 15.gwh，动量距54.sNms，解决了该Ib1题[8][”]。此后，多伦多大学，德克萨斯A&M大学，NASA等研究机构在此方面进行了深入的研究。图1.1为伯明翰车展上的应用了磁负载复合的威廉姆斯电驱KERS系统。从航天领域的应用开始，飞轮电池在其他应用领域的研究也随之展开。经过近些年的发展，现在飞轮储能的技术已经比较成熟，而且正在不断飞速发展，由于它具有良好的性能和相对比较理想的性能价格比，而越来越多地应用于各种场合，己经成为近几年储能设备应用研究的主要对象，而且必将逐步占领更大的储能设备市场。图1.2为Flybird公司研发的具有结构紧凑总重仅有24公斤的飞轮动能回收系统实物图。
永磁偏置混合磁悬浮轴承结构优化及控制方法研究备这些材料的纯度和质量，有逐渐被淘汰的趋势。这种系统已经被无油污染的干式清洁真空泵取代。由于磁力轴承不存在机械磨损，不需润滑，不引起环境污染，必要时，甚至可以使磁力透过容器壁发生作用而将轴承安排在真空容器外面。因此，磁力轴承真空泵成为目前磁悬浮技术最大的工业应用领域。仅日本精工精机公司出口到美国的轴承磁力真空泵一年就价值8亿美元。目前，国内阿尔卡特公司生产的ATH一M系列磁悬浮涡轮分子泵优势明显，如图1.3所示。图1.4为用于压缩机上的可倾瓦磁悬浮轴承。
本文编号：2815184
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2009
【中图分类】：TH133.3
【部分图文】：
储存能量 15.gwh，动量距54.sNms，解决了该Ib1题[8][”]。此后，多伦多大学，德克萨斯A&M大学，NASA等研究机构在此方面进行了深入的研究。图1.1为伯明翰车展上的应用了磁负载复合的威廉姆斯电驱KERS系统。从航天领域的应用开始，飞轮电池在其他应用领域的研究也随之展开。经过近些年的发展，现在飞轮储能的技术已经比较成熟，而且正在不断飞速发展，由于它具有良好的性能和相对比较理想的性能价格比，而越来越多地应用于各种场合，己经成为近几年储能设备应用研究的主要对象，而且必将逐步占领更大的储能设备市场。图1.2为Flybird公司研发的具有结构紧凑总重仅有24公斤的飞轮动能回收系统实物图。图1.1威廉姆斯电驱KERs系统图 1.2Flybird公司飞轮动能回收系统(2)在真空和超净环境中的应用近几年来，由于半导体、光学镀膜、离子蚀刻和液晶显示器件等应用领域迅速发展，其质量要求越来越高。过去常用的有油污染的真空系统难以保证制
以及潜艇、飞机、火箭制导等。例如，美国国防部为研发新型复合电力战车设立的复合动力战车系统(GHPS)项目。在低轨道卫星应用中，航空器主要动力源是由光电转换器来提供电源。电源储存的能量(在60分钟太阳光照射时)能够满足30分钟无太阳照射时处在黑暗中的应用。因此，要求飞轮能量储存系统，也称为飞轮电池，其转速为20000rpm，储存能量 15.gwh，动量距54.sNms，解决了该Ib1题[8][”]。此后，多伦多大学，德克萨斯A&M大学，NASA等研究机构在此方面进行了深入的研究。图1.1为伯明翰车展上的应用了磁负载复合的威廉姆斯电驱KERS系统。从航天领域的应用开始，飞轮电池在其他应用领域的研究也随之展开。经过近些年的发展，现在飞轮储能的技术已经比较成熟，而且正在不断飞速发展，由于它具有良好的性能和相对比较理想的性能价格比，而越来越多地应用于各种场合，己经成为近几年储能设备应用研究的主要对象，而且必将逐步占领更大的储能设备市场。图1.2为Flybird公司研发的具有结构紧凑总重仅有24公斤的飞轮动能回收系统实物图。
永磁偏置混合磁悬浮轴承结构优化及控制方法研究备这些材料的纯度和质量，有逐渐被淘汰的趋势。这种系统已经被无油污染的干式清洁真空泵取代。由于磁力轴承不存在机械磨损，不需润滑，不引起环境污染，必要时，甚至可以使磁力透过容器壁发生作用而将轴承安排在真空容器外面。因此，磁力轴承真空泵成为目前磁悬浮技术最大的工业应用领域。仅日本精工精机公司出口到美国的轴承磁力真空泵一年就价值8亿美元。目前，国内阿尔卡特公司生产的ATH一M系列磁悬浮涡轮分子泵优势明显，如图1.3所示。图1.4为用于压缩机上的可倾瓦磁悬浮轴承。
【引证文献】
相关硕士学位论文 前1条
1 张大勇;物质磁性参数测量装置的研究[D];河北联合大学;2013年
本文编号：2815184
本文链接：https://www.wllwen.com/jixiegongchenglunwen/2815184.html
