电磁轴承刚度阻尼特性的分析与研究
发布时间：2022-02-04 18:25
电磁轴承利用可控电磁力将转子悬浮于空间中,实现转子与轴承的无接触状态,是一种新型的高性能机电一体化产品。电磁轴承的支承特性是电磁轴承系统中的关键研究之一,尤其是支承刚度和阻尼,刚度阻尼特性对电磁轴承转子系统的稳定性、动态特性、旋转精度等有很大的影响。为了能有效提高系统的稳定性,对电磁轴承支承刚度和阻尼进行更细致的研究是十分重要的。本文以10kWh储能飞轮电磁轴承试验样机为研究对象,从理论分析、仿真分析、实验分析等方面着重研究与分析电磁轴承的支承刚度和阻尼。首先阐述电磁轴承转子系统的基本结构及工作原理,建立了径向单自由度转子系统数学模型。根据建立的模型,利用电磁理论推导出电磁力与线圈中电流和间隙的关系,并在平衡位置附近处对电磁力进行线性化处理。基于PID控制策略建立单自由度电磁轴承闭环控制系统模型,得出控制系统的传递函数,利用劳斯判据确定控制参数的稳定域。然后对电磁轴承支承刚度和阻尼进行理论分析。通过分段积分的方法推导出电磁轴承转子在偏心时的电磁力,结合刚度阻尼的概念得出刚度阻尼的计算公式,并分析了电磁轴承刚度阻尼的影响因素。基于PID控制策略,分别对控制系统的控制效果和抗干扰能力进行仿...
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省211工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
磁悬浮飞轮储能装置
7验结果进行了分析与验证[35]。图1.1所示为美国波音公司和阿贡试验室合作共同完成的飞轮储能装置[36]，该系统设计的储能量为10kWh，最高工作转速为20000rpm。图1.2所示为日本磁悬浮技术研究中心设计的一种基于10kWh飞轮储能样机的电磁轴承定子结构。总的来说，美国以及欧洲的一些国家在磁轴承支承技术研究方面一直走在世界的前列，这些国家的技术水平也较高，对电磁轴承的研究也比较深入。截止今天，主动磁悬浮轴承技术已经引起了旋转机械的支承技术的革命，有关设计和制造的参数已经被各大公司所接受。主动磁轴承支承技术的应用范围也越来越广泛，例如飞轮储能装置、超高速磁悬浮列出、超高速离心机、空间飞行器的角动量飞轮等领域。图1.1磁悬浮飞轮储能装置图1.2日本研制的电磁轴承定子结构1.4.2国内研究概况因为电磁轴承具有其独特的优越性，所以受到国内外学术界和工业领域的广泛关注。但我国对电磁轴承的研究起步比较晚，上世纪60年代，我国才开始了对电磁轴承的研究。由于科学技术比较落后，设备不够先进，加上我国对这个领域的研究起点较晚，使我国在该领域的发展比一些发达国家落后了将近20年。清华大学于1982年从理论层面和试验层面对单自由度磁悬浮技术进行了研究[37]。1983年上海微电机研究所也开始了磁悬浮技术的研究，而且制造出我国首个电磁轴承试验样机，然而该轴承采用的是无源悬浮，且刚度以及承载力较小，并没将其投入使用。在研究初期因为研究对象的模型简单、刚度孝阻尼差、负载能力有限等，导致无法真正应用到实际工业中。到了九十年代初期，我国的一些高校和研究单位陆续开始对磁悬浮技术的研究，其中包括清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、南京航空航天大学、哈尔滨工程大学、
8武汉理工大学等多个院校。进入二十世纪后，清华大学与江苏开原技术有限公司共同研究电磁轴承，并对电磁轴承在磨床主轴上的高转速应用进行了测试[38,39]，而且将设计研发的电磁轴承成功应用于大功率透平机发电项目。如图1.3所示为清华大学设计的有关电磁轴承性能测试试验装置。2005年海尔公司开发了国内首台磁悬浮中央空调，并且在之后的产品发展中广泛应用。南京磁谷科技有限公司是目前中国第一家以磁悬浮轴承为核心关键技术的公司，2010年研制出磁悬浮离心式鼓风机。图1.3清华大学设计的电磁轴承支承挠性转子我国对电磁轴承系统刚度阻尼特性的研究主要经历了以下发展：上世纪90年代初，王洪礼、吴志强等老师根据稳定性对电磁力的要求，通过求解控制电流方程，估算出磁力轴承的刚度的计算公式[40]。1996年，上海大学的汪希平教授理论分析了电磁轴承刚度阻尼与结构参数以及控制其参数之间的关系，同时也根据试验测得系统刚度特性曲线[41]。随后，赵雷等人从电磁轴承刚度阻尼的角度出发，简单设计出一种能自动测量电磁轴承刚度的系统，完成了刚度的自动测量[42]。2001年，徐华、刘淑琴等人采用PD控制，利用有限元分析法得出轴向和径向电磁轴承的阻尼，并用扭摆振动试验测试出轴承阻尼[43]。清华大学的戴兴建、卫海岗等建立四自由度的飞轮储能支承系统的转子模型，求解了系统的复特征值问题，分析了模态频率和阻尼比随转速变化的特性，得出阻尼器刚度与阻尼对模态阻尼比的影响[44]。南京航空航天大学的谢振宇老师通过进行磁悬浮轴承转子特性的试验，总结出转子转速与振幅之间的联系，即转子振幅随着转速的增大逐渐递增，但在临界转速区会发生较大幅度的振动[45]。吕冬明等人通过建立非线性支承力模型，分析了电磁轴承的非线性支承特
【参考文献】：
期刊论文
[1]转子磁通量超标对振动的干扰影响研究[J]. 周汉杰,金长生,郑淑华,方寅. 机电工程. 2014(10)
[2]采用多自由度转子模型的电磁轴承支承特性测试方法[J]. 蒋科坚,祝长生,乔晓利,陈亮亮. 振动工程学报. 2014(03)
[3]基于复模态模型修正方法的磁悬浮轴承支承参数识别[J]. 张保强,郭勤涛,陈国平,谢振宇. 南京航空航天大学学报. 2010(06)
[4]电磁轴承刚度阻尼自动测试[J]. 赵晶晶,周燕,时振刚,徐旸. 机械工程学报. 2010(20)
[5]磁力轴承刚度的实验测量方法[J]. 王晓光,高长生. 中国机械工程. 2010(08)
[6]主动磁力轴承支承刚度特性研究[J]. 吕冬明,徐春广,郝娟. 轴承. 2008(11)
[7]采用边界元法测试轴承的动态刚度和阻尼[J]. 陈双桥,蒋学武,吴新跃. 海军工程大学学报. 2008(03)
[8]电磁悬浮轴承的发展及在鼓风机上的应用前景[J]. 王飏,王军,王瓯. 风机技术. 2008(02)
[9]磁悬浮储能飞轮系统中的磁轴承参数辨识[J]. 白金刚,张小章,张剀,戴兴建,赵雷. 清华大学学报(自然科学版). 2008(03)
[10]磁悬浮技术在人工心脏泵中的应用研究[J]. 雷永锋,汪希平. 微特电机. 2007(12)
博士论文
[1]磁力轴承支承的转子动态特性研究[D]. 吴华春.武汉理工大学 2005
硕士论文
[1]复合材料储能飞轮结构应力及动态特性研究[D]. 周生良.山东大学 2015
[2]600Wh飞轮储能系统的电磁轴承结构设计[D]. 汤银龙.哈尔滨工程大学 2013
[3]PID控制器参数整定技术研究与优化设计[D]. 李国林.大连理工大学 2010
[4]基于多变量的便携式PID参数整定仪的开发[D]. 李华.山东建筑大学 2010
[5]大型机床磁悬浮平台刚度控制的研究[D]. 吴红波.沈阳工业大学 2007
[6]磁悬浮无轴承无刷直流电机及其在计算机硬盘中的应用研究[D]. 方晓厅.西北工业大学 2006
[7]PID控制器参数整定方法及其应用研究[D]. 何芝强.浙江大学 2005
本文编号：3613714
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省211工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
磁悬浮飞轮储能装置
7验结果进行了分析与验证[35]。图1.1所示为美国波音公司和阿贡试验室合作共同完成的飞轮储能装置[36]，该系统设计的储能量为10kWh，最高工作转速为20000rpm。图1.2所示为日本磁悬浮技术研究中心设计的一种基于10kWh飞轮储能样机的电磁轴承定子结构。总的来说，美国以及欧洲的一些国家在磁轴承支承技术研究方面一直走在世界的前列，这些国家的技术水平也较高，对电磁轴承的研究也比较深入。截止今天，主动磁悬浮轴承技术已经引起了旋转机械的支承技术的革命，有关设计和制造的参数已经被各大公司所接受。主动磁轴承支承技术的应用范围也越来越广泛，例如飞轮储能装置、超高速磁悬浮列出、超高速离心机、空间飞行器的角动量飞轮等领域。图1.1磁悬浮飞轮储能装置图1.2日本研制的电磁轴承定子结构1.4.2国内研究概况因为电磁轴承具有其独特的优越性，所以受到国内外学术界和工业领域的广泛关注。但我国对电磁轴承的研究起步比较晚，上世纪60年代，我国才开始了对电磁轴承的研究。由于科学技术比较落后，设备不够先进，加上我国对这个领域的研究起点较晚，使我国在该领域的发展比一些发达国家落后了将近20年。清华大学于1982年从理论层面和试验层面对单自由度磁悬浮技术进行了研究[37]。1983年上海微电机研究所也开始了磁悬浮技术的研究，而且制造出我国首个电磁轴承试验样机，然而该轴承采用的是无源悬浮，且刚度以及承载力较小，并没将其投入使用。在研究初期因为研究对象的模型简单、刚度孝阻尼差、负载能力有限等，导致无法真正应用到实际工业中。到了九十年代初期，我国的一些高校和研究单位陆续开始对磁悬浮技术的研究，其中包括清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、南京航空航天大学、哈尔滨工程大学、
8武汉理工大学等多个院校。进入二十世纪后，清华大学与江苏开原技术有限公司共同研究电磁轴承，并对电磁轴承在磨床主轴上的高转速应用进行了测试[38,39]，而且将设计研发的电磁轴承成功应用于大功率透平机发电项目。如图1.3所示为清华大学设计的有关电磁轴承性能测试试验装置。2005年海尔公司开发了国内首台磁悬浮中央空调，并且在之后的产品发展中广泛应用。南京磁谷科技有限公司是目前中国第一家以磁悬浮轴承为核心关键技术的公司，2010年研制出磁悬浮离心式鼓风机。图1.3清华大学设计的电磁轴承支承挠性转子我国对电磁轴承系统刚度阻尼特性的研究主要经历了以下发展：上世纪90年代初，王洪礼、吴志强等老师根据稳定性对电磁力的要求，通过求解控制电流方程，估算出磁力轴承的刚度的计算公式[40]。1996年，上海大学的汪希平教授理论分析了电磁轴承刚度阻尼与结构参数以及控制其参数之间的关系，同时也根据试验测得系统刚度特性曲线[41]。随后，赵雷等人从电磁轴承刚度阻尼的角度出发，简单设计出一种能自动测量电磁轴承刚度的系统，完成了刚度的自动测量[42]。2001年，徐华、刘淑琴等人采用PD控制，利用有限元分析法得出轴向和径向电磁轴承的阻尼，并用扭摆振动试验测试出轴承阻尼[43]。清华大学的戴兴建、卫海岗等建立四自由度的飞轮储能支承系统的转子模型，求解了系统的复特征值问题，分析了模态频率和阻尼比随转速变化的特性，得出阻尼器刚度与阻尼对模态阻尼比的影响[44]。南京航空航天大学的谢振宇老师通过进行磁悬浮轴承转子特性的试验，总结出转子转速与振幅之间的联系，即转子振幅随着转速的增大逐渐递增，但在临界转速区会发生较大幅度的振动[45]。吕冬明等人通过建立非线性支承力模型，分析了电磁轴承的非线性支承特
【参考文献】：
期刊论文
[1]转子磁通量超标对振动的干扰影响研究[J]. 周汉杰,金长生,郑淑华,方寅. 机电工程. 2014(10)
[2]采用多自由度转子模型的电磁轴承支承特性测试方法[J]. 蒋科坚,祝长生,乔晓利,陈亮亮. 振动工程学报. 2014(03)
[3]基于复模态模型修正方法的磁悬浮轴承支承参数识别[J]. 张保强,郭勤涛,陈国平,谢振宇. 南京航空航天大学学报. 2010(06)
[4]电磁轴承刚度阻尼自动测试[J]. 赵晶晶,周燕,时振刚,徐旸. 机械工程学报. 2010(20)
[5]磁力轴承刚度的实验测量方法[J]. 王晓光,高长生. 中国机械工程. 2010(08)
[6]主动磁力轴承支承刚度特性研究[J]. 吕冬明,徐春广,郝娟. 轴承. 2008(11)
[7]采用边界元法测试轴承的动态刚度和阻尼[J]. 陈双桥,蒋学武,吴新跃. 海军工程大学学报. 2008(03)
[8]电磁悬浮轴承的发展及在鼓风机上的应用前景[J]. 王飏,王军,王瓯. 风机技术. 2008(02)
[9]磁悬浮储能飞轮系统中的磁轴承参数辨识[J]. 白金刚,张小章,张剀,戴兴建,赵雷. 清华大学学报(自然科学版). 2008(03)
[10]磁悬浮技术在人工心脏泵中的应用研究[J]. 雷永锋,汪希平. 微特电机. 2007(12)
博士论文
[1]磁力轴承支承的转子动态特性研究[D]. 吴华春.武汉理工大学 2005
硕士论文
[1]复合材料储能飞轮结构应力及动态特性研究[D]. 周生良.山东大学 2015
[2]600Wh飞轮储能系统的电磁轴承结构设计[D]. 汤银龙.哈尔滨工程大学 2013
[3]PID控制器参数整定技术研究与优化设计[D]. 李国林.大连理工大学 2010
[4]基于多变量的便携式PID参数整定仪的开发[D]. 李华.山东建筑大学 2010
[5]大型机床磁悬浮平台刚度控制的研究[D]. 吴红波.沈阳工业大学 2007
[6]磁悬浮无轴承无刷直流电机及其在计算机硬盘中的应用研究[D]. 方晓厅.西北工业大学 2006
[7]PID控制器参数整定方法及其应用研究[D]. 何芝强.浙江大学 2005
本文编号：3613714
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