斥力型磁悬浮支承系统的优化设计与稳定性分析

发布时间：2020-05-31 23:04

【摘要】：磁悬浮技术具有无接触、无需润滑、功耗低等特点,可使物体处于无摩擦、无接触的悬浮状态,因此,该技术在磁悬浮列车、支承平台和精密定位系统中得到广泛应用。在支承平台应用中,为减小系统功耗,简化系统的控制机构,可引入永磁体来提供系统在垂直方向的承载力。但由于系统承重完全依赖于永磁体,系统稳定性依赖于电磁线圈,系统的特殊结构以及二者间过大的气隙对系统的稳定性会造成不利影响。因此,提高系统承载能力和稳定性是磁悬浮支承系统设计过程中的主要研究目标。本文以斥力型磁悬浮支承系统为研究对象,分析了系统工作原理,设计了系统控制电路,探讨了影响悬浮力大小的主要因素,对系统磁体部分参数进行了优化,完成了系统样机设计。在此基础上,评估分析了系统样机的稳定性。完成的主要工作和具体内容如下:(1)完成了系统控制电路的拓扑设计,包括传感器模块、悬浮磁体检测电路和功率驱动电路的设计。(2)建立了系统磁体部分的3维有限元模型,采用等效电流法计算了其磁场分布和悬浮磁体的受力,探究了悬浮磁体受力的主要影响因素,在此基础上,优化设计了系统磁体,完成了系统样机研制。(3)分析了系统样机的静态特性,采用有限元方法对系统样机进行了力学分析,建立了系统的数学模型,评估分析了样机悬浮系统的动态稳定性,探讨了不同外界干扰、控制参数和信号饱和现象对系统稳定性的影响,最后通过实验验证了系统的控制效果。
【图文】：

典型结构,磁体,磁悬浮

磁悬浮的基本结构和工作原理构电磁吸引式磁悬浮支承系统，斥力型磁悬浮支承系统具有体文所涉及到的斥力型磁悬浮支承系统结构示意图如图 2-1 所1 可知，系统主体部分由永磁体、传感器、控制系统、电磁线悬浮磁体组成。其中永磁体为一个轴向充磁的圆环，其作用是直方向的支承力；电磁线圈的作用是当悬浮磁体偏离平衡点力，使其回到平衡点。其中，电磁线圈两个为一组共 2 组 4 磁体在 x 方向和 y 方向的位移；控制系统则负责控制线圈电用是反映悬浮磁体偏离平衡点的程度，并将悬浮磁体的偏移出。其中悬浮磁体通常为轴向磁化的钕铁硼磁体。yz永磁体悬浮磁体电磁线圈

示意图,示意图,永磁,磁体

悬浮磁体偏离中心点时，电磁线圈的控制电流将会急剧上升，考虑到系统的经济性和功耗等因素，大多数该结构的斥力型磁悬浮支承系统多采用铁氧体磁环。这种结构的优点是整体性好，其在圆周上的磁场分布均匀度高，但这种结构也存在着明显的缺点：首先，由于永磁体是一整块的，所以其体积偏大、重量偏重的特点较为明显；其次是如果磁体受损，则通常需要更换整块磁体，这使得该结构的经济性受到一定的影响。永磁阵列式结构通常采用小尺寸的钕铁硼永磁体组成磁体阵列，这种结构虽然在永磁阵列圆周上的磁场均匀度逊色于大永磁环结构，但是结构紧凑、体积小、重量轻等优点使其得到了较多的应用。且永磁阵列安装位置较为灵活，可根据设计要求增减每个阵列中磁体数目或改变其位置或尺寸，，这也是大永磁环结构所不具备的。所以，本次斥力型磁悬浮支承系统电磁部分设计最终采用永磁阵列式结构。yz永磁环悬浮磁体电磁线圈yz悬浮磁体电磁线圈
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM273

【参考文献】