磁悬浮飞轮用交流组合偏置磁轴承研究

发布时间：2017-08-22 11:24

  本文关键词：磁悬浮飞轮用交流组合偏置磁轴承研究

  更多相关文章： 飞轮储能系统 交流混合磁轴承 数学模型 参数设计 数字控制

【摘要】：飞轮储能系统由于其充电时间短、功率密度高、储能密度大、对环境要求低、可模块化等优点而被广泛关注,但是飞轮的高速旋转所带来的机械摩擦损耗成为了限制其发展的重要因素之一,将磁悬浮支承技术应用于飞轮储能系统中可以避免机械摩擦,提高系统的储能效率与使用寿命,磁悬浮飞轮储能系统具有更广泛的应用前景。交流混合磁轴承具有结构紧凑、功耗低、控制简单等优点,将其应用于磁悬浮飞轮储能系统中具有较大的优势,本文采用新型五自由交流混合磁轴承作为飞轮储能系统的支承系统,围绕磁悬浮支承系统的结构设计、数学模型、控制方式等对其进行了研究,主要的研究内容如下:首先,介绍了磁悬浮飞轮储能系统的基本原理,提出了几种常见的磁悬浮总体支承方案,并分析比较了几种方案的优缺点,最终选择使用一个二自由度交流混合磁轴承和一个三自由度交流混合磁轴承来支承系统。其次,通过对磁路结构的分析,计算了永磁体产生的偏置磁通大小对交流混合磁轴承设计的影响,并分析了不同设计带来的优势与不足,针对永磁偏置的交流混合磁轴承存在的一些问题,提出了利用电流与永磁体共同产生偏置磁通的组合偏置方法,详细阐述了组合偏置方法的原理与优点。再次,利用组合偏置方法分别设计了二自由度组合偏置磁轴承和三自由度组合偏置磁轴承,给出了详细的参数设计步骤,推导出五自由度交流组合偏置磁轴承的悬浮力数学模型以及直流偏置电流的大小,通过Ansoft软件对磁轴承进行了有限元分析,验证了组合偏置原理的正确性,且仿真结果显示悬浮力大小达到了设计要求。最后,构建了五自由度交流组合偏置磁轴承的数字控制实验平台,详细介绍了实验硬件组成、软件结构与调试过程,完成了对磁轴承转子的起浮试验与扰动试验,并分析了试验结果。
【关键词】：飞轮储能系统 交流混合磁轴承 数学模型 参数设计 数字控制
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK02;TH133.3
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-23
• 1.1 磁悬浮飞轮储能系统的研究背景10-11
• 1.2 飞轮储能系统概述11-17
• 1.2.1 飞轮储能系统的工作原理11
• 1.2.2 飞轮储能系统的关键技术分析11-13
• 1.2.3 飞轮储能系统的应用领域13-17
• 1.3 磁悬浮飞轮储能系统的研究现状17-21
• 1.3.1 国外研究现状17-18
• 1.3.2 国内研究现状18-21
• 1.4 研究目的与意义21
• 1.5 论文的内容安排21-23
• 第2章 磁悬浮飞轮储能系统支承结构分析23-33
• 2.1 磁悬浮飞轮储能系统的基本理论23-25
• 2.1.1 系统硬件组成23
• 2.1.2 飞轮储能系统存储的能量23-24
• 2.1.3 不同形状的飞轮分析24-25
• 2.2 磁悬浮飞轮储能系统支承方案25-31
• 2.2.1 磁悬浮支承结构25-28
• 2.2.2 各类磁轴承的比较与分析28-30
• 2.2.3 内转子型与外转子型磁轴承的动态性能比较30
• 2.2.4 磁悬浮飞轮储能系统支承结构的确定30-31
• 2.3 本章小结31-33
• 第3章 基于组合偏置的交流混合磁轴承设计与研究33-67
• 3.1 交流混合磁轴承的原理与数学模型33-38
• 3.1.1 交流混合磁轴承的结构与原理33-34
• 3.1.2 交流混合磁轴承的数学模型34-38
• 3.2 不同偏置磁通大小的磁轴承参数设计38-40
• 3.2.1 偏置磁通大小的分析38
• 3.2.2 最大悬浮力的最优设计38-40
• 3.3 永磁电励磁组合偏置的原理与优点40-43
• 3.3.1 永磁电励磁组合偏置的原理与磁场分析40-41
• 3.3.2 组合偏置方法对磁轴承结构优化的作用41-43
• 3.4 二自由度组合偏置磁轴承设计43-53
• 3.4.1 二自由度组合偏置磁轴承结构与参数设计43-47
• 3.4.2 悬浮力数学模型与直流偏置电流的计算47-49
• 3.4.3 二自由度组合偏置磁轴承有限元分析49-53
• 3.5 三自由度组合偏置磁轴承设计53-62
• 3.5.1 三自由度组合偏置磁轴承结构与原理53-54
• 3.5.2 三自由度组合偏置磁轴承参数设计54-56
• 3.5.3 悬浮力数学模型与直流偏置电流的计算56-61
• 3.5.4 三自由度组合偏置磁轴承有限元分析61-62
• 3.6 五自由度支承系统状态方程62-66
• 3.7 本章小结66-67
• 第4章 五自由度磁轴承数字控制系统的设计与实验研究67-82
• 4.1 数字控制系统硬件电路67-74
• 4.1.1 控制芯片TMS320F2812DSP68-70
• 4.1.2 位移采样电路70-71
• 4.1.3 电流反馈电路71
• 4.1.4 径向功率驱动电路71-73
• 4.1.5 轴向功率驱动电路与偏置电流产生电路73-74
• 4.2 数字控制系统软件设计74-79
• 4.2.1 软件总体设计74-75
• 4.2.2 PID控制器75-76
• 4.2.3 程序的模块化76-78
• 4.2.4 实验调试界面78-79
• 4.3 试验结果及分析79-81
• 4.3.1 试验准备79
• 4.3.2 起浮试验79-80
• 4.3.3 扰动试验80-81
• 4.4 本章小结81-82
• 第5章 总结与展望82-84
• 5.1 本文完成的主要工作82-83
• 5.2 需要进一步研究的工作83-84
• 参考文献84-89
• 致谢89-90
• 攻读硕士学位期间发表论文90

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