交直流三自由度混合磁轴承应用基础理论研究

发布时间：2020-03-20 07:34

【摘要】： 磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损、无需润滑和密封、高转速、高精度、寿命长等一系列优良品质，从根本上改变了传统的支承形式。本文研究了一种新颖的交直流三自由度混合磁轴承，轴向悬浮力控制采用直流驱动、径向悬浮力控制采用三相逆变器提供电流驱动，由一块永磁体同时提供轴向、径向偏置磁通，集交流驱动、永磁偏置及径向-轴向联合控制等优点于一体。目的是研制出一种结构紧凑，制造与运行成本较低并可实际应用于工业领域的新型磁轴承。首先，在分析各类磁轴承结构与磁路的基础上，创造性地提出了交直流三自由度混合磁轴承这种新型结构。该磁轴承由轴向定子、轴向控制线圈、径向定子、径向控制线圈、转子、径向充磁永磁体等构成。径向控制线圈设计为空间三相对称式结构，因而可采用工业上广泛应用的体积较小，成本较低并易于采用高性能数字信号处理器DSP控制的三相逆变器来控制其径向两自由度。其次，采用等效磁路法对该磁轴承的磁路进行了推算，，导出了其轴向、径向磁悬浮力计算公式及数学模型，对悬浮力计算公式从理论上进行了非线性分析及交叉耦合性分析；依据系统线性化数学模型，建立了控制系统；再依据悬浮力计算公式及数学模型给出了机械与电气参数设计方法，设计出一台试验样机及机械试验平台。采用通用有限元分析软件ANSYS8.0对实验样机的磁路进行了仿真分析，仿真结果验证了理论研究的合理性并对样机参数做了进一步优化设计。最后，设计了交直流三自由度混合磁轴承基于数字信号处理器DSP的软件系统及硬件电路PCB板，给出了主程序及各中断程序流程图；轴向采用线性功放，径向采用基于CRPWM的三相逆变器功放电路，构建了完整的实验平台；提出了详细实验测试方案，为进一步开展各项参数调试与功能测试奠定了基础。理论研究与仿真试验结果表明：交直流三自由度混合磁轴承结构合理紧凑、承载力大、效率高、成本低，在超高速超精密数控机床、磁悬浮电机、高速飞轮储能系统、人造卫星等悬浮支撑系统领域具有广泛潜在应用前景。
【图文】：

电磁轴承,工业应用,磁轴承

而且结构复杂，从而导致磁轴承的价格很高，难以大面积推广应用。(3)磁轴承的主要工业应用场合目前，磁轴承己经在空间技术、物理学研究、机器人、机械加工等工业领域得到了应用。空间技术方面应用主要是用于卫星飞轮和卫星天线的定向，以及航空发动机转子的支承等。其优点是噪声低、功耗小、寿命长、定位精度高。磁轴承在物理学研究领域中主要应用于粒子束分选器、涡流分子泵、高速离心机、X射线管及高真空计等，其优点能适应于高真空、高温、高压等极端条件应用磁轴承的智能机械手，由于定位准确，便于解决一些需要精确操作的安装对中问题。而在超净工作间使用装有磁轴承的机器人，就可以避免普通轴承因磨损而造成的灰尘污染问题。磁轴承在机械加工领域中主要应用于磨床、铣床和钻床的电主轴中。应用磁轴承的电主轴具有以下优点:高转速，金属切削速度高:无磨损，可靠性高:振

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.2.4几种典型磁轴承结构(l)单自由度磁轴承图1.5为单自由度主动磁轴承结构和磁路示意图。磁轴承由定子铁心、线圈绕组、转子和吸力盘等组成。磁通分别从两边的定子铁心与吸力盘及气隙构成闭合回路。绕组通电时，调节控制电流使电磁铁产生磁通，可调整吸力盘左面或右面磁场吸力的大小，吸力盘在左右两面磁吸力作用下悬浮于中间平衡位置〔”’。图1.6是单自由度混合磁轴承结构和磁路示意图。静态偏置磁通由永磁体提供，吸力盘在平衡位置时不需要控制电流，仅靠永磁体产生的偏置磁通作用下转子悬浮于平衡位置，因而电磁铁的安匝数大大减少，降低了功率放大器功耗，缩小了磁轴承体积，减轻了磁轴承重量。宿宿宿宿性夕夕匕匕二井井井困…七七不不不不二几声 ...!!!!一一一 .(((1111一一一}l一一国国国国奇奇不不不不二勺勺阿阿 {{{【【_」」仁仁‘一』』「「，门门 F191.5SingleDOFAMB图1.5单自由度主动磁轴承 Figl.6SingleDOFHMB图1.6单自由度混合磁轴承(2)径向二自由度磁轴承径向磁轴承需要三个或三个以上的磁极构成碰路来控制两个自由度。据1.2.3节所述，可将径向两自由度磁悬浮轴承按结构组成分类如表1.1所
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TH133.3

【引证文献】