轴向磁轴承及其转子动力学研究

发布时间：2020-05-17 14:28

【摘要】： 动力磁悬浮轴承(power magnetic bearing,P-MB)与传统磁悬浮轴承存在本质上的不同,动力磁悬浮轴承不仅可产生支承转子的径向力悬浮,而且还可产生驱动转子所需的扭矩,因此动力磁悬浮轴承可集电动机和轴承两种功能于一体。本文以动力磁悬浮轴承的轴向磁轴承为研究重点,概述轴向磁轴承的工作原理和系统组成,推导出轴向磁轴承的数学模型,建立了轴向磁轴承的控制系统。应用有限元法对轴向磁轴承的电磁场、涡流损耗以及采用不同材料的转子悬浮力做了较为详细的分析,在此分析基础上采用简化磁路法设计出轴向磁轴承结构。推导出轴向磁轴承——转子系统的运动方程,建立了轴向磁轴承控制系统的闭环传递函数;应用MATLAB软件对所设计的轴向磁轴承控制系统进行仿真,仿真结果表明采用PID控制可实现轴向磁轴承的稳定悬浮。分析了数字控制系统的算法,建立基于DSP的轴向磁轴承数字控制系统。提出将模糊控制与PID控制相结合的模糊自整定PID控制算法,并将其应用于轴向磁轴承控制系统中。基于有限元求解转子固有频率理论,应用ANSYS软件对转子模态进行分析,得出了转子的各阶固有频率和临界转速,分析了各阶临界转速时转子的变形状况,建立无阻尼转子通过临界转速时所需的最小驱动力矩数模表达式,对动力磁轴承转子跨越临界转速具有一定的指导意义。
【图文】：

磁悬浮轴承,主轴系统,动力磁悬浮轴承

3图2 采用普通磁悬浮轴承的主轴系统Fig.2 Spindle system adopt magnetic suspending bearing但这种电主轴和磁悬浮轴承相结合仍有缺陷。如图 2 所示，可以看出磁悬浮轴承与传统机械轴承的安装位置相似，分别位于主轴两端，但其轴向长度却远远大于机械轴承，再加上内置电机的长度，使主轴成为细长杆。此种结构严重制约了主轴的刚性及其在切削加工中所能承担的扭矩，并进一步限制主轴转速的提高。针对上述机床主轴的缺陷，本文提出一种具有电机功能的动力磁悬浮轴承，就可以将旋转机械的驱动电机去掉，由动力磁悬浮轴承支承转子并直接驱动其转动，使结构小型化，并真正实现高速、大负荷运转。动力磁悬浮轴承(power magnetic bearing

动力磁悬浮轴承,结构示意图

4图.3 动力磁悬浮轴承结构示意图Fig. 3 Sketch map of structure of power magnetic bearings(3)普通磁悬浮轴承-电机仅由一个电机输出扭矩，而利用 P-MB 组成旋转机械系统时，多半是采用成对支承驱动。故在相同外型尺寸、相同转速情况下，它是普通磁悬浮轴承-电机输出的 2~3 倍，因此可以实现更高的输出。(4)P-MB 可单个使用，也可成对或多个作为轴承和电机同时使用。成对使用时除具有小型、高速和大扭矩的特点外，其主轴所受的扭转剪切内应力对称且很小(仅存在转动时引起的切向惯性应力)，大大提高了主轴的强度和使用寿命；多个使用时，，可以改善主轴的支承情况，还能使输出扭矩成倍增大。(5)动力磁悬浮轴承在运行过程中对支承采取变刚度措施
【学位授予单位】：大连交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TH133.3

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