【摘要】：伴隨著工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的高速電機(jī)的發(fā)展,起到支撐高速電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁軸承成為當(dāng)前熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。磁懸浮軸承是一種集機(jī)械結(jié)構(gòu)、電力電子、控制工程、材料學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理等多門學(xué)科的機(jī)電一體化的典型代表。根據(jù)磁軸承偏置磁場(chǎng)的來源的不同,磁軸承可以分為多種類別。本文主要研究了單自由度主動(dòng)磁懸浮軸承及其控制系統(tǒng)。具體內(nèi)容如下:研究應(yīng)用在工程上的主動(dòng)磁懸浮軸承徑向磁軸承的結(jié)構(gòu)、定子磁極的繞線方式。通過對(duì)電磁懸浮力的分析,推導(dǎo)出單自由度差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式控制的磁懸浮軸承的電磁力計(jì)算公式,確定了電磁軸承模型及參數(shù),給出了位移傳感器和功率放大器的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型。為了實(shí)現(xiàn)磁軸承的單自由度分散控制,應(yīng)用Ansoft有限元分析軟件對(duì)徑向磁軸承定子的不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維有限元電磁仿真計(jì)算,并對(duì)不同磁軛結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析從而確定徑向磁軸承的解耦結(jié)構(gòu)。計(jì)算了轉(zhuǎn)子所受電磁合力與轉(zhuǎn)子位移的關(guān)系曲線,分析表明做了解耦設(shè)計(jì)的磁軸承結(jié)構(gòu)能夠提供轉(zhuǎn)子在產(chǎn)生位置偏移時(shí)回到平衡位置的電磁力。從而得出設(shè)計(jì)的磁軸承結(jié)構(gòu)滿足實(shí)際要求。分析主動(dòng)磁懸浮軸承的控制方式,針對(duì)磁軸承的電磁執(zhí)行器的特性要求,并遵循磁軸承功放的設(shè)計(jì)依據(jù),在脈寬調(diào)制發(fā)生電路和功放驅(qū)動(dòng)電路之間設(shè)計(jì)了一個(gè)邏輯電路。從而在兩電平功放電路的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)三電平控制策略。通過仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式驗(yàn)證了功放設(shè)計(jì)的合理性。功率放大器的性能良好。能夠有效減小電流紋波。仿真確定了磁軸承控制系統(tǒng)的位移外環(huán)PID控制參數(shù)。并在此參數(shù)條件下對(duì)主動(dòng)磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子進(jìn)行了起浮、靜態(tài)懸浮和旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。
【圖文】：

之前提到了磁軸承的分類依據(jù)。比如按磁場(chǎng)提供來源可以分為主動(dòng)式、被動(dòng)式和混合式[19]。其中主動(dòng)式磁軸承中若偏置電流由恒流源提供的叫做恒流源偏置磁懸浮軸承。偏置磁場(chǎng)由永磁體提供的叫做永磁偏置磁軸承[20-21]。不論是主動(dòng)式還是混合式磁軸承，，都屬于閉環(huán)系統(tǒng)，具有負(fù)反饋環(huán)節(jié)。而被動(dòng)式磁懸浮軸承屬于開環(huán)控制，雖能達(dá)到懸浮效果，但被懸浮的對(duì)象受到干擾很難再回到平衡位置。磁軸承按結(jié)構(gòu)分為徑向和軸向磁軸承兩種，磁軸承定子的磁極的數(shù)量對(duì)于具體磁軸承來說也不是固定的。一般來說實(shí)際應(yīng)用的都是四磁極和八磁極結(jié)構(gòu)[22-23]。這是因?yàn)槎ㄗ由洗艠O的數(shù)目越多，能夠提供更多方向的磁拉力，使轉(zhuǎn)子懸浮的魯棒性更高。但是對(duì)于磁軸承控制系統(tǒng)，磁極太多會(huì)增加控制難度。而磁極數(shù)量太少，對(duì)于徑向磁軸承來說，會(huì)造成電磁鐵產(chǎn)生的磁感線耦合。給磁軸承力學(xué)模型的線性化增加了難度。在磁軸承發(fā)展歷史中也提到過一種應(yīng)用到人體左心室的人工心臟泵就是區(qū)別于常規(guī)磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)的磁懸浮軸承[24-25]。由于是應(yīng)用到人體，要保證結(jié)構(gòu)的緊湊性和一體性，這種磁軸承將電機(jī)和其中的一個(gè)軸承組合到一起。圖 1.1 是磁軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

承控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理；通過分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在工作點(diǎn)運(yùn)行范圍力線性化模型。最后建立磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子的數(shù)學(xué)模型，并為后續(xù)磁軸承準(zhǔn)備。軸承的工作原理學(xué)者 S.Earnshaw 的研究可知，若導(dǎo)磁被控對(duì)象在只受到永磁力的條件都實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮是不可能的。因此需要控制系統(tǒng)對(duì)磁軸承轉(zhuǎn)子施加主動(dòng)磁軸承控制系統(tǒng)主要由電機(jī)轉(zhuǎn)子軸、纏繞線圈的磁軸承定子、功率放大式位移傳感器五部分來組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。這里需要說明的是由于，因此傳感器需要選擇非接觸類型。在電機(jī)轉(zhuǎn)子受到外部干擾偏移中心軸承控制系統(tǒng)中的控制器將會(huì)實(shí)時(shí)接收到來自與轉(zhuǎn)子無直接機(jī)械接觸的偏差信號(hào)，控制器將這個(gè)偏差信號(hào)經(jīng)過處理器按照控制策略進(jìn)行處理輸?shù)焦β史糯笃髦�，功率放大器將控制信�?hào)轉(zhuǎn)化成線圈中的實(shí)時(shí)電流使轉(zhuǎn)保證轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。
【學(xué)位授予單位】：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH133.3;TP273

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1 趙鴻賓;;磁軸承研究現(xiàn)狀[J];國(guó)際學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài);1999年06期

2 朱q

本文編號(hào)：2706945