發(fā)布時(shí)間：2020-09-09 16:04

　　 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的性能提出了各種越來(lái)越苛刻要求。在能源動(dòng)力機(jī)械與化工機(jī)械中,要求轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度和精度越來(lái)越高、轉(zhuǎn)子與定子間的間隙越小越好以追求更高的效率。而對(duì)另一些工作在極端高溫或低溫環(huán)境下的軍工、航空航天領(lǐng)域的旋轉(zhuǎn)機(jī)械來(lái)說(shuō),除了要求能夠承受嚴(yán)酷的環(huán)境考驗(yàn)之外,對(duì)于支撐的可控性,安全及可靠性的考慮往往是第一位的。因此具有較高轉(zhuǎn)速、摩擦功耗小、無(wú)需潤(rùn)滑以及可控性等諸多優(yōu)點(diǎn)的磁懸浮軸承日益成為科技領(lǐng)域和企業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)課題項(xiàng)目之一。 高性能電磁軸承是涉及機(jī)械學(xué)、電磁學(xué)、電子學(xué)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、控制工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程。目前,電磁軸承的研究基本上都是對(duì)電氣部分的研究,對(duì)機(jī)械部分的相關(guān)研究很少。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)電磁軸承的研究工作,多數(shù)集中在對(duì)電氣部分的優(yōu)化設(shè)計(jì),而對(duì)機(jī)械部分的研究工作相對(duì)較少。 本文針對(duì)電磁軸承的主體—機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)與磁學(xué)特性進(jìn)行了較為深入的研究。根據(jù)現(xiàn)代電磁軸承系統(tǒng)所存在的結(jié)構(gòu)問(wèn)題,提出了一種永磁偏置混合磁懸浮軸承(HMB),即把用永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)取代主動(dòng)磁懸浮軸承中電磁鐵產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁場(chǎng),而采用電磁鐵作為電磁軸承的調(diào)節(jié)裝置。 (1)針對(duì)目前電磁軸承中存在的問(wèn)題,提出了利用永久磁鐵提供偏置磁場(chǎng)、電磁鐵提供控制磁場(chǎng)的混合式主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)。在原有磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種新型的磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,將徑向電磁軸承與軸向電磁軸承做成一體,有效的地提高了磁懸浮軸承的產(chǎn)品性能。 (2)介紹了永磁偏置混合磁軸承的結(jié)構(gòu)及其工作原理,在此基礎(chǔ)上,建立了該磁軸承的等效磁路模型,并采用疊加原理對(duì)其磁路進(jìn)行了分析計(jì)算,推導(dǎo)了該磁軸承的承載力計(jì)算表達(dá)式。并介紹了永磁鐵的設(shè)計(jì)與選擇方法以及永磁鐵的工作特性。 (3)利用電磁有限元仿真軟件Ansoft中的Maxwell-2D對(duì)電磁軸承進(jìn)行了二維渦流場(chǎng)的計(jì)算,得到了只有永磁鐵時(shí)以及加載電流后的電磁軸承的磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度等參數(shù)的分布情況,為電磁軸承的設(shè)計(jì)提供了參考。通過(guò)對(duì)疊片轉(zhuǎn)子的進(jìn)行有限元分析發(fā)現(xiàn)采用疊片轉(zhuǎn)子比采用實(shí)心轉(zhuǎn)子功耗小,渦流損失小,因此疊片轉(zhuǎn)子具有優(yōu)越性,設(shè)計(jì)可行。 (4)分析了混合電磁軸承的力耦合和運(yùn)動(dòng)耦合現(xiàn)象,得出了轉(zhuǎn)子在不同角度時(shí),徑向懸浮力沿圓周方向的分布情況,徑向懸浮力與軸向懸浮力的力耦合分布以及電磁軸承的電流與懸浮力之間的關(guān)系。 (5)介紹了磁懸浮軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù),通過(guò)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析得出單自由度和五自由度轉(zhuǎn)子的數(shù)學(xué)模型,為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。電磁軸承支承的軸承系統(tǒng)本身是不穩(wěn)定的,必須通過(guò)對(duì)其進(jìn)行反饋控制才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的懸浮。針對(duì)混合電磁軸承控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)原有的傳統(tǒng)PID控制方法進(jìn)行了改進(jìn),形成非線性補(bǔ)償PID控制與基于遺傳算法的PID控制方法,并對(duì)三種控制方法進(jìn)行了比較研究。 (6)對(duì)系統(tǒng)的控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì),利用MATLAB中的Simulink模塊庫(kù)對(duì)所設(shè)計(jì)的PID控制參數(shù)進(jìn)行了整定調(diào)試。利用設(shè)計(jì)的PID控制器、非線性補(bǔ)償PID控制器以及基于遺傳算法的PID控制器對(duì)系統(tǒng)階躍響應(yīng)、軸承起伏過(guò)程以及負(fù)載變化時(shí)的電流波形情況進(jìn)行了仿真比較,發(fā)現(xiàn)非線性補(bǔ)償PID控制器以及基于遺傳算法的PID控制器,對(duì)電磁軸承的控制效果較好。
【學(xué)位單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2009
【中圖分類】：TH133.3
【部分圖文】：

儲(chǔ)存能量 15.gwh，動(dòng)量距54.sNms，解決了該Ib1題[8][”]。此后，多倫多大學(xué)，德克薩斯A&M大學(xué)，NASA等研究機(jī)構(gòu)在此方面進(jìn)行了深入的研究。圖1.1為伯明翰車展上的應(yīng)用了磁負(fù)載復(fù)合的威廉姆斯電驅(qū)KERS系統(tǒng)。從航天領(lǐng)域的應(yīng)用開始，飛輪電池在其他應(yīng)用領(lǐng)域的研究也隨之展開。經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展，現(xiàn)在飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而且正在不斷飛速發(fā)展，由于它具有良好的性能和相對(duì)比較理想的性能價(jià)格比，而越來(lái)越多地應(yīng)用于各種場(chǎng)合，己經(jīng)成為近幾年儲(chǔ)能設(shè)備應(yīng)用研究的主要對(duì)象，而且必將逐步占領(lǐng)更大的儲(chǔ)能設(shè)備市場(chǎng)。圖1.2為Flybird公司研發(fā)的具有結(jié)構(gòu)緊湊總重僅有24公斤的飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)實(shí)物圖。圖1.1威廉姆斯電驅(qū)KERs系統(tǒng)圖 1.2Flybird公司飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)(2)在真空和超凈環(huán)境中的應(yīng)用近幾年來(lái)，由于半導(dǎo)體、光學(xué)鍍膜、離子蝕刻和液晶顯示器件等應(yīng)用領(lǐng)域迅速發(fā)展，其質(zhì)量要求越來(lái)越高。過(guò)去常用的有油污染的真空系統(tǒng)難以保證制

以及潛艇、飛機(jī)、火箭制導(dǎo)等。例如，美國(guó)國(guó)防部為研發(fā)新型復(fù)合電力戰(zhàn)車設(shè)立的復(fù)合動(dòng)力戰(zhàn)車系統(tǒng)(GHPS)項(xiàng)目。在低軌道衛(wèi)星應(yīng)用中，航空器主要?jiǎng)恿υ词怯晒怆娹D(zhuǎn)換器來(lái)提供電源。電源儲(chǔ)存的能量(在60分鐘太陽(yáng)光照射時(shí))能夠滿足30分鐘無(wú)太陽(yáng)照射時(shí)處在黑暗中的應(yīng)用。因此，要求飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，也稱為飛輪電池，其轉(zhuǎn)速為20000rpm，儲(chǔ)存能量 15.gwh，動(dòng)量距54.sNms，解決了該Ib1題[8][”]。此后，多倫多大學(xué)，德克薩斯A&M大學(xué)，NASA等研究機(jī)構(gòu)在此方面進(jìn)行了深入的研究。圖1.1為伯明翰車展上的應(yīng)用了磁負(fù)載復(fù)合的威廉姆斯電驅(qū)KERS系統(tǒng)。從航天領(lǐng)域的應(yīng)用開始，飛輪電池在其他應(yīng)用領(lǐng)域的研究也隨之展開。經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展，現(xiàn)在飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而且正在不斷飛速發(fā)展，由于它具有良好的性能和相對(duì)比較理想的性能價(jià)格比，而越來(lái)越多地應(yīng)用于各種場(chǎng)合，己經(jīng)成為近幾年儲(chǔ)能設(shè)備應(yīng)用研究的主要對(duì)象，而且必將逐步占領(lǐng)更大的儲(chǔ)能設(shè)備市場(chǎng)。圖1.2為Flybird公司研發(fā)的具有結(jié)構(gòu)緊湊總重僅有24公斤的飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)實(shí)物圖。

永磁偏置混合磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化及控制方法研究備這些材料的純度和質(zhì)量，有逐漸被淘汰的趨勢(shì)。這種系統(tǒng)已經(jīng)被無(wú)油污染的干式清潔真空泵取代。由于磁力軸承不存在機(jī)械磨損，不需潤(rùn)滑，不引起環(huán)境污染，必要時(shí)，甚至可以使磁力透過(guò)容器壁發(fā)生作用而將軸承安排在真空容器外面。因此，磁力軸承真空泵成為目前磁懸浮技術(shù)最大的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。僅日本精工精機(jī)公司出口到美國(guó)的軸承磁力真空泵一年就價(jià)值8億美元。目前，國(guó)內(nèi)阿爾卡特公司生產(chǎn)的ATH一M系列磁懸浮渦輪分子泵優(yōu)勢(shì)明顯，如圖1.3所示。圖1.4為用于壓縮機(jī)上的可傾瓦磁懸浮軸承。

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 張大勇;物質(zhì)磁性參數(shù)測(cè)量裝置的研究[D];河北聯(lián)合大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2815184