電磁軸承利用可控電磁力將轉子懸浮于空間中,實現(xiàn)轉子與軸承的無接觸狀態(tài),是一種新型的高性能機電一體化產品。電磁軸承的支承特性是電磁軸承系統(tǒng)中的關鍵研究之一,尤其是支承剛度和阻尼,剛度阻尼特性對電磁軸承轉子系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)特性、旋轉精度等有很大的影響。為了能有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,對電磁軸承支承剛度和阻尼進行更細致的研究是十分重要的。本文以10kWh儲能飛輪電磁軸承試驗樣機為研究對象,從理論分析、仿真分析、實驗分析等方面著重研究與分析電磁軸承的支承剛度和阻尼。首先闡述電磁軸承轉子系統(tǒng)的基本結構及工作原理,建立了徑向單自由度轉子系統(tǒng)數(shù)學模型。根據建立的模型,利用電磁理論推導出電磁力與線圈中電流和間隙的關系,并在平衡位置附近處對電磁力進行線性化處理�；赑ID控制策略建立單自由度電磁軸承閉環(huán)控制系統(tǒng)模型,得出控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù),利用勞斯判據確定控制參數(shù)的穩(wěn)定域。然后對電磁軸承支承剛度和阻尼進行理論分析。通過分段積分的方法推導出電磁軸承轉子在偏心時的電磁力,結合剛度阻尼的概念得出剛度阻尼的計算公式,并分析了電磁軸承剛度阻尼的影響因素�；赑ID控制策略,分別對控制系統(tǒng)的控制效果和抗干擾能力進行仿... 

【文章來源】：哈爾濱工程大學黑龍江省211工程院校

【文章頁數(shù)】：83 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

磁懸浮飛輪儲能裝置

7驗結果進行了分析與驗證[35]。圖1.1所示為美國波音公司和阿貢試驗室合作共同完成的飛輪儲能裝置[36]，該系統(tǒng)設計的儲能量為10kWh，最高工作轉速為20000rpm。圖1.2所示為日本磁懸浮技術研究中心設計的一種基于10kWh飛輪儲能樣機的電磁軸承定子結構�？偟膩碚f，美國以及歐洲的一些國家在磁軸承支承技術研究方面一直走在世界的前列，這些國家的技術水平也較高，對電磁軸承的研究也比較深入。截止今天，主動磁懸浮軸承技術已經引起了旋轉機械的支承技術的革命，有關設計和制造的參數(shù)已經被各大公司所接受。主動磁軸承支承技術的應用范圍也越來越廣泛，例如飛輪儲能裝置、超高速磁懸浮列出、超高速離心機、空間飛行器的角動量飛輪等領域。圖1.1磁懸浮飛輪儲能裝置圖1.2日本研制的電磁軸承定子結構1.4.2國內研究概況因為電磁軸承具有其獨特的優(yōu)越性，所以受到國內外學術界和工業(yè)領域的廣泛關注。但我國對電磁軸承的研究起步比較晚，上世紀60年代，我國才開始了對電磁軸承的研究。由于科學技術比較落后，設備不夠先進，加上我國對這個領域的研究起點較晚，使我國在該領域的發(fā)展比一些發(fā)達國家落后了將近20年。清華大學于1982年從理論層面和試驗層面對單自由度磁懸浮技術進行了研究[37]。1983年上海微電機研究所也開始了磁懸浮技術的研究，而且制造出我國首個電磁軸承試驗樣機，然而該軸承采用的是無源懸浮，且剛度以及承載力較小，并沒將其投入使用。在研究初期因為研究對象的模型簡單、剛度孝阻尼差、負載能力有限等，導致無法真正應用到實際工業(yè)中。到了九十年代初期，我國的一些高校和研究單位陸續(xù)開始對磁懸浮技術的研究，其中包括清華大學、浙江大學、哈爾濱工業(yè)大學、西安交通大學、南京航空航天大學、哈爾濱工程大學、

8武漢理工大學等多個院校。進入二十世紀后，清華大學與江蘇開原技術有限公司共同研究電磁軸承，并對電磁軸承在磨床主軸上的高轉速應用進行了測試[38,39]，而且將設計研發(fā)的電磁軸承成功應用于大功率透平機發(fā)電項目。如圖1.3所示為清華大學設計的有關電磁軸承性能測試試驗裝置。2005年海爾公司開發(fā)了國內首臺磁懸浮中央空調，并且在之后的產品發(fā)展中廣泛應用。南京磁谷科技有限公司是目前中國第一家以磁懸浮軸承為核心關鍵技術的公司，2010年研制出磁懸浮離心式鼓風機。圖1.3清華大學設計的電磁軸承支承撓性轉子我國對電磁軸承系統(tǒng)剛度阻尼特性的研究主要經歷了以下發(fā)展：上世紀90年代初，王洪禮、吳志強等老師根據穩(wěn)定性對電磁力的要求，通過求解控制電流方程，估算出磁力軸承的剛度的計算公式[40]。1996年，上海大學的汪希平教授理論分析了電磁軸承剛度阻尼與結構參數(shù)以及控制其參數(shù)之間的關系，同時也根據試驗測得系統(tǒng)剛度特性曲線[41]。隨后，趙雷等人從電磁軸承剛度阻尼的角度出發(fā)，簡單設計出一種能自動測量電磁軸承剛度的系統(tǒng)，完成了剛度的自動測量[42]。2001年，徐華、劉淑琴等人采用PD控制，利用有限元分析法得出軸向和徑向電磁軸承的阻尼，并用扭擺振動試驗測試出軸承阻尼[43]。清華大學的戴興建、衛(wèi)海崗等建立四自由度的飛輪儲能支承系統(tǒng)的轉子模型，求解了系統(tǒng)的復特征值問題，分析了模態(tài)頻率和阻尼比隨轉速變化的特性，得出阻尼器剛度與阻尼對模態(tài)阻尼比的影響[44]。南京航空航天大學的謝振宇老師通過進行磁懸浮軸承轉子特性的試驗，總結出轉子轉速與振幅之間的聯(lián)系，即轉子振幅隨著轉速的增大逐漸遞增，但在臨界轉速區(qū)會發(fā)生較大幅度的振動[45]。呂冬明等人通過建立非線性支承力模型，分析了電磁軸承的非線性支承特

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
[1]復合材料儲能飛輪結構應力及動態(tài)特性研究[D]. 周生良.山東大學 2015
[2]600Wh飛輪儲能系統(tǒng)的電磁軸承結構設計[D]. 湯銀龍.哈爾濱工程大學 2013
[3]PID控制器參數(shù)整定技術研究與優(yōu)化設計[D]. 李國林.大連理工大學 2010
[4]基于多變量的便攜式PID參數(shù)整定儀的開發(fā)[D]. 李華.山東建筑大學 2010
[5]大型機床磁懸浮平臺剛度控制的研究[D]. 吳紅波.沈陽工業(yè)大學 2007
[6]磁懸浮無軸承無刷直流電機及其在計算機硬盤中的應用研究[D]. 方曉廳.西北工業(yè)大學 2006
[7]PID控制器參數(shù)整定方法及其應用研究[D]. 何芝強.浙江大學 2005



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