基于系统辨识的轴向磁悬浮轴承建模研究

磁悬浮轴承可有效地提升高速电机的临界转速,然而轴向磁悬浮轴承在转子高转速和材料实心的情况下涡流效应显著。针对该情况下实心轴向磁悬浮轴承的建模问题,使用等效磁路法建立轴向磁悬浮轴承模型时常会忽略涡流效应,导致理论模型与实际模型存在较大误差。为了得到更贴近实际的轴向磁悬浮轴承精确模型,针对一种混合型三自由度磁悬浮轴承的轴向部分采用系统辨识的方法进行了闭环辨识,研究了分数阶模型阶次的确定流程和误差准则,得到了轴向磁悬浮轴承的数学模型。结果表明,分数阶系统模型能够弥补整数阶模型在高频段上的相位特性误差,在整个频域上有着更高的精确度。

高温磁悬浮轴承-转子系统建模与动力学分析

在多电航空发动机中,主动磁悬浮轴承因其耐高温、非接触等特性可以突破温度对支承部位的限制,使支承部位能够更靠近燃烧室.为探究温度对磁悬浮轴承转子系统动态特性的影响规律,提出一种高温磁悬浮轴承转子系统动力学建模方法.通过仿真得到转子在不同温度下的温度分布,并使用多项式拟合转子轴向温度分布;基于有限元方法推导柔性转子单元的动力学模型,引入温度影响,建立考虑温度影响的磁悬浮轴承转子系统整体动力学模型,并通过模态试验验证模型的准确性;基于理论动力学模型分析系统的动态特性.结果表明:温度升高会导致转子的前三阶支承模态频率下降,增大各阶幅频响应幅值;当温度从常温升至450℃时,转子的前三阶弯曲支承模态频率分别降低了3.818%、5.670%、3.183%,前三阶弯曲模态幅频响应幅值分别升高了83.4%、34.4%、24.1%.

人工肾脏泵用磁悬浮轴承设计与磁力特性分析

代替透析膜的持续离心分离新方法提高了依赖血液透析治疗的肾脏病患者生活质量,随之,人工肾脏泵的研究被很多学者关注.但传统人工肾脏泵采用滚动轴承进行支撑,存在溶血高、血栓率高等问题,为此,本文利用磁悬浮轴承的非接触、无润滑、高转速等优点,研发了一种应用于人工肾脏泵的结构紧凑且节能的单自由度控制型磁悬浮轴承.利用有限元分析软件进行仿真,探索径向被动控制部分和轴向主动控制部分的设计参数,并对总体进行仿真验证,进而对磁悬浮轴承进行结构性能评估.结果表明:仿真与实验的径向位移刚度系数分别为47.432 N/mm和49.531 N/mm,轴向电流刚度系数分别为0.144 N/AT和0.135 N/AT,轴向位移刚度系数为223.071 N/mm,满足该磁悬浮轴承的五自由度稳定悬浮要求;所设计的磁悬浮轴承简化了系统结构,减小了控制难度以及降低了系统功耗.

主动磁悬浮轴承系统保护轴承热特性研究及减摩设计

针对主动磁悬浮轴承系统(AMBs)转子跌落过程中转子与保护轴承碰摩产生巨大冲击、振动和大量摩擦热,易使保护轴承失效的问题,对立式转子跌落到保护轴承过程中的热特性进行了研究,分析了转子跌落对保护轴承造成破坏的主要影响因素,进而提出了一种采用磁控溅射技术在保护轴承关键表面沉积固体润滑薄膜(类石墨碳基薄膜,GLC)的减摩方法,并对镀膜、未镀膜的保护轴承进行了转子跌落试验。研究结果表明:跌落转速为20000 r/min时,保护轴承的最高温度为210.60℃,出现在转子与轴承内圈端面高速碰摩阶段,该温度超过了轴承钢160℃的回火温度,导致轴承烧伤而失效。在跌落试验中,镀有GLC薄膜的自润滑保护轴承试验后的沟道和端面外观明显优于未镀膜保护轴承,由碰摩发热导致的内圈端面硬度下降也较轻,质心轨迹和轴向位移更加平稳,温升更低,GLC薄膜起到了关键的自润滑和减摩功能,提高了保护轴承的使用寿命和服役可靠性,为解决主动磁悬浮轴承系统中保护轴承易失效而发生重大事故的问题提供了一种思路和方法。

磁悬浮轴承系统跌落转子-保护轴承的动态响应分析

保护轴承是磁悬浮轴承系统发生失稳、掉电等故障后保护系统的重要部件,其动态性能直接影响磁悬浮轴承系统的安全性和可靠性。通过有限元软件Abaqus和舍弗勒轴承动力学软件Caba3D建立了柔性转子和保护轴承的动力学模型,开展了从转子开始跌落到转子-保护轴承系统相对稳定状态的动态响应研究,分析了转子和保护轴承内圈转速、转子质心轨迹、转子与保护轴承内圈的碰撞力、球之间的碰撞力、球与内圈之间滑动速度随时间的变化过程。结果表明:在转子的驱动下,保护轴承内圈转速先以极高的加速度升高,当内圈转速与转子接近时,转子和内圈转速又以极低的减速度降低;当保护轴承内圈加速时,转子的质心轨迹紊乱,转子与内圈的碰撞力较大,并且内圈与球之间的滑动速度随着时间增加逐渐增加;当保护轴承内圈减速时,转子与内圈的碰撞力较小,并且内圈与球之间的滑动速度随着时间增加逐渐降低。

考虑界面接触的磁悬浮轴承-转子系统建模及鲁棒控制

磁悬浮轴承-转子系统中,螺栓连接装配形成的界面接触会在转子悬浮状态下激发弯曲模态振动,同时振动频率随转速明显变化.为实现全转速范围内对弯曲模态振动的主动控制,提出一种考虑频率不确定性的H∞鲁棒控制器设计方法.首先,通过建立考虑界面接触的动力学模型进行仿真预测,获得振动频率的变化范围;其次,通过频响拟合的方式对转子传递函数进行重构,并将仿真得到的振动频率变化范围以加性不确定性方式引入到重构传递函数中,得到考虑模态频率不确定性的被控对象模型;最后,基于该模型设计兼顾参数摄动和外力扰动的鲁棒性、闭环系统稳定性和防止控制电压饱和等多功能的H∞鲁棒控制器.数值仿真结果表明:该控制器在模态频率处具有宽频带阻的频响特性,能够抑制磁悬浮轴承转子系统的弯曲模态振动;采用该方法设计的H∞鲁棒控制器后,转子弯曲模态振动幅值最少减小90%.

主动磁悬浮轴承运动力学分析与悬浮控制研究

主动磁轴承(Active magnetic bearing,AMB)具有无摩擦、低损耗、寿命长、可控性强等优点,因此广泛应用于各类旋转轴机械装置中,当前,许多应用于磁轴承系统的先进控制手段在理论上有着良好的控制效果,但在实际应用中却存在很大差异。在实际主动磁悬浮轴承系统中,磁悬浮轴承-转子系统制作偏差而使轴承磁力偏移,严重影响转子悬浮控制。为探究悬浮控制过程中转子运动状态,分析对比了等效磁路法与麦克斯韦积分法电磁力计算,在不完全微分PID控制基础上基于试验测试与理论推导提出了一种实际磁悬浮轴承系统下的运动力学分析悬浮控制方法。将转子运动过程分为加速、减速、波动阶段,对每一阶段转子运动行为特性与控制方法选择进行了研究,并应用于实际8极主动磁悬浮轴承系统中,最终使转子动态悬浮于气隙允许范围内。

磁悬浮轴承系统辨识与鲁棒控制

为解决传统鲁棒控制器设计中存在的磁悬浮轴承被控模型建模复杂且难以准确建模的问题,运用正交多项式拟合方法,对模态实验测得转子的刚体模态及弯曲模态频响数据进行系统辨识,建立磁悬浮轴承转子系统被控模型;基于系统辨识所建立的磁悬浮轴承被控模型进行H_∞鲁棒控制器设计。实验结果证明:基于系统辨识模型的鲁棒控制器能够实现转子的稳定悬浮及对转子刚体模态的控制。

主动磁悬浮轴承有限元模型转子位置反步法控制

为了使主动磁悬浮轴承转子系统得到更稳定的控制,采用了一种Maxwell与Simplorer的联合分析方法对主动磁悬浮电磁轴承转子系统建模并分析.首先,在Maxwell软件中建立有限元模型,然后对其用李雅普诺夫稳定判据结合反步法对此系统的稳定性进行分析,并证明此系统在反步法控制器下能够满足大范围渐进稳定条件.接着,通过Simplorer搭建仿真平台对Maxwell中的有限元模型进行转子控制.这种控制策略能够最大限度地反映主动磁悬浮轴承转子控制的实际工况.相比于线性化后的数学模型,对有限元模型控制能够有效提高转子位置的控制精度.此外,主动磁悬浮轴承正常运行时会受到外部干扰扰动,本文以随机扰动为例,将其施加在磁悬浮转子系统中,并对所提方法进行了正确性和有效性验证,并且与传统PD控制进行了动态性能和鲁棒性对比.结果表明所提方法使得控制系统具有较强的抗干扰能力,并且比PD控制收敛速度更快.

基于FPGA的磁悬浮轴承控制器设计

磁悬浮轴承控制器是磁悬浮轴承系统运行的核心,本文设计一种基于FPGA的磁悬浮轴承控制器。完整的磁悬浮轴承控制器将以FPGA为核心主控芯片,负责数据的采样数据的处理及信号的输出,并拥有电源模块、传感器模块、A/D采样模块、滤波电路模块、光耦隔离与功率放大模块等硬件电路。为使控制器具有更好的控制性能,对于磁轴承控制策略将采用双闭环控制,外环为位置环控制,内环为电流环控制。

基于磁通量计算的混合型轴向–径向磁悬浮轴承参数设计

混合型轴向–径向磁悬浮轴承集轴向磁悬浮轴承与径向磁悬浮轴承于一体,应用于磁悬浮系统可降低系统功耗,减小体积与重量,但其结构及内部磁场分布复杂,参数设计的难度较大。该文提出一种基于磁通量计算的参数设计方法,计算出要达到设计承载力所需的偏置磁场与控制磁场的磁通量,建立起软磁材料内部磁场磁通密度与软磁材料结构参数之间的函数关系,从而计算出软磁材料的结构参数值,使其内部磁场磁通密度不超过其磁化曲线线性区间。利用有限元仿真验证了该设计方法的合理性与正确性。给出了转速为20000r/min时转轴的轴向与径向位移及磁悬浮轴承控制电流的波形。实验结果表明,基于所提方法设计出的混合型轴向–径向磁悬浮轴承具有良好的悬浮特性。

新结构混合型轴向磁悬浮轴承原理分析与参数设计

介绍了一种新结构混合型轴向磁悬浮轴承(HAMB)的结构与工作原理。该结构的混合型轴向磁悬浮轴承利用永磁体来建立偏置磁场,控制磁场由电磁线圈产生,通过控制电磁线圈中电流的大小和方向,产生可控的轴向悬浮力。提出了一种基于磁通量计算的参数设计方法,首先计算出要达到额定承载力所需的磁路中的总磁通量,从而可得出各关键截面处磁场的磁通密度,各个关键截面的结构参数应使该截面处的磁通密度在磁性材料磁化曲线的线性区间内变化。利用有限元分析软件对设计结果进行了电磁场仿真,仿真结果验证了参数设计方法的合理性与正确性。

磁悬浮轴承控制系统性能的仿真研究

本文通过Simulink软件构建磁悬浮轴承的数学模型,旨在研究电流环带宽、开关频率、传感器带宽对磁悬浮轴承稳定性能的影响。通过设定不同的参数值,分析其对系统性能的影响,以期找到最优化的控制策略,提高磁悬浮轴承系统的稳定性和可靠性。研究结果表明,合理选择电流环带宽、开关频率和传感器带宽对于确保磁悬浮轴承系统的稳定运行至关重要。

永磁偏置轴向磁悬浮轴承的类型划分与拓扑结构设计

针对永磁偏置轴向磁悬浮轴承类型多样、拓扑结构复杂的特点,提出了基于气隙中轴向控制磁场分布的永磁偏置轴向磁悬浮轴承的类型划分方法。结合偏置磁场的极性分布,将永磁偏置轴向磁悬浮轴承划分为四种不同的类型。在此基础上提出了永磁偏置轴向磁悬浮轴承拓扑结构设计的方法,即根据各类型的特点可以设计出隶属于该类型的永磁偏置轴向磁悬浮轴承的定子磁极的形状、控制绕组的放置位置以及永磁体的放置位置与充磁方向。

永磁偏置型径向磁悬浮轴承参数设计方法研究

永磁偏置型磁悬浮轴承中既存在永磁磁场,又存在电磁磁场,其结构及磁场分布比较复杂,涉及的参数也较多,利用简单的等效磁路法无法对所有的参数进行精确设计。以一种结构形式的永磁偏置型径向磁悬浮轴承为例,在分析其工作原理及磁场分布的基础上,提出了一种基于磁通量计算的参数设计方法,给出了设计流程与计算实例。利用有限元分析软件对设计结果进行了电磁场仿真。实验结果表明:基于此方法设计出的永磁偏置型径向磁悬浮轴承具有良好的悬浮特性。给出了转轴在20 000 r/min时的径向位移波形及控制绕组中的电流波形。

混合磁悬浮轴承转子系统的仿真分析

通过ANSYS对UG中所建立的转子的三维实体模型进行有限元分析,生成了柔性转子的模态中性文件,将其导入ADAMS中分别建立了轴向永磁、径向四自由度电磁悬浮和轴、径向三自由度永磁、其余两径向自由度电磁悬浮的五自由度混合磁悬浮轴承柔性转子系统模型,采用基于接口的方法在MATLAB和ADAMS环境下对系统进行了起浮和旋转联合仿真,并根据仿真结果对设计参数进行了优化,可为混合磁悬浮轴承转子系统的设计与研究提供参考。

永磁偏置径向-轴向磁悬浮轴承工作原理和参数设计

介绍了永磁偏置径向-轴向磁悬浮轴承结构示意图及悬浮力产生的机理,用等效磁路法对永磁和励磁混合磁轴承的磁路进行了计算,得出了最大承载力的条件和数学表达式,给出了参数设计和计算方法,最后给出了一个设计例子,并用有限元进行了仿真验算。理论研究和仿真分析表明:永磁和励磁径向-轴向磁轴承结构合理紧凑、占据轴向长度小、效率高。在磁悬浮电机、高速飞轮储能等系统中具有广阔的应用前景。

永磁偏置的混合磁悬浮轴承的研究

介绍了永磁偏置的混合磁悬浮轴承的工作原理，提出了其结构参数的设计计算理论，对混合磁悬浮轴承的设计有实际指导意义。

高温超导磁悬浮轴承研发现状

高温超导磁悬浮轴承作为具有自稳定优势的高温超导磁悬浮技术最具代表性的应用之一,可实现无源的高速无摩擦旋转运行,为大幅度提高现有机器设备的性能及升级换代提供了新的途径。本文综述了近年来美国、德国、日本和韩国等国内外小组开展的高温超导磁悬浮轴承代表性样机研发现状,探讨了该项技术的关键难点问题,指出了当前研究的热点,阐述了可能的应用前景。

磁悬浮轴承应用发展及关键技术综述

磁悬浮轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间,实现定子和转子之间没有机械接触的一种新型支承轴承,在航空航天、机械工业及生命科学等领域具有非常广阔的应用前景。本文首先详细综述了国内外磁悬浮轴承的应用发展状况,归纳了国内外磁悬浮轴承的定义,针对磁悬浮轴承的结构(有传感器磁悬浮轴承、无传感器磁悬浮轴承)和磁悬浮轴承的悬浮力建模方法(有传感器磁悬浮轴承的建模方法和无传感器磁悬浮轴承的建模方法)进行了阐述。