基于改进自适应陷波器的电磁轴承支承转子自动平衡控制

针对转速信息未知情况下的电磁轴承支承转子不平衡振动抑制问题,提出一种基于改进自适应陷波器(adaptive notch filter,ANF)的自动平衡控制算法。首先,对传统ANF的结构和工作原理进行分析,讨论了相关控制参数的选取原则,并针对电磁轴承闭环系统嵌入ANF导致的低转速区失稳,设计了最优相位补偿器,在保证全转速范围稳定的情况下进一步优化陷波性能;然后,根据相位补偿ANF输入输出信号之间的相位关系,设计了转速估器,通过变增益和归一化处理,不仅平衡了算法收敛速度和估计精度之间的矛盾,同时保证了各转速下的收敛特性一致;最后,通过仿真分析和试验研究对提出的算法进行验证。结果表明,设计的算法能对未知的转子转速进行快速准确的估计,从而消除控制电流和电磁力中的转速同频分量,大幅抑制传递到基座上的振动力。该方法简化了轴承结构、降低了生产成本、实现了无转速传感器的自动平衡控制,在工业磁轴承领域有很好的应用前景。

基于自适应陷波器的电磁轴承不平衡补偿方法

给出了一种基于陷波器的电磁轴承不平衡补偿的自适应方法。该方法不需要系统的具体模型 ,通过实测的灵敏度函数求得 T矩阵 ,来保证系统稳定性。利用锁相环路实时跟踪转速 ,产生与转速同频的正弦信号 ,在很大的转速范围内进行跟踪补偿。方法简单 ,易于实现 。

实心转子电磁轴承涡流损耗分析

电磁轴承支承的实心转子在高速旋转时 ,除由于空气摩擦产生损耗外 ,转子内还将产生相当大的铁损耗 ,而且主要是涡流损耗。该文首先通过等效的面电流分布和轴承简化模型 ,给出了轴承、气隙和转子内电磁场的解析解 ,并在此基础上计算了作用在转子上的电磁力和转子内的涡流损耗。然后用有限元法 (FEM)分析了转子内涡流场的分布及其对磁极和气隙中主磁场的影响。分析表明转子中在磁极后缘附近将产生较大的涡流 ,随着转速的增加 ,涡流场将向磁极的后缘和表面集中。解析解与有限元对实际轴承结构的计算结果相比误差很小 ,表明对定子控制电流的面电流分布的等效假设是合理的。另一方面 ,考虑磁化曲线饱和时的有限元分析表明 ,在高速情况下线性模型的误差较大 。

基于TMS320C30的电磁轴承不平衡补偿方案

给出了一种基于TMS320C30的磁悬浮轴承不平衡补偿方案。利用锁相环路实时跟踪转速，产生与转速同频的正弦信号，对不平衡位移信号进行自适应滤波，在很大的转速范围内实现了跟踪补偿。该方法简单、易于实现，试验结果表明了其有效性。

不同支撑和转子装配方式的高速电机临界转速分析

用有限元方法研究了滚动轴承支撑的整体式转子和电磁轴承支撑的焊接式转子这两种高速电机轴承-转子系统的临界转速。在分析两种系统的支撑刚度特性及转子结构装配关系的基础上建立了有限元模型,计算出系统的临界转速并对不同支撑和装配方式对轴承-转子系统临界转速的影响进行了讨论,最后通过锤击实验和整机实验全面验证结果的有效性,为高速电机轴系设计和动力学分析提供了参考。

高速永磁电机电磁轴承转子系统的动力学及实验研究

高速永磁电机由于其转速高、体积小和功率密度大等优点,在众多行业有着非常广阔的应用前景,然而转子的高速旋转也对其支承系统提出了很高的要求。电磁轴承作为一类非接触式支承系统,非常适用于高速永磁电机。针对一台40 000 r/min、50 kW的高速永磁同步电机进行了电磁轴承转子系统设计,具体包括承载力设计、控制器设计、电流/位移刚度实验标定以及系统性能分析。最后对该支承系统进行实验研究。实验结果表明,高速永磁同步电机在额定转速范围内,电磁轴承转子系统可以稳定工作,进而验证了该设计方法的合理性。

磁悬浮飞轮系统陀螺效应的抑制

针对磁悬浮飞轮系统的陀螺效应,采用交叉反馈控制进行抑制.分析了引入交叉反馈控制的飞轮系统稳定性,当转速超过某临界转速时,飞轮系统保持稳定,交叉反馈控制可以对陀螺效应进行完全补偿.临界转速与控制器参数以及转子的惯性矩有关,可根据实际需要通过控制器参数进行调整.实验比较了分散PID控制与交叉反馈控制下飞轮系统的性能.实验数据分析的结果表明,分散PID控制下的飞轮系统在12000r/min时由于陀螺效应而失稳,引入交叉反馈控制后,系统在转速达到25000r/min时仍平稳运行.交叉反馈控制对陀螺效应的抑制是有效的.

一种有效的白细胞图像彩色空间序贯分割方法

为解决血液白细胞显微图像自动识别中的图像分割问题，文中提出了一种在彩色空间内，先采用自动阈值分割技术扣除背景，得到白细胞核区域模板；然后用以色调相似性作为增长准则，以白细胞形状的凸出形态作为收敛准则，序贯分割白细胞浆区域的处理方法．大量实验表明，该方法能稳定、有效地分割出白细胞区域．

径向电磁轴承线圈容错控制研究

针对径向电磁轴承线圈容错控制问题,以一个具有多极独立驱动结构的径向轴承为模型,先利用磁路法建立了此轴承电磁力的一般表达式,并用广义偏流线性化的方法将其线性化;然后在此基础上提出了一种基于控制器重构的容错方案。该方案考虑了磁路间的耦合作用,对不同磁极结构的轴承具有普遍适用性。仿真结果表明了方案的可行性。

箔片-电磁混合轴承的稳态承载特性及控制

箔片-电磁混合轴承(HFMB)是一种将气体箔片轴承和电磁轴承混合使用的新型轴承,有效解决了气体箔片轴承低速磨损大和电磁轴承承载力有限的不足,并且具备载荷可分配和支撑系统动力学性能可调节等优点.文中在分析两种轴承稳态承载特性的基础上详细讨论了混合轴承的稳态控制方法,给出了一种以电磁轴承实际承载力与预分配承载力差值最小为控制目标,通过等边三角形为基本单元对混合轴承工作区域进行划分的箔片-电磁混合轴承稳态工作位置搜索算法.最后建立了系统模型并进行了数值仿真,验证了稳态控制系统的可行性和有效性.

涡流对电磁轴承开关功放纹波电流的影响

对于实心结构的电磁轴承,线圈中的高频纹波电流会在轴承的定子和转子铁心中感应出较强的涡流,同时由于涡流的集肤效应,在接近材料表面的区域会出现磁饱和现象,这会对电磁轴承线圈中的纹波电流产生影响。该文采用电磁场有限元方法建立推力磁轴承有限元模型,并通过瞬态分析的方法计算磁轴承在工作过程中的涡流及线圈中的纹波电流。结果表明,轴承中的涡流会大大影响线圈纹波电流的波形和幅值,且磁饱和、开关频率和电源电压都对纹波电流有一定影响。最后通过实验验证了分析结果的正确。

Fe基软磁复合材料的断裂性能研究

基于两步热处理法进行了Fe基软磁复合材料的制备研究,成功制备出具有较高抗弯强度的软磁复合材料(SMCs),研究并分析了微观组织结构与抗弯强度的内在关系。将Fe粉表面钝化增加了Fe与具有优异介电性能的有机硅环氧树脂的结合键,提高了材料的抗弯强度,其强度达到45.3 MPa。能谱(EDS)及有限元方法(FEM)分析表明,SMCs制备中产生的孔洞及裂纹主要分布在树脂层及树脂-Fe界面,在外加载荷作用下,裂纹影响孔洞外缘的应力分布,并朝着共同断裂失效的方向扩展,故对SMCs的强度产生不利影响。为了提高SMCs的强度,需要保证树脂涂覆完整,并进一步提高树脂层本身及树脂与纯铁的粘结强度,采用热压方式减少材料中的孔洞数量。

三态空间电压矢量分布三桥臂开关功放的控制

针对传统电磁轴承开关功放采用两路独立的H桥控制结构存在的体积庞大、功率损耗高等缺点,以空间电压矢量分布(space voltage pulse-width modulation,SVPWM)控制理论为基础,结合H桥三电平控制的优点,提出一种三电平三桥臂功率放大器的实现方法。该方法通过对不同结构载波的选择分别设计了基于对称结构、非对称结构下SVPWM主动电磁轴承开关功放的控制算法,对比分析了在不同载波结构下纹波电流的特性,并在Matlab/Simulink环境下构建出两种原理性仿真模型。在dSPACE实时仿真系统下搭建出一个三桥臂功放电路控制平台,并对两种不同结构下功率系统的频率特性进行了测试。理论与实验结果表明,基于对称结构的三态SVPWM控制算法,不仅可有效地提高电流响应速度,而且还能够使纹波电流频率加倍、纹波幅值显著减小,当频率为1 750rad/s时,其系统增益仅为-3dB。因此,该方法在满足电磁轴承系统低纹波电流和良好动态特性要求的同时也提高了主动电磁轴承系统的可靠性性能。

燃气轮发电机组短路故障时的机电耦合分析

为分析短路故障下燃气轮发电机组轴系的扭振特性,建立了系统的机电耦合非线性数学模型,进行了发电机三相短路故障下轴系扭振及扭矩瞬态响应的数值分析。此外,进一步研究了轴系扭转刚度、发电机定子电阻值、励磁电流初始值等参数对发电机出口端三相短路时系统瞬态扭振的影响。分析结果表明:三相短路时,发电机产生的瞬变电磁转矩的最大值为额定转矩的6倍;电磁转矩在轴系内激发出的瞬态扭矩最大值取决于轴系的固有频率裕度,15%的固有频率裕度时的最大瞬态扭矩较10%的固有频率裕度降低了一倍;而发电机的定子电阻值只改变扭振的衰减时间常数,不改变其最大幅值,电磁转矩最大值和扭转角最大值近似与励磁电流初值的二次方成正比。研究结果可为燃气轮机发电机组轴系的设计提供参考。

轴向拉紧的圆弧端齿轴段扭转特性研究

为了研究轴向拉紧的圆弧端齿轴段的扭转特性,提出了圆弧端齿轴段传扭特性的分段线性模型,给出了分段线性转折点处扭矩的估计值,同时建立了轴向预紧圆弧端齿轴段三维有限元模型,采用数值计算对理论分析进行了验证。此外,通过数值计算求得圆弧端齿轴段的双线性扭转刚度,并进一步研究了预应力、摩擦系数等参数对圆弧端齿扭转特性的影响。研究结果表明:圆弧端齿结构具有典型的软弹簧双线性扭转特性,预应力对圆弧端齿的传扭特性有影响且存在预紧饱和现象;预紧饱和后,圆弧端齿双线性刚度基本不受预应力的影响,分段线性转折点扭矩则与预应力成正比;摩擦系数对圆弧端齿双线性刚度的起始段刚度基本无影响,仅对线性特性的第二段刚度有影响,扭转刚度随摩擦系数的增大而增大。研究结果对工程应用中端齿连接的设计及重型燃气轮机转子动力学分析具有参考价值。

三瓦双向箔片轴承-高速电机转子系统动力学研究

以10 kW,120000 r/min的超高速永磁同步电机为实验样机,对三瓦双向箔片轴承-电机转子系统动力学行为进行实验研究。分析了三瓦双向箔片轴承的承载特点,在对轴承刚度和阻尼系数适当简化的基础上,计算了弹性支撑时的转子锥动模态频率和平动模态频率。在样机上进行了30000 r/min,60000 r/min的升速实验和90000 r/min的自由降速实验。实验表明:转子的起飞转速约为4000 r/min,当转子工作在90000 r/min时,伴随着强烈的亚同步涡动频率,而且该亚同步涡动频率完全是由轴承-转子系统本身所引起。结果显示三瓦双向箔片轴承-转子系统具有较好的稳定性,该理论分析和实验结果为超高速永磁电机轴系设计和动力学分析提供了参考。

带传扭销的环形平面接触轴段扭转特性研究

为了研究重型燃气轮机压气机转子中常用的带传扭销的环形平面接触轴段的扭转特性,提出了带传扭销的环形平面接触轴段扭转变形双线性解析模型。采用三维有限元数值计算,对理论模型进行了验证,并在此基础上分析了压紧力、摩擦因数、传扭销个数和传扭销直径等对该模型的两个线性段扭转刚度、双线性转折点扭矩和接触界面的传扭能力等关键参数的影响规律。研究结果表明,环形接触平面滑移前的扭转刚度和连续轴段的扭转刚度基本相同,环形接触平面滑移后的扭转刚度则由传扭销的纵向剪切刚度决定,而双线性转折点的扭矩与预应力和摩擦因数成正比。研究结果对工程应用中带传扭销环形平面接触界面的设计及重型燃气轮机转子扭转动力学分析具有参考价值。

滑动速度对IS304涂层自润滑磨损机理的影响

采用感应烧结技术制备出润滑相细小且分布均匀的自润滑涂层.其中润滑相Ag粒子尺寸为5μm左右,氟化物粒子尺寸为1μm左右,强化相Cr2O3粒子尺寸小于1μm.研究表明低速磨损时磨损面比较粗糙,磨损机理主要为磨粒磨损与疲劳磨损;而高速磨损时磨损面比较光滑,虽然磨粒磨损与疲劳磨损依然为涂层的磨损机理,但磨损面上存在明显的Ag润滑膜.Ag润滑膜的出现使得涂层的摩擦系数降低.Ag润滑膜的出现与接触面摩擦产生的摩擦热有关.滑动速度越高,接触面产生的摩擦热会使局部区域的瞬态温度升高,从而使得热膨胀系数较大的Ag粒子从基体Ni Cr中溢出到表面,并在压力和摩擦力的作用下发生塑性变形从而形成Ag润滑膜.采用溢出体积计算法计算得滑动速度为1 m/s时,瞬态温升为296℃,该温升明显高于采用Ansys有限元模型计算得到的温升.

磁悬浮火箭发动机推力测试台

将电磁悬浮技术用于火箭发动机推力测试试验台是一次新的尝试。本文给出了应用电磁悬浮技术的发动机推力测试试验台的结构,推导了系统的运动方程,并对试验台进行了系统仿真。最后对整个试验台成功进行了多发现场试验,仿真结果和试验结果都表明电磁悬浮技术用于火箭发动机推力测试是成功的,提高了测试系统的性能和推力测试精度。

可控磁悬浮系统的转子周期性振动抑制

为了有效抑制电磁轴承支承转子的周期性振动,研制了一种结构为重复控制和比例-积分-微分(PID)控制相结合的混合控制器.该混合控制器不仅保证了磁轴承的动态特性,而且消除了系统中的周期性扰动.通过讨论重复控制器的增益系数、截止频率对磁轴承的响应速度、稳定性的影响,给出了控制器的设计过程和参数整定方法.采用高速磁悬浮电机对磁轴承的性能进行了试验,试验结果表明,该控制器具有良好的动态特性,可有效地抑制电磁轴承-转子系统的周期性振动,并减少了转子频谱中的三倍频成分,从而提高了电磁轴承的支承精度.