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1、磁悬浮原理实验（1）实验开设背景 磁悬浮技术是磁性原理和控制技术综合应用的产物，经 过一百多年来科学和工程技术人员的努力，这一技术被用在了很多行业，其中最 典型的两大应用领域是磁悬浮列车和磁悬浮轴承，磁悬浮列车的原理就是将列车 的车厢用磁力悬浮起来，由于没有接触和摩擦，所以列车可以以非常高的速度运 行磁悬浮轴承（以下简称磁轴承Magnetic Bearing）,是一种应用转子动力学、机 械学、电工电子学、控制工程、磁性材料、测试技术、数字信号处理等综合技术， 通过磁场力将转子和轴承分开，实现无接触的新型支承组件。按照磁轴承磁力的提供方式，可分为三大类： 有源磁轴承（也称为主动磁 轴承 Acti
2、ve Magnetic Bearing 简称 AMB）； 无源磁轴承（也称为被动磁轴承 Passive Magnetic Bearing 简称 PMB）；混合磁轴承（永磁偏置）（Hybrid Magnetic Bearing 简称 HMB）；目前磁轴承被用在了超高速超精密加工机床用的磁轴承主轴，其高速、高精 度、高效、低能耗的优良性能引起了各国专家的广泛关注、其次磁悬浮轴承在离 心压缩机、分子涡流泵、汽轮发动机等大型设备上也得到了成功的应用。在航空航天领域， 60 年代初美国德雷伯实验室首先在空间制导和惯性轮上 成功地使用了磁轴承；法国军事科学研究实验室于 1972年将磁轴承用于卫星导 航的惯
3、性轮上； 1983年 11月搭载于美国航天飞机的欧洲空间仓内安装了采用磁 浮轴承的真空泵；最近几年，美国对磁轴承在发动机上应用的可行性作了系统的研究，研究的 结果表明：使用磁浮轴承可以将发动机的重量减轻 15并将其效率提高 5左 右。美国航空周刊1994 年 11月报道：美国普惠公司在计划研究的 XTC65 发动机的核心机中使用了磁轴承，其验证机已通过了 100小时的试验。（2） 实验介绍 在机械设计课程机电一体化设计一章中，以磁悬浮轴承设计 及其应用作为了教学实例。其中介绍了磁悬浮原理，磁悬浮轴承结构，承载力计 算以及磁悬浮轴承的控制等。以加强学生进行机电一体化设计的思想意识，为了 更进一步
4、加强学生对磁悬浮原理的掌握，对机电结合方法和特点具有直观的感受， 以及磁悬浮稳定控制等方面的知识有所了解。磁悬浮原理实验分为三个部分，其一是：单自 由度磁悬浮球实验，其二是：五自由度高速转子实验台演示实验。其三是：自主设计磁悬浮 球的控制器第一部分提供了单自由度磁悬浮球实验台，即试验台用磁悬浮技术将一个金 属铁球稳定地悬浮在空中。在实验中可以让学生亲自动手调整被控对象铁球的 悬浮位置，通过调节 PID 参数来调节铁球悬浮状态和稳定性等通过该实验，能够基本了解磁悬浮技术的基本组成及其关键技术。图 1 单自由度磁悬浮实验台实物图 3 学生正在做实验图4 悬浮成功图 5 更换悬浮对象第二部分 实验的
5、目标是用提供的实验装置实现铁球的稳定磁悬浮。实验目 的是掌握磁悬浮轴承系统的组成及其高频电机的调速方法，磁悬浮轴承系统的结 构简图及其工作原理。电机定子轴承定子ffl$1TBam径向磁 轴向磁 推力盘及其 轴承定子轴承定子/转子组件径向磁 保护轴承轴向传感器径向传感器径向磁 轴向磁图 6 五自由度磁悬浮实验台结构示意图图 7 五自由度磁悬浮试验台实物径向磁轴承轴向磁轴承rr电机变频电源即 电机驱动器勿川叼轴向传感器磁悬浮轴承控制器0S径向传感器径向传感器图 6 五自由度磁悬浮实验台控制原理图is承Y/A第三部分内容和目标：自主设计磁悬浮球的控制器。实验目标是用自主设计 的控制器将铁球悬浮起来。实验目的为深刻认识控制器在磁悬浮装置中所起的作 用；掌握控制器的设计方法，可以是PD控制器、最优控制器、不同型式的PID 控制器或其他型式的控制器；掌握控制系统的调试方法。
磁悬浮原理实验
