磁悬浮电主轴机械部分设计(含CAD图纸源文件)
下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985分 类 号 密 级 毕 业 设 计 (论 文 )磁悬浮电主轴机械部分设计所 在 学 院专 业班 级姓 名学 号指 导 老 师下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985诚 信 承 诺我谨在此承诺:本人所写的毕业论文磁悬浮电主轴机械部分设计均系本人独立完成,没有抄袭行为,凡涉及其他作者的观点和材料,均作了注释,若有不实,后果由本人承担。承诺人(签名): 年 月 日摘 要磁悬浮技术是将电磁学、机械学、动力学、电子技术、自动控制技术、传感技术、检测技术和计算机科学等高新技术有机结合在一起,成为典型的机电一体化技术。磁悬浮技术是利用磁场力使一物体沿着或绕着某一基准框架的一轴或者几轴保持固定位置,由于悬浮体和支撑之间无任何接触,克服了由摩擦带来的能量消耗和速度限制,具有寿命长,能耗低,安全可靠等优点。目前,各国已广泛开展了对磁悬浮控制系统的研究随着控制理论的不断完善和发展,采用先进的控制方法对磁悬浮系统进行的控制和设计,使系统具有更好的鲁棒性。在我国,磁悬浮技术研究起步较晚,水平相对落后。随着电子技术的发展,特别是电子计算机的发展,带来了磁悬浮控制系统向智能化方向的快速发展。近年来,磁悬浮技术开始由宇航、军事等领域向一般工业应用方面发展,广泛应用于很多领域,如:磁悬浮列车、磁悬浮隔振器、磁悬浮轴承、高速机床进给平台、磁悬浮硬盘、飞轮电池等。本设计主要针对磁悬浮技术对一种磁悬浮主轴进行探索与研究.关键词:磁悬浮技术,电磁学,主轴IAbstractThe magnetic suspension technique is the electromagnetics, mechanics, dynamics, electronic technology, automatic control technology, sensor technology, detection technology and computer science and high technology are organically combined together, become a typical electromechanical integration technology. The magnetic suspension technique is the use of magnetic field makes an object along or around a reference frame of a shaft or shaft to maintain a fixed position, due to suspension and support between without any contact, overcome by the friction caused by energy consumption and the speed limit, has long service life, low energy consumption, safe and reliable advantages. At present, all countries have been widely carried out in the research on magnetic suspension control system with the control theory of continuous improvement and development, the use of advanced control method for maglev system control and design, the system has better robustness. In our country, magnetic levitation technology research started late, the level is relatively backward.With the development of electronic technology, especially the development of the electronic computer, brings a magnetic levitation control system intelligent direction of the rapid development of. In recent years, magnetic levitation technology started by the aerospace, military and other fields to the general industrial applications development, widely used in many fields, such as: maglev, maglev isolator, magnetic bearings, high-speed machine tool feeding platform, hard disk, the flywheel battery.This article mainly aims at the magnetic suspension technology of a kind of magnetic suspension spindle to explore and research.Key Words: magnetic suspension technique,electromagnetics,suspension spindle下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985II目 录摘 要 IABSTRACT.II目 录 III第 1 章 绪论 11.1 磁悬浮原理及其特点 .11.2 磁悬浮技术应用状况 21.2.1 磁悬浮轴承 21.2.2 磁悬浮列车 21.2.3 磁悬浮工作台 31.2.4 磁悬浮隔振器 31.3 磁悬浮轴承的基本原理 51.4 磁悬浮轴承的发展过程和未来的研究方向 6第 2 章 磁悬浮系统介绍 102.1 磁悬浮系统的基本结构 .102.3 磁悬浮系统的动力学模型 .102.3.1 刚体运动方程 102.4 电磁力模型 .112.5 绕组回路的电学方程 122.6 线性化模型分析 13第 3 章 磁悬浮主轴部分设计 163.1 论文的主要工作 .163.2 磁悬浮轴承机械系统的设计 163.2.1 磁悬浮轴承的结构及材料 .163.3 磁悬浮轴承系统的结构布置形式 .173.4 电磁铁的设计 17下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985III3.5 初始参数的选择 .193.6 磁悬浮轴承动力学模型的建立 203.6.1 单自由度转子的数学模型 .203.6.2 转子的位移方程 .213.7 径向磁悬浮电主轴的系统设计 22第 4 章 磁悬浮 AMBS24第 5 章 总结与展望 .29参考文献 .30致 谢 31附录 .32下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985IV下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985V下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985VI0第 1 章 绪论1.1 磁悬浮原理及其特点磁悬浮技术是利用电磁力将物体无机械接触地悬浮起来,该装置由传感器、控制器、电磁铁和功率放大器等部分组成。根据在磁悬浮系统中实现稳定悬浮的电磁力的状态(是静态的还是动态的) ,可将磁悬浮系统划分为无源(被动)和有源(可控)两种悬浮系统。它一般是由悬浮体、传感器、控制器和执行器 4 部分组成。其中,执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。现假设在某参考位置上,由于悬浮体受到一个向下的扰动,它将会偏离其参考位置。这时,传感器检测出悬浮体偏离参考点的位移,作为控制器的微处理器将检测的位移变换成控制信号;功率放大器将这一控制信号转换成控制电流,控制电流在执行磁铁中产生电磁力,从而驱动悬浮体返回到原来的平衡位置。因此,不论悬浮体受到的扰动是向下还是向上,它始终能处于稳定的平衡状态磁力弹簧是磁悬浮系统重要的执行器元件。根据产生磁力的方式不同,磁力弹簧可被分为电磁弹簧和永磁弹簧两种。东南大学的朱美玲、袁世峰等研究了一种电磁弹簧模型。在此模型中,静态力基本上由永磁体产生的力支持,外部扰动产生的振动则由通电线圈产生的电磁力来控制。永磁弹簧通常仅由永久磁铁来提供磁力,而永久磁铁常选取稀土类磁性材料。江苏大学的钱坤喜、吕利昌等人研制了一种稀土磁力弹簧。南京航空航天大学的龚余才,对稀土磁弹簧吸振器的特性进行了研究,他介绍了稀土金属制成的磁弹簧吸振器的构造和工作机理,并分析了磁弹簧刚度的可调节性及其刚度与磁弹簧的有关参数间的关系。由于磁悬浮不存在机械接触,因此具有下列优点:一是完全无磨损、无污染,可在真空和腐蚀性介质中长期使用;二是完全无机械摩擦,功耗小、噪声低、效率高,不需润滑和密封,可用于高速工程,解决高速机械设计中润滑和能耗的问题。对于有源式磁悬浮系统,可以控制其刚度、阻尼的大小,使其与外界干扰频率相适应,从而保持悬浮物体处于平衡状态,便于振动的主动控制。此外,对于有源式磁悬浮系统,其悬浮物体的全部运动特性可由位置传感器测得,便于实现运行状态诊断和监测。第 1 章 绪论11.2 磁悬浮技术应用状况1.2.1 磁悬浮轴承磁悬浮轴承与磁悬浮列车是目前国内外研究较多的两类磁悬浮技术产品;而在国外,目前磁悬浮轴承已经开始进入工业应用阶段。我国从 20 世纪 80 年代开始研究磁悬浮轴承技术,现已取得了一定的研究成果。传统的磁悬浮轴承需要 5 个或 10 个非接触式位置传感器来检测转子的位移。由于传感器的存在,使磁悬浮轴承系统的轴向尺寸变大、系统的动态性能降低,而且成本高、可靠性低。由于受结构的限制,传感器不能装在磁悬浮轴承的中间,使系统的控制方程相互耦合,导致控制器设计更为复杂。此外,由于传感器的价格较高,导致磁悬浮轴承的售价很高,这大大限制了它在工业上的推广应用。因此,如何降低磁悬浮轴承的价格,一直是国际上的热点研究课题。近几年,结合磁悬浮轴承和无传感器检测两大研究领域的最新研究成果,诞生了一个全新的研究方向,即无传感器的磁悬浮轴承。它不需要设专门的位移传感器,转子的位移是根据电磁线圈上的电流和电压信号而得到的。这类磁悬浮轴承将使转子的轴向尺寸变小、系统的动态性能和磁悬浮轴承的可靠性得到提高;这样磁悬浮轴承的控制器将便于设计,价格也会显著下降。1.2.2 磁悬浮列车对于磁悬浮列车的研究由来已久,其依靠电磁吸力或电磁斥力将列车悬浮于空中并进行导向,实现列车与地面轨道间的无机械接触。按悬浮方式,磁悬浮列车可被分为常导磁吸型和超导排斥型两类。以德国高速常导磁悬浮列车 TransRapid 为代表的常导磁吸型利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理,由车上常导电流产生电磁引力,吸引轨道下的导磁体,使列车浮起。以日本 MagLev 为代表的超导排斥型磁悬浮列车,利用超导磁体产生的强磁场在列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用,产生电动斥力将列车浮起,其悬浮气隙较大,技术相当复杂,并需屏蔽发散的电磁场。目前,在世界磁悬浮列车技术领域中,日本和德国占据领先地位。我国磁悬浮列车研究始于 20 世纪 80 年代,虽然起步晚,但发展很快。上海的磁悬浮列车项目是世界上第一条投入商业化运营的高速磁浮线路,并于 2002 年 12 月 31 日成功实现了单线通车试运行。21.2.3 磁悬浮工作台随着对加工和测量装备精度要求的不断提高,有关长行程、超精密运动控制的研究引起了人们越来越多的兴趣。已有研究表明,影响长行程、超精密运动控制精度的最主要因素是摩擦力非线性。而磁悬浮正是一种实现长行程、超精密运动控制的较为理想的方式。磁悬浮工作台的关键技术之一是电磁铁的结构和参数。由于只能使用电磁铁的吸引力,因此在工作台的上方必须有电磁铁以平衡重力。一方面,在一定程度上会影响工作台台面上工件的安放,这一问题只能通过将电磁铁的尺寸设计得尽量小而得到解决;另一方面,电磁铁会有明显的静态功耗(铜损) ,由此而产生的热量对精密系统的指标通常会造成严重的影响。要降低静态功耗,则设计又需要将电磁铁及其绕组的尺寸尽量加大。这两个相互矛盾的要求是磁悬浮工作台设计的主要问题之一。针对此问题,西安交通大学的毛军红、李黎川等人提出了采用三磁极电磁铁的超精密磁悬浮工作台。通过与常规的采用双磁极电磁铁的磁悬浮工作台的比较显示,采用三磁极电磁铁的超精密磁悬浮工作台可使静态功耗(或发热量)降低 50%,且具有更合理的空间结构。1.2.4 磁悬浮隔振器由于磁悬浮隔振器的磁场力大小与两个极板之间的距离呈非线性关系,从而使得磁悬浮隔振具有良好的非线性隔振性能。中国科学院力学研究所的崔瑞意、申仲翰等人研制了一种磁悬浮隔振装置。该隔振装置的外观大致呈圆柱形,圆柱的中心部分装有磁性材料,上、下两端可分别与振体和基础相联接。在设计过程中,应考虑摩擦、运动轨迹的约及稳定性等诸方面的因素。国防科技大学的龙志强、尹力明等人共同设计研究了一种磁悬浮隔振系统。在建立隔振系统动力学模型的基础上,分析了隔振系统的基本特性,并提出了应用加速度反馈来压低系统频带的方法。韩国的 Y-B Kim、W-G Hwang 等研究了一种使用电磁减振器的主动振动控制悬架系统。通过对缩小模型的试验分析表明,此电磁减振系统在各种激励输入下均具有良好的减振效果;但由于不能获得足够大的放大器电流以及散热问题,使得其实际应用受到了限制。日本的藤田悦则、川崎诚司等提出了一种磁悬浮减振机构并获得国家专利。此减振机构利用至少两个永久磁铁构成排斥型磁性弹簧,通过适当选择一个永久磁铁相对于另一个的运动轨迹,使磁性弹簧内的存储磁能近似第 1 章 绪论3一定,从而设定弹簧常数值近似为零。此外,磁悬浮技术在半导体制造业,钢铁制造业和汽车制造业等大规模工业中也已开始应用。可以预期,随着磁悬浮技术的不断普及,更多的应用产品将会不断地出现。现代机械工程都在朝着信息化、自动化、智能化发展,近几十年的发展表明,在现代机械工程领域里,几乎所有有生命力、有发展前途、有较大影响的新技术、新工艺和新生科研方向都集中在机电一体化(mechantronics)领域。和传统机械相比,机电一体化机械主要增添了传感器(sensor)和控制器(controller)两大部分,它不仅能感受环境的变化,而且还能根据控制程序对此做出反应,具有类似于人的功能。磁悬浮轴承(magnetic bearing)就是机电一体化机械的典型产品,是现代高技术的结晶。磁悬浮轴承是一种利用电磁场力将转子悬浮于空间,不需要任何介质而实现承载的非接触式支承装置,与传统的滚动轴承和滑动轴承相比,磁悬浮轴承明显的特点在于没有机械接触,不需要传力介质,而且其支承力可控。因此而具有传统轴承无法比拟的优越性:由于没有机械摩擦和磨损,所以降低了工作能耗和噪声,延长了使用寿命;动力损失小,便于应用在高速运动场合;由于不需要润滑和密封系统,排除了污染,可用于真空超净,腐蚀性介质以及极端温度和压力等特殊工作环境;具有良好的转子动力学特性。轴承是机电工业的基础产业之一,其性能的好坏直接影响到机电产品(如超高速超精密加工机床)的科技含量及其在国际上的竞争力。由于磁悬浮轴承具有一系列的优良品质,从根本上改变了传统的支承形式,它在航空航天、能源交通、机械工程、机器人等高技术领域具有广泛的应用前景。磁悬浮轴承的种类很多,按照悬浮磁场的不同,可分为以下几类:(1)按磁场力的来源分为永久磁铁型、电磁铁和永久磁铁混合型以及纯电磁铁型;(2)按磁场力是否受控可以分为被动型和主动型;(3)按磁场力类型可以分为吸力型和斥力型。目前,常用的是主动磁悬浮轴承(AMB) ,利用转子上的电磁线圈与转子上的铁磁材料之间的吸力实现支承。磁悬浮轴承的特点:4这种新型转子支撑件有如下突出优点:(1)回转速度高,磁悬浮轴承的转速只受转子铁磁材料的限制,最大线速度可达200m/s;(2)无磨损,功耗低;(3)无需润滑和密封系统,适用多种工作环境,而且对环境温度不敏感;(4)具有自动平衡性,可使转子系统自身的惯性轴回转,从而消除了不平衡力,使机身的震动大大降低。磁悬浮轴承的主要缺点是:刚性较滚动轴承小,必须使用控制器;纯电磁铁型体积和重量均较大,应急情况下应变能力弱,因而大多数系统配备了辅助轴承,以致结构复杂。此外,其价格较贵,系统构成复杂,用户缺乏有关磁悬浮轴承的基本知识,这在很大程度上阻碍了磁悬浮轴承的推广和应用。但是,随着我国科技的发展,制造技术的进步,技术工人整体素质的不断提高,磁悬浮轴承必将在越来越多的领域发挥作用。1.3 磁悬浮轴承的基本原理 磁悬浮轴承从原理上可分为两种,一种是主动磁悬浮轴承(active magnetic bearing) ,简称 AMB;另一种是被动磁悬浮轴承(passive magnetic bearing) ,简称PMB。由于前者具有较好的性能,它在工业上得到了越来越广泛的应用。这里介绍的是主动磁悬浮轴承。磁悬浮轴承系统主要由被悬浮物体(以下称为转子(rotor)、传感器、控制器和执行器(actuator)四大部分组成。其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。下图是一个简单的磁悬浮轴承系统,电磁铁绕组上的电流为 I,它对被悬浮物体产生的吸力和被悬浮物体本身的重力 mg 相平衡,被悬浮物体处于悬浮的平衡位置,这个位置也称为参考位置。假设在参考位置上,被悬浮物体受到一个向下的扰动,它就会偏离其参考位置向下运动,此时传感器检测出被悬浮物体偏离其参考位置的位移,控制器将这一位移信号变换成控制信号,功率放大器使流过电磁绕组上的电流变大,因此,电磁铁的吸力也变大了,从而驱动被悬浮物体返回到原来的平衡位置。如果被悬浮物体受到一个相上的扰动并向上运动,此时控制器和功率放大器使流过电磁场铁绕组上的电流变小,因此,电磁铁的吸力也变小了,被悬浮物体也能返回到原来的平衡位置。因此,不论被悬浮物体受到向上或向下的扰动,下图 1-1 中的球状被悬浮物体始终能处于稳第 1 章 绪论5定的平衡状态。图 1-1 磁悬浮轴承工作原理图1.4 磁悬浮轴承的发展过程和未来的研究方向利用磁力将物体无接触地悬浮于空间,并不是一个新概念,早在一百五十多年前,英国物理学家 Earnshow 就提出了磁悬浮的概念,他证明:单靠永久磁铁是不能将一个铁磁体在所有六个自由度上都保持自由稳定的悬浮状态。然而,真正意义上的磁悬浮研究是从 20 世纪初利用电磁相吸原理的磁悬浮车辆的研究开始的。1937 年,肯珀(Kenper)申请了一项有关主动磁悬浮支承的专利。他认为要使铁磁体实现稳定的磁悬浮,必须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小,即采用可控电磁铁才能实现,这一思想成为发展磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。与此同时,美国 Virginia 大学的 Beams 和 Holmes 也对磁悬浮理论进行了研究,他们采用电磁悬浮技术悬浮小钢球,并通过钢球高速旋转时能承受的离心力来测验试验材料的强度,这可能是世界上最早采用磁悬浮技术支撑旋转体的应用实例。从此主动磁悬浮技术的发展进入了工程应用阶段的研究,并逐渐形成了磁悬浮列车和磁悬浮轴承两个主要的研究方向。在磁悬浮列车方面:到了 60 年代,英国、日本和德国根据不同的设计方案,分别制造出了磁悬浮列车的样机。德国对主动磁悬浮技术的研究主要集中在电磁型(Electro Magnetic System ,简称 EMS 型,也称吸力型、常导型)磁悬浮列车上。1977 年,德国航空公司研制成功的 KOMET 磁浮列车,在一段专门试验的轨道上进行了运行试验,时速高达 360 公里,这是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。日本主要集中于电动型(Electro Dynamic System,简称 EDS 型,也称斥力型、超导型)磁悬浮列车的研究与开发工作。日本国铁公司 1972 年研制成功的 ML100 型是世界上第一台 EDS 型磁浮列车;1979 年又研制成功 ML500 型,时速高达 517 公里,堪称陆上交通工具的世6界记录。与此同时,磁悬浮技术在轴承领域的应用也取得了惊人的成绩:上世纪四十年代,美国 Virginia 大学的 J . W. Beams 最早研制出离心机用混合磁悬浮轴承。1976 年,法国 SEP 公司与瑞典 SKF 轴承公司联合投资成立了 S2M 公司,对超高速超精密加工机床用的磁浮轴承进行了系统的研究和开发。1977 年,该公司开发了世界第一台高速机床的磁主轴。1981 年在 Hanover 欧洲国际机床展览会上,首次推出了 B20500 磁主轴系统,并在 3500r/min 速度下进行了钻、铣现场表演,其高速、高精度、高效、低能耗的优良性能引起了各国专家的极大关注。此后, S2M 公司在日本和美国相继建立了一家分公司。近十几年来,该公司已开发了 30 多个品种数百套磁浮轴承用于各类机床。1988 年,瑞士 IBAG 公司与瑞士联邦工业大学合作,开发了高速铣床用的磁浮轴承系统,并成立了专门研制、开发、制造磁浮轴承的企业Mecos 公司。目前,S2M 和Mecos 已成为世界上著名的生产磁浮轴承的专业公司。此外,磁浮轴承在离心压缩机、分子涡轮表 1-1 国外部分使用磁悬浮轴承的机床简介公司名称 机床类别最高转速 r/min最大功率 kwS2M 钻、铣、磨 60000 22.0S2M 磨 120000 3.5S2M 磨 180000 1.0IBAG 铣 40000 40.0精工公司 磨 40000 12.0泵、储能飞轮、离心干燥机、汽轮发电机等大型设备也得到了越来越广泛的应用。目前,德国的 GMN 滚动轴承公司、日本的精工精机、东洋轴承株式会社和光洋精工等厂家都在从事这种高技术产品的研究与开发。表 1 是国外部分使用磁浮轴承的机床。在航空领域,1997 年前后,美国德雷伯实验室( Draper Laboratory)报道了一系列有关航空发动机用的高温磁悬浮轴承的研究成果,他们成功地研制了能够在 519C高温下工作的磁悬浮轴承系统,转速为 22000(rmin),轴承的 Dn 值高达4.5106(r-mmmin),研制的高温磁悬浮轴承在单轴发动机的模型转子上成功地进行第 1 章 绪论7了试验。美国另一家 Synchrony 公司的研究人员研制出了能在 570高温下工作的磁悬浮轴承系统,采用了硬件冗余技术,大大提高了高温磁悬浮轴承的安全性和可靠性。美国的 GE 公司和 NASA Lewis 研究中心在近几年也成功地研制出了高温磁悬浮轴承;美国普惠公司在 XTC65 发动机的验证机上采用了磁悬浮轴承,已通过了 100 小时的试验,日本的 Ebara 公司研制的高温磁悬浮轴承在 410下,连续、安全运行了 2500小时,这是迄今为止世界上连续工作时间最长的高温磁悬浮轴承系统。面对美国的超前研究,并基于保持欧洲的空中优势和安全,经过紧急磋商后,1997 年 12 月,欧共体组成了一个由 5 个工业发达国家(英国、德国、法国、奥地利和瑞士)参加的联合舰队,制定了 3 年的 AMBI(Active Magnetic Bearings in Aircraft Turbomachinery)研究计划,该计划从 1998 年 4 月正式启动,具体的参加单位来自上述 5 个国家的 3 所大学、3 个发动机公司和 l 家磁悬浮轴承公司,该计划的目的就是要和美国争夺这个高技术领域的制高点,期望率先研制出用磁悬浮轴承支承的新一代航空发动机,抢占 21世纪的航空市场,保持欧洲的空中优势。国内在主动磁悬浮技术方面的研究起步较晚。民用方面首先是在 1986 年,广州机床研究所与哈尔滨工业大学对“磁力轴承的开发及其在 FMS 中的应用”这一课题进行了研究。上世纪 80 年代末期才正式启动磁浮列车的研究项目,研究工作主要由国防科技大学和西南交通大学等有关单位承担。1996 年,我国第一台 4 吨载人 EMS 型磁浮列车及其线路研制成功,悬浮高度为 8mm 在 43m 长导轨上。这标志着我国掌握了磁浮列车的关键技术。世界上第一条磁悬浮列车线路也已于本世纪初在我国上海市投入运营。与此同时,国内也有不少大专院校和单位在做主动磁悬浮轴承技术方面的应用研究,清华大学、西安交通大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、西安理工大学等多家单位。不过,目前我国的主动磁悬浮轴承还处于实验室研究阶段,将主动磁悬浮轴承技术真正用于工业实际,在国内可能尚无先例。目前,国际上对磁悬浮轴承的研究工作和学术气氛相当活跃,1988 年,在瑞士苏黎世召开了第一届“国际磁悬浮轴承会议(International Symposium on Magnetic Bearings) ”,此后,该会议每两年召开一次,每次会议都有大量关于磁悬浮轴承研究的论文发表,极大推动了磁悬浮轴承应用的研究。美国于 1991 年召开了“磁悬浮技术在航天中的应用(Aerospace Application of Magnetic Suspension Technology) ”的学术研讨会,此后,也是每两年召开一次。此外,美国、法国、瑞士、日本和我国8都在大力支持开展磁悬浮轴承的研究和应用工作,国际上的这些努力大大推动了磁悬浮轴承在工业上的广泛应用。今后,磁悬浮轴承的发展趋势主要集中在以下几个方面:混合磁悬浮轴承(Hybrid Magnetic Bearing ,简称 HMB)是永久磁铁提供偏置力,以电磁铁提供开展力的一种磁悬浮轴承,其电磁线圈不需要偏置电流,因而能明显降低铁心损耗和功率放大器的损耗,也有利于减小功放、电磁铁的体积和重量,在航空航天领域,具有明显的优点;无传感器磁悬浮轴承(Sensorless AMB) ,它不需要通常的磁悬浮轴承所必需的传感器,因而能节省成本,减小体积、减少引线、提高系统的可靠性,也有利于缩短转子、提高临界转速、提高静态承载能力;随着材料科学的发展,新材料的研制成功使磁悬浮轴承突破了一些限制,近年来,粉末制成的铁磁材料,使涡流损失大大降低;稀土永磁材料也因结构轻巧,能耗低而极具有应用前途;超导磁悬浮轴承的研究也取得了进步,利用超导材料可以直接实现稳定悬浮,而不必加主动控制,但现阶段超导磁悬浮轴承还处于试验阶段,主要受两个方面的制约:需要低温环境和高刚度实现困难。可以预计,一旦超导材料的研究有了突破性进展,必将给磁悬浮技术带来新的概念和巨大的突破。0第 2 章 磁悬浮系统介绍2.1 磁悬浮系统的基本结构磁悬浮控制系统主要由铁心、线圈、传感器、控制器、功率放大器及其控制对象刚体等元件组成。系统结构如图 2-1 所示。图 2-1 磁悬浮系统结构图2.2 磁悬浮系统的工作原理磁悬浮系统是利用电磁力来控制刚体悬浮的空间位置。其工作原理是控制电磁铁绕组的电流,产生与刚体重量等价的电磁力,使得刚体稳定悬浮在平衡位置。由于电磁力与悬浮气隙间存在非线性反比关系,这种平衡并不稳定,一旦受到外界干扰(如电压脉动或者风) ,刚体就会掉下来或被吸上去,因此必须实行闭环控制。采用位置传感器在线获取刚体位置信号,控制器对位移信号进行处理产生控制信号,功率放大器根据控制信号产生所需电流并送往电磁铁,电磁铁产生相应磁力克服重力使得刚体稳定在平衡点附近。当刚体受到干扰向下运动时,刚体与电磁铁的距离增大,传感器所敏感的光强增大,其输出电压增大,经过功率放大器处理后,使得电磁铁控制绕组的控制电流增大,电磁力增大,刚体被吸回平衡位置。反之亦然。2.3 磁悬浮系统的动力学模型2.3.1 刚体运动方程刚体受力情况如图 2-2 所示,图中 表示刚体所受得重力, 表示线圈通电mg(,)Fix时刚体所受的电磁力, 表示系统所受的干扰力, 表示刚体与参考平面的距离,()dft ()t表示电磁铁与参考平面的距离, 表示电磁铁与刚体之间的距离,取向上为正。0()t()xt第 2 章 磁悬浮系统介绍1电磁铁f ( x , t )m gx ( t )参考平面0t图 2-2 刚体受力示意图根据牛顿第二定律,可得刚体的运动方程:(2-1)2d(),)()dxtmFimgft2.4 电磁力模型电磁铁与刚体构成磁路,磁路的磁阻主要集中在两者间的气隙上,其中有效气隙磁阻可表示为(2-2)02()xRS式中 为空气的导磁率, ;S 为电磁铁的极面积;x 为导轨与07041/Hm磁极表面的瞬时间隙。由磁路的基尔霍夫定理可知(2-3)(,)NixR式中 N 为电磁铁线圈匝数,i 为电磁绕组中的瞬时电流, 为铁心磁通。(,)ix将式(2-2 )代入式(2-3 ) ,可得铁心磁通为(2-4)0(,)2SNiix当电磁铁工作在非饱和状态时,电磁铁的磁链(2-5)20(,)(,)Siixix2另外,电磁力可由与它磁场同能量的关系表示为(2-6)(,)(,)cWixFi式中 为磁能能量,并且(,)cWix(2-7)0(,)(,)dtcixt将式(2.5)代入式(2.7) ,再代入式(2.6) ,可得电磁力为(2-8)2020()4,)()SNiixFi x令 ,则有204SNk(2-9)2(,)(iFixk由式子(2-9 )可知,电磁吸引力 F 与气隙 x 成非线性的反比关系,这正是磁悬浮系统不稳定的根源。2.5 绕组回路的电学方程根据电磁感应定律,可知电磁铁绕组回路的电压 与电流 的关系为ui(2-10)d(,)uRiiLixtt式中 为绕组中的瞬时电感,可表示为(,)Lix(2-11)(,)(,)NixLi将式(2-4 )代入式(2-11)可得(2-12)20(,)SLix再将式(2-12)代入式(2-10) ,可得电学方程为第 2 章 磁悬浮系统介绍3(2-13)2200SNiiuRi xx由上可知,磁悬浮系统垂直运动的动力学方程由下列数学方程描述:2d(),)()dxtmFimgft2200SNiuRiixx20(,)()4Fi及边界条件(2-14)2000(,)()SNimgixx2.6 线性化模型分析将电磁力 在平衡点 附近进行泰勒展开,并忽略高阶项得:(,)Fix0(,)ix0000(,)(,)i xFxiFi= 0(,)ixixk= (2-15)0(,)()ixktt式(2-15 )中 表示在平衡点处(气隙为 、电流为 )刚体的电磁力;系数0(,)Fix00i表示电流变化单位量时电磁力变化的值, 表示气隙变化单位长度时电磁力变化的ik xk值,由式(2-8)可得(2-16)20iSNix(2-17)203xik在电磁铁绕组中,电压 的变化 为u0()()utt=220000d()()d)NSiNSitxRi Rixtt t4=2200d()d()NSSiitxRitxt= (2-18)0L式(2-18 )中 表示平衡点的电感,0(2-19)20SNLx(2-20)20xi由式(2-1 ) 、 (2-14 ) 、 (2-15 )和式(2-18 )可得(2-21)0()()ixdxmkftutRLi取状态变量为 ,则由式(2-21)可得磁悬浮系统的线性化状态方程,xi(2-22)00011()()1xi dxkutftmmiLRL (2-23)1xyi对应的系统框图如图 2-3 所示。()ut01L0xL0RLik1mxk+-+x()dft-第 2 章 磁悬浮系统介绍5图 2-3 线性系统的结构框图对方程组(2-21)做拉氏变换,可得悬浮气隙位置 和输入电压 之间的传递函xu数(2-24)()xsu032ixkmLRS系统的特征方程为:(2-25)3200xkRSLm由劳斯判据知,系统的特征系数存在零和负值,所以这个系统是一个三阶不稳定系统,因此需要设计一个反馈控制器,保证磁悬浮系统稳定。宁波大红鹰学院毕业设计(论文)6第 3 章 磁悬浮主轴部分设计3.1 论文的主要工作磁悬浮轴承是机电一体化的产物,它的研究工作涉及到电磁理论、控制理论、机械设计、转子动力学等多方面的知识。本文分六个方面对其进行了研究:第一章主要介绍了磁悬浮轴承在国内外的发展状况,磁悬浮轴承的组成、特点、分类、工业应用领域及工作原理等,介绍了选题的主要目的,论文的主要工作;第二章主要介绍了径向磁悬浮轴承的结构布置,并确定了所要设计的磁悬浮轴承的机械系统的一些结构参数;第三章以实际的磁悬浮轴承系统为研究对象,建立了单自由度磁悬浮轴承系统的动力学方程;设计条件:1、 径向磁力轴承的支承力600N;2、 轴向磁力轴承的支承力800N;3.2 磁悬浮轴承机械系统的设计3.2.1 磁悬浮轴承的结构及材料由于磁力是控制电流和气隙的非线性函数,即在一个自由度上采用一对电磁铁,这样可以使磁力在平衡位置处能转化为控制电流和气隙的线性函数。由于转子不仅会沿 Y 轴上下运动,而且还会沿 X 轴水平运动,因此,在水平方向上也要设置一对差动电磁铁,如图 3-1 所示。该图是一个实际的径向磁悬浮轴承的结构,称为 8 极布置的磁悬浮轴承结构。当转子直径较大时,常采用 16 极布置结构以减小外径。电磁悬浮轴承材料应具有磁性好的特点(主要指磁感应强度曲线的曲线范围大,包围的面积小) 。常采用导磁性能优良的软磁材料,一般希望材料具有较高的饱和磁感应强度、较高的相对磁导率和良好的加工性能。这样可以提高磁悬浮轴承的承载力并减小涡流损耗。当电磁悬浮轴承支撑高速回转轴时,其转子轴材料还应具有强度高的特点。电磁悬浮轴承定子的材料通常采用薄硅钢片和铁钴合金等,转子材料常采用电工纯铁、10 #钢,也可硅钢片叠合而成。为了减小涡流损耗,径向磁悬浮轴承往往采用第 3 章 磁悬浮主轴部分设计7叠片结构。而推力磁悬浮轴承通常采用整体结构。图 3-1 径向磁悬浮轴承结构简图3.3 磁悬浮轴承系统的结构布置形式图 3-1 是本文所研究的主动磁悬浮轴承的总体结构简图。为了进一步减少涡流损耗,在轴径处,转子也采用叠片结构,叠片材料为软磁材料。推力盘采用铁磁材料,在旋转时,推力盘各部分都是同极性地进行励磁,涡流损失小,没有必要采用采用叠片结构,通常采用整体结构。由于磁悬浮轴承系统常用在高速或超高速场合,一般不要驱动环节,而采用装入式电机,即将电机的转子和轴承的转子固定在同一个轴上。磁悬浮轴承系统还要配备一对滚动轴承作为辅助轴承。磁悬浮轴承工作时,辅助轴承不与转子接触。当突然断电或磁悬浮轴承失控时,辅助轴承工作,临时支承高速转子,防止转子与电机和磁悬浮轴承的转子相碰,起安全保护作用。一般采用深沟球轴承,辅助轴承与转子间的间隙通常为磁悬浮轴承气隙的 1/2。3.4 电磁铁的设计关于磁悬浮轴承,规定如下的符号:A- 磁极的截面面积(m 2)D- 转子的内径( m)d- 转子的外径( m)0- 气隙, 0=(D-d)/2宁波大红鹰学院毕业设计(论文)8b - -磁悬浮轴承的轴向长度(m)B0 -气隙处的磁感应强度 T(特斯拉)BS- 饱和磁感应强度(T)I - 绕组的励磁电流(A) ,I=I 0+ i 。其中 I0 是偏磁电流,它是固定的常数; i 是控制电流;“+”或“-”号由控制器自动控制确定I0- 偏磁电流N- 单个磁极励磁线圈的匝数图 3-2 主动磁悬浮轴承的总体结构简图电磁铁的设计涉及到有关磁路的计算。由于磁性材料的磁特性一般呈非线性特性,磁路的计算不是很精确。为了简化计算,做如下假设:(1)铁芯和气隙处的磁场是均匀分布的(2)铁磁材料不呈饱和特性(3)不考虑漏磁和磁滞的影响当气隙 0 很小时,上述假设能够很好的得到满足。由麦克斯韦吸力公式可得单自由度磁悬浮轴承的承载力为 5:F=F1-F2=A( B12-B22) /0 (31)当 B1=BS,B 2=0 时,最大承载力为 5:Fmax=ABs2/0 (32) 单位面积的最大承载力为Fmax/A= Bs2/0一般的硅铁材料,建议取 Bs =1.5T, 对 8 极布置的径向磁悬浮轴承,如
收藏