基于磁悬浮转子动态特性的设计研究（可复制论文）.pdf

武汉理工大学
硕士学位论文
基于磁悬浮转子动态特性的设计研究
姓名:张小俭
申请学位级别:硕士
专业:机械电子工程
指导教师:胡业发
20070501
摘要磁力轴承作为目前可应用于工程实际、且能够实施主动控制的支承部件之一,具有一般传统轴承和支承技术所无法比拟的优点,目前己在各个领域的高速旋转机械中开始应用。虽然磁力轴承的基础理论已经取得了丰硕的成果,也有成功实例,但样机在实验时实际稳定转速达不到设计工作转速,且在高速运作内容就是针对磁悬浮转子的动态特性,解决在磁力轴承支承条件下转子系统本文首先利用传统转子动力学的研究方法及有关理论,引入控制参数,建学模型,证明了刚性转子模态的存在,分析了各控制参数对刚性转子临界转速的影响,并证明了积分参数不影响理想刂聘招阅L纱丝梢酝ü谋控制器的控制参数来改变低阶临界转速的值。将转子看成是具有多质点的柔性转子模型,并把磁力轴承的复刚度装配到支承单元的传递矩阵中,建立起磁悬浮柔性转子系统模型。用ǖ菥阵法计算了磁悬浮转子系统的临界转速和稳定性。并和实验比较进行了分析。引入/控制,进行了稳定性和准确性优化分析,并利用根轨迹图来确定微分常数、积分常数和积分增益的大小;进行了理论和实际的刚性转子动态特性仿真的分析,并进行了瞬态分析、谐波输入分析及扰动分析;利用凹陷滤波进行了磁悬浮刚性转子不平衡补偿的仿真分析。通过以上研究,为磁悬浮转子技术的建模、动态特性及优化的深入研究做行状态下稳定性差等问题,己经严重制约了该技术的推广应用。本文的主要工的临界转速分析和控制问题。立了主动弹性支承的刚性转子动力学模型,分别建立了和刂葡碌亩了一些探讨性的工作。关键词:磁力轴承,磁悬浮转子,转子动力学,动态特性,控制,优化设计武汉理工大学硕士学位论文
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第滦髀磁力轴承工作原理与应用幕驹利用可控电磁力将转轴悬浮起来,它主要由转子、电磁铁、传感器、控制器和功率放大器等组成。电磁铁安装在都装有一个或多个传感器,以连续监测转轴的位置变化情况。从传感器中输出引力,使转轴在稳定平衡状态下运转,并达到一定的精度要求。图砻髁艘个主动磁力轴承系统的组成部分及其工作原理。传感器检测出转子偏离参考点的位移后,作为控制器的微处理器将检测到的位移变换成控制信号,然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流,控制电流在执行电磁铁中产生磁力从而使转子维持其稳定悬浮位置不变。悬浮系统的刚度、阻尼以及稳定性由控制主动磁力轴承按控制方式的不同可分为电流控制和电压控制,按支承方式的不同可分为径向磁力轴承和轴向磁力轴承。目前,在主动磁力轴承中,应用主动磁力轴承的机械部分一般由径向轴承和轴向轴承组成,其一般结构如成。径向轴承的电磁铁类似于电动机的定子结构,磁极数可以是āɑ主动磁力轴承定子上,转子悬浮在按径向对称放置的电磁铁所产生的磁场中,每个电磁铁上的信号,借助于电子控制系统,校正通过电磁铁的电流,从而控制电磁铁的吸,———————————,‘——————————、,!!!!#ⅰ!!猒、图卜帕χ岢泄ぷ髟系统决定。最广泛的是直流控制型磁力轴承【“。图所示。径向轴承由定子绱盘、转子构成;轴向轴承由定子绱盘和推力盘构成。为克服涡流损耗,定子及转子峋辈糠套环均采用冲片叠者更多。
,实现了无机械接触,不存在摩擦,其寿命和可靠性较高,转速较高,且无需润滑和密封装置;由于支承可控,刚度和阻尼可实现运行状态在线调节,转子可自动绕惯性主轴旋转等等。第一个磁悬浮的应用实例是年由肯珀提出来的,为此他申请了一项有关悬浮技术的专利;后来至甏判〖际醣挥糜谖佬堑向器飞轮支承的姿态控制;年代末,出现了应用于涡轮机和高速机床电主轴目前国外磁力轴承的应用主要集中在泵,涡轮机,离心机以及高精度机床中等等。由于主动磁力轴承具有转子位置、轴承刚度和阻尼可由控制系统确定等优点,所以在磁悬浮应用领域中,主动磁力轴承得到了最为广泛的应用。随着国内外对磁悬浮转子系统的深入研究,近年来,磁悬浮转子系统的动力学特性研究受到越来越多的关注,已经有许多人进行了这方面的工作。目前,在已经所做工作的文献中【】定性分析了在不同扰动下转子的位移变化,电磁力和刚度的变化以及转子在高速时失控的原因,探讨了控制器参数与电磁轴承刚度及运转稳定性之间的变化关系;【ㄐ苑治隽舜帕χ岢锌刂撇问胛榷ㄐ缘关系;【恐赋龃帕χ岢械闹С懈斩群妥枘崾强煽氐模弧得出控制器的比例和微的工业产品。
系统的临界转速的影响:文献建立了磁力轴承一刚性转子系统的机电耦合动分环节决定了磁力轴承的刚度与阻尼,一阶惯性环