永磁式磁轴承的承载力分析及悬浮控制问题研究

摘要

永磁式磁轴承利用了永磁铁产生的磁场力来承载转子，一般由永磁轴承和电磁轴承组成，具有转速高、寿命长、无需润滑、功耗低等特点。针对磁轴承在太空应用中的低功耗要求，本文研究了一种由径向永磁轴承和轴向电磁轴承组成的永磁式磁轴承。为了保证其径向和轴向的悬浮性能，具体研究了其径向永磁轴承承载能力及结构尺寸优化、轴向电磁轴承偏置电流选取和轴向悬浮控制器的设计等问题。文章主要研究内容如下：
　　1.研究径向永磁轴承的承载力和刚度。论文提出采用等效电流法来计算径向永磁轴承的承载力和刚度，并详细分析了该方法的基本思想和推导过程，将其计算结果与静磁能法、有限元法进行对比分析，结果表明等效电流法能够达到较高的精度，能准确得到径向永磁轴承的承载力和刚度，为保证永磁式磁轴承的径向稳定悬浮提供了依据。
　　2.研究径向永磁轴承不同结构尺寸对承载力的影响。论文采用等效电流法对径向永磁轴承承载力与其结构尺寸的关系进行研究，以此为依据对磁环结构尺寸进行优化。具体分析了动静磁环在不同轴向高度、径向宽度、截面大小和额定间隙时轴承的径向承载能力情况，并根据分析结果得到合适的磁环截面尺寸。
　　3.研究径向永磁轴承不同组合方式对承载力的影响。基于提高径向永磁轴承承载力的目的，论文对比分析了两个基本轴承同向组合和反向组合方式对承载力的提高情况。分析结果表明，采用同向组合方式对承载力几乎没有提高，而反向组合方式可以将径向承载力提高三倍左右。此外进一步分析了两个以上轴承组合的情况，并验证了多个轴承组合的总承载刚度经验公式。
　　4.研究轴向电磁轴承偏置电流选取及悬浮控制问题。针对永磁式磁轴承中的轴向电磁轴承，以简化电磁力计算为基础，建立其闭环控制系统，分析了该闭环系统在满足一定刚度条件下偏置电流与功耗的关系，以此为依据选取合适的偏置电流。针对轴向悬浮控制问题，设计了典型的PD控制器，为了保证悬浮稳定性和动态性能对控制参数进行了整定，并给出了仿真结果。为了增加轴向悬浮的抗干扰能力，进一步研究了自抗扰控制器的设计，并与PD控制进行了仿真对比验证。
　　最后根据以上研究分析，本课题组设计完成了一个径向悬浮试验装置。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 论文研究的背景及意义

1.2 永磁式磁轴承的国内外研究现状

1.3 永磁式磁轴承的结构原理及关键技术

1.4 本文的主要内容安排

第二章 径向永磁轴承承载力和刚度研究

2.1 基于静磁能法的承载力计算

2.2 基于等效电流法的承载力计算

2.3 基于有限元法的承载力计算

2.4 磁轴承的承载力计算方法分析

2.5 本章小结

第三章 径向永磁轴承结构尺寸和组合方式与承载力关系研究

3.1 永磁环结构尺寸与承载力关系分析

3.2 径向永磁轴承组合方式与承载力关系分析

3.3 本章小结

第四章 轴向电磁轴承悬浮控制研究

4.1 轴向电磁轴承的数学描述

4.2 轴向电磁轴承偏置电流研究

4.3 基于PD的轴向电磁轴承控制器设计

4.4 基于自抗扰控制的轴向电磁轴承控制器设计

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果