交直流三自由度混合磁轴承应用基础理论研究

摘要

磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损、无需润滑和密封、高转速、高精度、寿命长等一系列优良品质，从根本上改变了传统的支承形式。本文研究了一种新颖的交直流三自由度混合磁轴承，轴向悬浮力控制采用直流驱动、径向悬浮力控制采用三相逆变器提供电流驱动，由一块永磁体同时提供轴向、径向偏置磁通.集交流驱动、永磁偏置及径向-轴向联合控制等优点于一体。目的是研制出一种结构紧凑，制造与运行成本较低并可实际应用于工业领域的新型磁轴承。
　　 首先，在分析各类磁轴承结构与磁路的基础上，创造性地提出了交直流三自由度混合磁轴承这种新型结构。该磁轴承由轴向定子、轴向控制线圈、径向定子、径向控制线圈、转子、径向充磁永磁体等构成。径向控制线圈设计为空间三相对称式结构，因而可采用工业上广泛应用的体积较小，成本较低并易于采用高性能数字信号处理器DSP控制的三相逆变器来控制其径向两自由度。
　　 其次，采用等效磁路法对该磁轴承的磁路进行了推算，导出了其轴向、径向磁悬浮力计算公式及数学模型，对悬浮力计算公式从理论上进行了非线性分析及交叉耦合性分析；依据系统线性化数学模型，建立了控制系统；再依据悬浮力计算公式及数学模型给出了机械与电气参数设计方法，设计出一台试验样机及机械试验平台。采用通用有限元分析软件ANSYS8.0对实验样机的磁路进行了仿真分析，仿真结果验证了理论研究的合理性并对样机参数做了进一步优化设计。
　　 最后，设计了交直流三自由度混合磁轴承基于数字信号处理器DSP的软件系统及硬件电路PCB板，给出了主程序及各中断程序流程图；轴向采用线性功放，径向采用基于CRPWM的三相逆变器功放电路，构建了完整的实验平台；提出了详细实验测试方案，为进一步开展各项参数调试与功能测试奠定了基础。
　　 理论研究与仿真试验结果表明：交直流三自由度混合磁轴承结构合理紧凑、承载力大、效率高、成本低，在超高速超精密数控机床、磁悬浮电机、高速飞轮储能系统、人造卫星等悬浮支撑系统领域具有广泛潜在应用前景。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 磁轴承发展研究状况

1.1.1 磁轴承在国外发展研究概况

1.1.2 磁轴承在国内发展研究概况

1.2 磁轴承系统概况

1.2.1 磁轴承系统组成和工作原理

1.2.2 磁轴承特点及工业应用

1.2.3 磁轴承结构及磁路类型分析

1.2.4 几种典型磁轴承结构

1.2.5 磁轴承研究与发展趋势

1.3 论文工作的提出与内容安排

第二章 交直流三自由度混合磁轴承数学模型与控制策略

2.1 交直流三自由度混合磁轴承磁路与结构分析

2.2 交直流三自由度混合磁轴承工作机理

2.3 悬浮力计算公式及线性化数学模型

2.3.1 建立数学模型前若干假设

2.3.2 永磁偏置磁通等效磁路及气隙处合成磁通计算

2.3.3 轴向悬浮力计算公式及数学模型

2.3.4 径向悬浮力计算公式及数学模型

2.4 悬浮力计算公式非线性与耦合性分析

2.4.1 悬浮力非线性分析

2.4.2 轴径向悬浮力之间耦合性分析

2.5 交直流三自由度混合磁轴承控制策略

2.6 小结

第三章 交直流三自由度混合磁轴参数设计与有限元分析

3.1 交直流三自由度混合磁轴承电磁参数设计

3.1.1 气隙长度选取及饱和磁感应强度确定

3.1.2 磁极面积及控制线圈安匝数计算

3.1.3 永磁材料参数设计

3.1.4 关键电磁参数设计流程图

3.2 实验样机设计

3.2.1 磁轴承结构参数设计流程图

3.2.2 关键设计步骤与设计要点

3.2.3 设计结果

3.3 交直流三自由度混合磁轴承有限元分析

3.3.1 ANSYS有限元方法简介

3.3.2 交直流三自由度混合磁轴承有限元分析过程

3.3.2 交直流三自由度混合磁轴承磁铬有限元分析结果

3.4 小结

第四章 交直流三自由度混合磁轴承系统构成与实验

4.1 交直流三自由度混合磁轴承数字控制系统

4.1.1 DSP芯片结构与开发系统

4.1.2 数字控制系统硬件组成

4.1.3 数字控制系统软件构成及程序流程图

4.2 交直流三自由度混合磁轴承功率放大器

4.3 位置传感器系统

4.4 交直流三自由度混合磁轴承机械试验平台

4.5 交直流三自由度混合磁轴承实验方法

4.6 小结

第五章 总结与展望

5.1 本文完成的主要工作

5.2 需作进一步研究的工作

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文与成果