电磁轴承刚度阻尼特性的分析与研究

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1、分类号：密级：ＵＤＣ：编号：工学硕士学位论文电磁轴承刚度阻尼特性的分析与研究硕士研究生：翟海帮指导教师：任正义教授学科、专业：机械工程论文主审人：滕万庆教授哈尔滨工程大学2018年3月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文电磁轴承刚度阻尼特性的分析与研究硕士研究生：翟海帮指导教师：任正义教授学位级别：工学硕士学科、专业：机械工程所在单位：机电工程学院论文提交日期：2018年1月论文答辩日期：2018年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofM.EngTheAnalysisandR

2、esearchonStiffnessandDampingofActiveMagneticBearingCandidate:ZhaiHaibangSupervisor:Prof.RenZhengyiAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MechanicalEngineeringDateofSubmission:Jan，2018DateofOralExamination:Mar，2018University:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本

3、论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入

4、有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日摘要电磁轴承利用可控电磁力将转子悬浮于空间中，实现转子与轴承的无接触状态，是一种新型的高性能机电一体化产品。电磁轴承的支承特性是电磁轴承系统中的关键研究之一，尤其是支承刚度和阻尼，刚度阻尼特性对电磁轴承转子系

5、统的稳定性、动态特性、旋转精度等有很大的影响。为了能有效提高系统的稳定性，对电磁轴承支承刚度和阻尼进行更细致的研究是十分重要的。本文以10kWh储能飞轮电磁轴承试验样机为研究对象，从理论分析、仿真分析、实验分析等方面着重研究与分析电磁轴承的支承刚度和阻尼。首先阐述电磁轴承转子系统的基本结构及工作原理，建立了径向单自由度转子系统数学模型。根据建立的模型，利用电磁理论推导出电磁力与线圈中电流和间隙的关系，并在平衡位置附近处对电磁力进行线性化处理。基于PID控制策略建立单自由度电磁轴承闭环控制系统模型，得出控制系统的传递函数，利用劳斯判据确定控制参数的稳定域。然后对电磁轴承支承刚

6、度和阻尼进行理论分析。通过分段积分的方法推导出电磁轴承转子在偏心时的电磁力，结合刚度阻尼的概念得出刚度阻尼的计算公式，并分析了电磁轴承刚度阻尼的影响因素。基于PID控制策略，分别对控制系统的控制效果和抗干扰能力进行仿真分析。通过对刚度阻尼的非线性研究，分析了系统在控制参数的稳定域内电磁轴承的支承刚度和阻尼与控制参数间的非线性关系，仿真分析了控制系统各参数对刚度阻尼特性的影响。最后通过静态测量以及动态悬浮试验对轴承的静、动刚度进行分析。静态悬浮的实验测量主要对径向电磁轴承进行静态性能的测试，动态悬浮的测量主要是通过施加载荷对稳定悬浮后的转子进行测试。采集和分析两种试验状态下输

7、出的数据，进而对刚度特性进行分析。将数据分析与理论分析进行对比，最终确定刚度特性基本满足整个电磁轴承转子系统的设计要求，也为电磁轴承的结构设计和控制系统的研究提供参考依据。关键词：电磁轴承；刚度；阻尼；PID控制AbstractAsanewtypeofhigh-performancemechatronicproduct，activemagneticbearing，suspendstherotortothespacethroughcontrollableelectromagneticforce，realizingth