马俊磁悬浮轴承-电磁轴承

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1、磁悬浮轴承理论研究及应用马俊导师：李自贵机电二班s201102181.前言2.电磁轴承工作原理及数学模型3.电磁轴承的故障诊断4.电磁轴承的应用5.总结与展望1.前言所谓的磁悬浮轴承就是利用磁性原理使之没有机械接触的轴承。从本质上说，任何一个磁悬浮问题，归纳起来就是一个磁浮轴承问题，其机理基本一致，研究方法也类似。磁浮轴承是利用磁场力将转子无接触地悬浮在空间的新型机电一体化轴承，它综合运用了机械学、转子动力学、电磁学、电子学、控制理论和计算机科学等多学科的知识，是一项高科技前沿技术。1.1电磁轴承的优缺点优点：电磁轴承因轴与轴承无直接接触，不需润滑，能在真空中和很宽的温度范围内工作

2、，摩擦阻力小，不受速度限制（有的转速高达2300万转/分,线速度高达3倍音速）,使用寿命长,结构可多样化。缺点：静电轴承需要很大的电场强度,应用受到限制，只能在少数仪表中使用。1.2磁悬浮技术发展状况20世纪60年代，世界上出现了3个载人的气垫车实验系统，它是最早对磁悬浮列车研究的系统。随着技术的发展，特别是固体电子学出现，使原来十分庞大的控制设备变得十分轻巧，这就给磁悬浮列车技术提供了实现的可能。1969年，德国牵引机车公司的马法伊研制出小型磁悬浮列车系统模型，以后命名为TR01型，该车在1km轨道上时速达165km，这是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。我国对磁悬浮列车的研究起步晚

3、，1989年3月，国防科技大学研制出我国第一台磁悬浮试验样车。1995年，我国第一条磁悬浮列车试验线在西南交通大学建成，并且成功进行稳定悬浮导向驱动控制和载人运行等时速为300km的试验。西南交通大学这条试验线的建成，标志我国已经掌握了制造磁悬浮列车的技术，上海将辅设13.8km的磁悬浮铁路，那时我国将成为世界上第一个具有磁悬浮运营铁路的国家。当前，国际上对磁悬浮轴承的研究工作也非常活跃。1988年召开了第一届国际磁悬浮轴承会议，此后每两年召开一次。1991年，美国航空航天管理局还召开了第一次磁悬浮技术在航天中应用的讨论会。现在，美国、法国、瑞士、日本和我国都在大力支持开展磁悬浮轴

4、承的研究工作。国际上的这些努力，推动了磁悬浮轴承在工业上的广泛应用。国内对磁悬浮轴承的研究工作起步较晚，尚处于实验室阶段，落后外国约20年。1986年，广州机床研究所与哈尔滨工业大学首先对“磁力轴承的开发及其在FMS中的应用”这一课题进行了研究。此后，清华大学、西安交通大学、天津大学、山东科技大学、南京航空航天大学等都在进行这方面的研究工作。1.3磁悬浮轴承的分类按磁场力的来源电磁铁型永久磁铁型电磁铁和永久磁铁混合型2.电磁轴承工作原理及数学模型定义：利用电场力、磁场力使轴悬浮的滑动轴承。组成：实际使用的电磁轴承一般由径向轴承、推力轴承、伺服控制回路、阻尼器、速度传感器或位置传感

5、器等组成。分类：根据使轴承悬浮的力的来源的分类如右图所示。静电轴承组合式轴承磁力轴承电磁轴承一个转子要实现完全的悬浮需在其五个自由度上施加控制力，即需要两个径向轴承和一个推力轴承。这样的三个磁力轴承和转子加上电子控制器就构成了一个完整的电磁轴承系统（简称AMBS）。一个完整的电磁轴承系统通常包括2个径向轴承和1个轴向轴承及其控制系统；每个径向轴承有2个自由度，每个轴向轴承有1个自由度，这样一个电磁轴承共有5个自由度。2.1电磁轴承的工作原理图1单自由度磁轴承系统原理图工作原理：转子在偏置电流I0的作用下处于平衡位置x0，若某时刻出现一干扰f0，转子就会偏离平衡位置，偏移为x，为使

6、轴承回到平衡位置，须加上控制电流ic，使电磁铁Ⅰ的磁力增加，电磁铁Ⅱ的磁力减小。此时转子所受的力为：其中：u。是导磁率，S为气隙截面积，N线圈匝数。对式（1）在（x0=0，ic=0）处线性化，在不考虑其他情况下，由牛顿第二定律得：2.2磁悬浮轴承数学模型磁悬浮主轴的总体结构五自由度主轴电磁轴承转子系统的结构如图2.7所示。转子两端各有一个辅助轴承，在轴承正常工作期间，辅助轴承不与转子接触。当突然断电，或者主动磁轴承失控时，辅助轴承起临时支撑高速旋转转子接触，防止转子与电机定子及主动磁轴承定子相碰撞而损坏整个系统。当磁轴承不工作时，转子也应落在辅助轴承上，对转子在径向和轴向起保护作用

7、。图中前径向轴承3和后径轴承7制约径向两个平动和转动，轴向轴承4制约轴向运动。整个主轴装有五个涡流式传感器。1-辅助轴承2-径向传感器3-前径向轴承4-轴向轴承5-高频电机6-转子7后径向轴承8-轴向传感器图2.7磁悬浮主轴单元结构布置图根据分析，可以将一个五自由度的模型分解成两个二自由度和一个轴向单自由度分别考虑。这样，问题简化为建立二自由度问题数学模型。以此，下面我们对这两自由度子系统在x-z平面进行分析，同理可以知道y-z平面数学模型。模型刚性转子模型柔性转子